Аналіз проектування електронного годинника

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Сучасний етап розвитку радіоелектроніки характеризується широким застосуванням інтегральних мікросхем (ІМС) у всіх радіотехнічних системах і апаратурі. Це пов'язано із значним ускладненням вимог і завдань, вирішуваних радіоелектронною апаратурою, що привело до зростання числа елементів в ній. За кожне десятиліття число елементів в апаратурі збільшується в 5 - 20 разів.

Складні комплекси апаратури і системи, що розробляються зараз, містять мільйони і десятки мільйонів елементів. В цих умовах виключно важливе значення відіграють проблеми підвищення надійності апаратури і її елементів, мікромініатюризації електрорадіокомпонентів і комплексної мініатюризації апаратури. Всі ці проблеми успішно вирішує мікроелектроніка. Інтегральна і функціональна мікроелектроніка є фундаментальною базою розвитку всіх сучасних систем радіоелектронної апаратури. Вони дозволяють створювати новий вид апаратури - інтегральні радіоелектронні пристрої.

Радіоелектронна апаратура - це радіоприймальна, телеприймальна, апаратура для запису та відтворення звуку та зображення, комбінована апаратура. За призначенням поділяється на дві основні групи: побутову і спеціальну.

Радіоелектронна апаратура спеціального призначення (військова, для літаків, кораблів тощо), особливо, яка встановлюється на транспортних засобах, при експлуатації часто піддається впливу підвищеної вологості, перепаду температур і атмосферного тиску, а також механічним впливам.

Даний проектований електронний годинник відноситься до побутової радіоелектроніки оскільки він експлуатується при звичайних температурах і вологості. За кількістю виконуваних функцій він є одно функціональний, тобто виконує лише одну функцію виведення години на індикатори.

За умовами експлуатації пристрій відноситься до стаціонарної радіоелектронної апаратури, тому що він живиться від мережі змінного струму і не пристосований для постійного переміщення на різні місця роботи.



1. КОНСТРУКТОРСЬКА ЧАСТИНА

1.1 Призначення і область застосування виробу

Проектований прилад призначений для побудови плоских зображень на різних поверхнях, наприклад на стіні. Стробоскоп є переносним приладом невеликих габаритів та ваги, що дозволяє встановлювати його для роботи в різних місцях.

Диний прилад має живлення від блока живлення 9В. Оскільки в більшості виподків він експлуатується в приміщеннях, то елементна база може бути використана з невисокими показниками стабільності.

1.2 Технічні характеристики проектованого виробу і короткий опис роботи по схемі електричній принциповій

Технічні характеристики:

Напруга живлення пристрою, В 9;

Максимальний струм споживання, А 0,04;

Габаритні розміри дxшxв, мм 113x111x50,25;

Маса, г 300;

Діапазон робочих температур, °с 0 +70;

Розглянемо роботу пристрою за його принциповою схемою:

після подачі живлення відбувається ініціалізація всіх портів мікроконтролера, а потім на індикаторах зисвічується напис «bbod», пропонуючи перйти в робочий режим, натиснувши кнопку «ENTER», або в режим вводу кординат, натиснувши «F». При режимі вводу координат засвічується буква «А» і тризначне число адреси комірки, в яку проводиться запис координат. Після цього потрібно ввести координати по осі Х та по У ниснувши після цього «ENTER».

Закінченням циклу служить введення комбінації «000» по координаті Х, після чого прилад переходить в робочий режим. Дані подаються з порта RB0-RB7 через обмежувальні резистори R30-R37. Розряди індикатора HG1 комутуються в динамічному режимі з портів DD2 RC0, RC5-RC7 транзисторними ключами VT16-VT19 з періодичністю 5,43 мс. Одночасно проводиться запит клавіатури. Дані вводяться через порт DD2 RA3-RA5.

В робочому режимі появиться напис «РОБОТА» і на виходах порта RC1, RC2 появляються ШІМ імпульсиз періодичністю 0,4 мс, які відповідають введеним координатам.

В відхиляючих системах використовуються чотири однакових ключа на трьох транзисторах і чотирьох резисторах. Діоди, включені паралельно вихідним транзисторам ключів, блокують викиди, які виникають за рахунок індуктивності електродвигунів при розмиканні ключів.

Лазер VD17 вмикається за допомогою транзисторного ключа VT15 з порта RA2 мікроконтролера. Порти RC3, RC4 призначені для підключення мікросхеми памяті і зберігання зображень при подальшому вдосконаленні програми.

1.3 Вибір елементної бази

Оптимальним варіантом вибору постійних резисторів є резистори типу С2-33Н потужністю 0,25Вт, 0,5Вт та 1Вт, які є аналогами резисторів МЛТ . Вони мають високу стабільність параметрів, малу залежність опору від температури, частоти, напруги, малі габарити і високу надійність.

Рисунок 1.1 -Вигляд резистора С2-33Н



Таблиця 1.1 Габаритні розміри резисторів С2-33Н

Вид резистора	Габаритні розміри і допустимі відхилення, мм	Маса, г, не більше
	L, не більше	l	D, не більше	d
C2-33-0, 125	6,0	0 ± 3	2,2	0,6 ± 0,1	0,15
C2-33-0, 25	7,0		3,0		0,25
C2-33-0, 5	10,2	5 ± 3	4,2	0,8 ± 0,1	1,0
C2-33-1, 0	13,0		6,7		2,0
C2-33-2, 0	18,5		8,8		3,5

Виводні керамічні конденсатори 0.1 мкФ 50В CT-0805Y104M500, та 33 пФ 50B NPO фірми RADIANT призначені для роботи в колах постійного і змінного струмів , а також в імпульсному режимі.

Рисунок 1.2 Керамічний конденсатор 0.1 мкФ 50В СL11 та 33пФ 50B NPO фірми RADIANT

Таблиця 2.4 Габаритні розміри конденсатора CL11, NPO

Розмір, мм
F	5.0
Hmin	10.0
Lmax	4.2
Wmax	3.2
Tmax	3.8

Мікросхеми SN74LS08N( К555ЛИ1) фірми Texas Instruments являють собою чотири логічних елемента 2І. Містять 80 інтегральних елементів. Корпус типу 201.14-1.

Рисунок 1.3 Мікросхеми SN74LS08N фірми Texas Instruments

Для програмування використаємо 8-бітний мікроконтролер PIC16F873 фірми Microchip Technology Inc. , який дуже часто використовується в різній апаратурі, легко програмується та має такі параметри:

1. Напруга живлення - Макс: 5,5 В

2. Напруга живлення - Min: 4 В

3. Вбудований в чіп АЦП: так

4. Висота: 3.3 мм

5. Довжина: 34.67 мм

6. Доступні аналогові / цифрові канали: 5

7. Інтерфейс: MSSP, PSP, USART

8. Кількість ліній введення / виводу: 22

9. Кількість таймерів: 3 біт

10. Робоча напруга живлення: 2 В ... 5.5 В

11. Робочий діапазон температрур: - 40 C ... + 85 C

12. Розмір ОЗУ: 192 B

13. Розмір ПЗУ даних: 128 B

14. Розмір пам'яті програм: 4 Кб

15. Розрядність АЦП: 10 біт

16. Серія процесора: PIC16

17. Тактова частота максимальна: 20 МГц

18. Тип корпусу: SPDIP-28

19. Тип пам'яті програм: Flash

20. Шина даних: 8 біт

21. Ширина: 7.24 мм

Рисунок 1.4 Мікроконтролер PIC16F873 фірми Microchip Technology Inc.

Для динамічної індикації використано семисегментний індикатор CA56-21GWA з спільним анодом фірми Nel Frequency Controls,inc.



Рисунок 1.5 Семисегментний індикатор CA56-21GWA

В якості випрямляючих діодів використаємо 1N4148 (КД522А) фірми LOGO. Це є кремнієві імпульсні діоди, виконані в скляномі корпусі імаркуються чорними полосами.

Рисунок 1.5 Випрямляючий діод 1N4148 (КД522А) фірми LOGO

Параметри діода 1N4148:

Матеріал кремній;

Максимальна постійна зворотня напруга, В 75;

Максимальна імпульсна зворотня напруга, В 120;

Максимальний прямий (випрямленний за напівперіод) струм, А 0.2;

Максимально допустимий прямий імпульсний струм, А 0.45;

Максимальний зворотний струм, мкА 25;

Максимальна пряма напруга 1В при Іпр., 0.01 А;

Максимальний час зворотного відновлення, мкс 0.004;

Загальна ємність Сд, пФ 4;

Робоча температура, С -65 ... +150;

Корпус do35.

В якості транзисторів для ключів використано КТ315Б, завдяки їх поширеному використанні, дешевизні та хорошій роботі.

Рисунок 1.6 Транзистор КТ315Б

Вини володіють такими параметрими:

1. Полярність: NPN

2. Максимальна розсіювана потужність (Pc): 15;

3. Макcимально допустима напруга колектор-база (Ucb): 30;

4. Макcимально допустима напруга колектор-емітер (Uce): 25;

5. Макcимально допустима напруга емітер-база (Ueb): 15;

6. Макcимально постійний струм колектора (Ic): 2;

7. Гранична температура PN-переходу (Tj), єС: 200;

8. Гранична частота коефіцієнта передачі струму (ft): 260;

9. Ємність колекторного переходу (Cc), пФ: 27;

10. Статичний коефіцієнт передачі струму (hfe): 800;

11. Корпус транзистора: TO126.

Для транзисторних ключів блока індикації вибрано BC157 (КТ361Б) фірми DUnberg Electronics, через дешевизну, широке використання та стабільність необхідних параметрів.

Рисунок1.7 Транзистор ВС157

Параметри транзистора ВС157:

Полярність: PNP;

Максимальна розсіює потужність (Pc): 0.3;

Макcимально допустима напруга колектор-база (Ucb): 50;

Макcимально допустима напруга колектор-емітер (Uce): 45;

Макcимально допустима напруга емітер-база (Ueb): 5;

Макcимально постійний струм колектора (Ic): 0.1;

Гранична температура PN-переходу (Tj), град: 125;

Гранична частота коефіцієнта передачі струму (ft): 130;

Ємність колекторного переходу (Cc), пФ: 6;

Статичний коефіцієнт передачі струму (hfe): 70.

В якості кллючів відхиляючої системи використано транзистори ВС212(КТ503А) фірми CASE, через поширене використання та хороші параметри.

Рисунок 1.8 Транзистор ВС212



Параметри транзистора ВС157:

Полярність: PNP;

Максимальна розсіює потужність (Pc): 0.3;

Макcимально допустима напруга колектор-база (Ucb): 60;

Макcимально допустима напруга колектор-емітер (Uce): 50;

Макcимально допустима напруга емітер-база (Ueb): 5;

Макcимально постійний струм колектора (Ic): 0.1;

Гранична температура PN-переходу (Tj), град: 150;

Гранична частота коефіцієнта передачі струму (ft): 280;

Ємність колекторного переходу (Cc), пФ: 6;

Статичний коефіцієнт передачі струму (hfe): 40.

Транзистори КТ814 використовуються в підсилювачах, перетворювачах, імпульсних пристроях. Мають пластмасовий корпус, широко використовуються в побутовій техніці.

Рисунок 1.9 Транзистор КТ814А

Параметри транзистора КТ814А:

Максимально допустима напруга колектор- база В, 40

Максимально допустима напруга колектор-емітер В, 25

Максимально допустимий струм колектора мА, 1500

Масимально допустима розсіювана потужність без радіатора Вт, 1

Статичний коефіцієнт передачі струму h21e, 40-275

Гранична частота коефіцієнта передачі струму МГц, 3

Напруга насичення коллектор-емітер В, 0,6

Транзистори КТ815А використано завдяки їхнім параметрам та дешевизні. Випускають в корпусах двох видів (ТО-126, DPAK). Транзистор КТ815А являється комплементарною парою до транзистора КТ814А.

Рисунок 1.10 Транзистор КТ815А

Параметри транзистора КТ815А:

Максимально допустима напруга колектор- база В, 5

Максимально допустима напруга колектор-емітер В, 40

Максимально допустимий струм колектора А, 1,5

Масимально допустима розсіювана потужність без радіатора Вт, 10

Статичний коефіцієнт передачі струму h21e, 275

Гранична частота коефіцієнта передачі струму МГц, 3

Напруга насичення коллектор-емітер В, 0,5

Для забезпечення необхідноі частоти використано кварцовий резонатор КХ-3Н фірми GEYER, який забезпечує необхідні параметри. Має невеликі габарити, що дозволяє їх використовувати в нашому приладі.

Рисунок 1.11 Кварцовий резонатор КХ-3Н фірми GEYER



Таблиця 2.6 Параметри кварцового резонатора КХ-3Н

Парамети	Од.вим.
Діапазон частот	МГц		3,2 … 70
Режим работи		Основна	3,2 … 40МГц
		3-я гармоніка	35 … 70 МГц
Рабоча температура	°С	KX-3Н	-20 … +70
		KX-3НT	-40 … +85
		KX-3НЕ	-40 … +105
		под заказ	±15 … 50
		под заказ	±25 … 100
Зміна частоти в інтервалі температур -40 … +105°С	ppm	стандарт	±120
		под заказ	±35 … 120
Довгочасна зміна частоти (за перший рік)	ppm		±5

1.4 Технічне обґрунтування конструкції проектованого виробу з врахуванням технологічності

Корпус являється однією з важливих складових частин виробу. Він забезпечує хороший захист від вологи і пилу, від попадання прямого сонячного проміння та захищає пристрій від механічних пошкоджень. Даний виріб складається з корпуса, друкованого вузла, клавіатури, лазера, двигунів відхиляючої системи та блока живлення. На верхній кришці корпуса зроблені отвори для семисегментного індикатора та клавіатури, яка кріпиться до неї гвинтами. Для кріплення електродвигунів виконано два пази відповідного розміру, які закріпляються до верхньої кришки за допомогою двох гвинтів та гайок. Ще на верхній кришці є два отвори з гумовими втулками, через які будуть проходити перемички і будуть їх зєднювати електромагніти та лазер з друкованою платою та електродвигунами. Верхня та нижні кришки мають форму типу «корито» по кутах розміщені стійки для закріплення одна до одної за допомогою саморізів. Друкований вузол кріпиться до нижньої кришки само різами відповідної довжини.

Корпус виготовлятися методом - литтєвого пресування. Матеріалом для корпуса служить пластмаса, що надає йому ряд переваг: зменшення маси, спрощення технологічного процесу, зменшення ціни виробу та хороший естетичний вигляд.Взаєморозміщення елементів виробу забезпечує технологічність складання і регулювання конструкції.Необхідно враховувати густину монтажу компонентів так, щоб виключи помітні паразитні взаємозв'язки, які будуть впливати на характеристики і роботу приладу.

Автоматичне компонування виконаємо за допомогою програми Altium Designer та графічного редактора КОМПАС. Вимоги до габаритних розмірів плат визначимо технологією їх виготовлення. Розміри плати виконаємо економічно доцільними (істотне обмеження на типорозміри з метою стандартизації інструментів і пристосувань). Відхилення від прямокутної форми і створення пазів у зовнішньому контурі призводить до підвищених виробничих витрат і неповного використання вихідних матеріалів. Розміри плати повинні відповідати ГОСТ 10317-72, в якому рекомендовано типи плат із співвідношенням сторін від 1 до 1 до 2 до 1. Максимальна ширина не повинна перевищувати 500мм. Рекомендована товщина в мм: 0,8; 1; 1,5; 2; 2,5; 3. інтегральний мікросхема радіотехнічний резонатор

Для даного приладу приладу використовувалась елеметна база із штировими виводами, які встановлюють в отвори друкованої плати і загинають під кутом 60є. При цьому використовуємо пайку хвилею припою. Під час розміщення електрорадіоелементів були враховані їх розміри та потужність, тому елементи, які нагріваються розмішені на краю плати. Ще також був врахований вплив вплив електромагнітів, які закріплюються на корпусі. Контакти для підпаювання проводів були розміщені в місцях для їх легкого підпаювання. Оскільки густина монтажу проектованого приладу не дуже велика то буде відбуватися хороша циркуляція повітря для охолодження елементів плати.Отвори для кріплення друкованого вузла до нижньої кришки були винесені на край плати для кращого доступу.

Елементи були розташовані в такому порядку щоб забезпечити мінімальні габарити та масу приладу. Крок координатної сітки для встановлення електрорадіоелементів 2.5 мм, а мінімальна відстань між двома друкованими провідниками 0,35 мм. Оскільки штиреві виводи виступають на зворотню сторону друкованої плати і міцно утримуються запаяними виводами, то вони можуть витримувати практично будь-які механічні дії .



2. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

2.1 Розрахунок надійності проектованого виробу, приладу, вузла або субблоку

Основними характеристиками надійності, що приймаються для описання електронної апаратури, є ймовірність безвідмовної роботи, середній час напрацювання на відмову і інтенсивність відмов в системі. Вихідними даними для розрахунків є кількісний склад компонентів, що володіють різними надійнісними характеристиками.

Для більшості електронних пристроїв справедливі наступні допущення:

- ймовірність виникнення відмов не залежить від часу;

- інтервал часу між відмовами розподілений по експоненціальному закону;

- всі елементи працюють одночасно і відмова будь-якого з них призводить до відмови всього пристрою.

Проведемо кінцевий розрахунок надійності проектованого приладу стробоскопа.

Рисунок 2.1 Імовірність безвідної роботи стробоскопа

Коефіцієнти впливу:

Коефіцієнт механічних впливів:

Коефіцінт впливу вологості і температури:

Коефіцієнт атомосферних впливів

Результати розрахунку:

Поправочний коефіцієнт К=3,57

Інтенсивність відмов: 9,075654e- 5/год

Середня наробка до відмови: 11018.49 год

Розрахунок ймовірності безвідмовної роботи P(t):

t = 10000 год. P(t) = 0.403505

t = 10100 год. P(t) = 0.399859

t = 10200 год. P(t) = 0.396247

t = 10300 год. P(t) = 0.392667

t = 10400 год. P(t) = 0.389119

Конструктивний розрахунок окремих елементів і складальних одиниць

Розрахунок друкованого монтажу складається з трьох етапів: розрахунок по змінному і постійному струму і конструктивно-технологічний.
Розрахунок проводимо в такій послідовності:

Розрахунок друкованого монтажу складається з трьох етапів: розрахунок по змінному і постійному струму і конструктивно-технологічний. Розрахунок проводимо в такій послідовності:

1. Виходячи з технологічних можливостей виробництва вибираємо метод виготовлення і клас точності друкованої плати (ОСТ4.010.022 - 85). Вибираємо метод виготовлення - комбінований, клас точності - 3

2. Визначаємо мінімальну ширину друкованого провідника, по постійному струму для кіл живлення і заземлення:

(

де Імах - максимальний постійний струм, який протікає в провідниках.

Визначається із аналізу принципової схеми, Імах = 0,04А ;

Ідоп = 48А/мм2 - допустима густина струму для комбінованого

методу виготовлення,

t = 35мкм - товщина провідника.

3. Визначаємо мінімальну ширину провідника, мм., виходячи з допустимого падіння напруги на ньому:

де: р = 0,0175 Ом*мм2/м - питомий об'ємний опір,

L = 0,37м - довжина провідника,

= 0,2В - допустиме падіння напруги.

4. Визначаю номінальне значення діаметрів монтажних отворів d:

d = dE + |?dн.в.| + r

де: dE - максимальний діаметр виводу встановленого ЕРЕ (діаметр вивода ере)

?dH.B. - нижнє граничне відхилення від номінального діаметру монтажного отвору (0,1 для всіх)

r - різниця між мінімальним діаметром отвору і максимальним діаметром вивода ЕРЕ, її вибирають в межах 0,1…0,4мм. Розрахункові значення d зводяться до нормалізованого ряду отворів: 1,1; 1,3; 1,5 мм.

dE1 = 0,6 для малопотужних резисторів С2-33Н-0,25Вт, керамічних конденсаторів, мікросхем, кварцового резонатора.

dE2 = 0,8 для транзисторів, діодів, шлейфа.

dE3 = 1 для підпаювання проводів та транзисторів.

d = dE + |?dн.в.| + r = 0,6 + |+0,1| + 0,4 = 1,1 мм

d = dE + |?dн.в.| + r = 0,8 + |+0,1| + 0,4 = 1,2 мм

d = dE + |?dн.в.| + r = 1 + |+0,1| + 0,4 = 1,3 мм

Приймаємо такі стандартні діаметри отворів 1,1; 1,3;1,5 мм.

5. Розраховую діаметри контактних площадок:

Dmin = D1min + 1,5hф + 0,03

де: hф - товщина фольги; D1min - мінімальний ефективний діаметр площадки;

де: bм - відстань від краю просвердленого отвору до краю контактної площадки;

bм = 0,06 мм.

дd і дp - допуски на розташування отворів і контактних площадок;

дd =0,2мм, дp = 0,4мм.

dmax - максимальний діаметр просвердленого отвору, мм:



dmax=d+?d+(0,1…0,15)

де: ?d - допуск на отвір.

dmax1 =1,1+0,05+0,1=1,25 мм

dmax2 =1,2+0,05+0,1=1,35 мм

dmax3 =1,3+0,05+0,1=1,45 мм

Dmin1=2,57+1,5·0,035+0,03=2,6мм

Dmin2=2,6+1,5·0,035+0,03=2,65мм

Dmin3=2,7+1,5·0,035+0,03=2,73мм

Максимальний діаметр контактної площадки:

Dmax=Dmin+(0,02…0,0) (2.5.2.7)

Dmax1=2,57+0,02=2,59мм

Dmax2=2,6+0,02=2,62мм

Dmax3=2,7+0,02=2,72мм

6. Визначаю ширину провідників:

bmin=b1min+1,5hф

де: b1min - мінімальна ефективна ширина провідника, мм. b1min=0,6мм для плат 3- го класу точності.

bmin=0,6+1,5·0,035=0,66мм

7. Визначаємо мінімальну відстань між елементами провідного матеріалу.

Мінімальна відстань між провідником і контактною площадкою:

де: Lo - відстань між центрами відповідних елементів;

Мінімальна відстань між двома контактними площадками:

S2min = L0 - (dmax + 2дp) (2.5.2.10)

S2min1 =2,5-(1,25+2·0,4)=0,65мм

S2min2 =2,5-(1,35+2·0,4)=0,35мм

S2min3 =2,5-(1,45+2·0,4)=0,25мм

Мінімальна відстань між двома провідниками:

S3min=L0-(dmax+2дd)

S3min1 =2,5-(1,25+2·0,2)=0,85мм

S3min2 =2,5-(1,35+2·0,2)=0,75мм

S3min2 =2,5-(1,45+2·0,2)=0,65мм



При розрахунку мінімальної ширини друкованого провідника,в результаті обрахунків ширина друкованого провідника дорівнює 0.037мм, але оскільки плата 3 класу точності, то мінімальне значення номінальної ширини провідника становить 0,6 мм.

При розрахунку діаметрів монтажних отворів, розраховані значення були зведені до нормалізованого ряду отворів: 0,6мм,0.8мм та 1,5мм.

Мінімальний діаметр контактних площадок:

Для монтажних отворів 0,6 мм становить 2,6 мм.

Для монтажних отворів 0,8 мм становить 2,65 мм.

Для монтажних отворів 1 мм становить 3,73 мм.

Мінімальна відстань між провідником і контактною площадкою під час розрахунку становить: 0,015мм, -0,185мм та 0,535 мм.

Мінімальна відстань між двома контактними площадками під час розрахунку становить: 0,65мм, -0,035мм та -0,135 мм.

Мінімальна відстань між двома провідниками під час розрахунку становить: 0,85 мм, 0,75 та 0,65мм.

Оскільки деякі розраховані значення вийшли від'ємними то можна сказати, що контактні площадки будуть мати не стандартну форму, а провідники які будуть використовуватись будуть із звуженням.

Размещено на Allbest.ru