Курсовая работа на тему: Вольтметр
У нас на сайте представлено огромное количество информации, которая сможет помочь Вам в написании необходимой учебной работы.
Но если вдруг:
Вам нужна качественная учебная работа (контрольная, реферат, курсовая, дипломная, отчет по практике, перевод, эссе, РГР, ВКР, диссертация, шпоры...) с проверкой на плагиат (с высоким % оригинальности) выполненная в самые короткие сроки, с гарантией и бесплатными доработками до самой сдачи/защиты - ОБРАЩАЙТЕСЬ!
Курсовая работа на тему: Вольтметр
СОДЕРЖАНИЕ
1.1 Анализ технического задания
1.3 Назначение и принцип действия
2.1 Выбор и обоснование элементной базы
Приложение А Перечень элементов
Приложение Б Спецификация
Приложение В Структурная схема
Приложение Г Схема электрическая принципиальная
Приложение Д Сборочный чертеж
ВВЕДЕНИЕ
Отечественная промышленность после экономического кризиса находится в упадке. Импортная продукция захватила внутренний рынок сбыта в нашей стране, отодвинув продукцию российских предприятий на второй план. Это мешает нормальному развитию нашей промышленности, т.к., покупая импортную продукцию, мы отдаем деньги иностранным компаниям, т.е. происходит отток капитала за границу. Наши же предприятия из-за недостатка средств не могут совершенствовать процесс производства и повышать объем выпускаемой продукции.
В настоящее время происходит интенсивное развитие радиоэлектронной техники. Каждый день появляются новые возможности. Разрабатывается большой ассортимент различных электронных приборов и устройств, в том числе и устройств для измерения напряжения.
Применение электронных устройств в приборах для измерения переменных напряжений и токов позволяет обеспечить высокий уровень их метрологических характеристик [1]:
– широкий диапазон измерений;
– высокую чувствительность;
– малую потребляемую мощность из измеряемой цепи;
– широкий частотный диапазон и др.
Так, электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от 1 мкВ до 1000 В), большим входным сопротивлением (до 30 МОм), малой входной емкостью (10...40 пФ), широким частотным диапазоном (0...1000 МГц) [1].
Эти достоинства обусловили широкое распространение электронных вольтметров и амперметров. Амперметры и вольтметры предназначены для измерения действующего значения переменного тока, или напряжения.
Группа электромагнитных приборов является наиболее распространенной. Принцип их действия, использованный впервые еще Ф. Кольраушем в 1884 году, основан на перемещении подвижной железной части под влиянием магнитного потока, создаваемого катушкой, по которой пропускается ток. Практическое осуществление этого принципа отличается разнообразием.
Так, в распространенных в свое время амперметрах Гуммеля подвижная часть прибора состоит из очень тонкой изогнутой пластинки мягкого железа, которая располагается эксцентрически внутри катушки, так что ось пластинки параллельна оси соленоида. К этой пластинке прикреплена указательная стрелка, конец которой перемещается по дугообразной шкале. Общий центр тяжести подвижной системы при нулевом положении указателя лежит под точкой вращения; таким образом подвижная система уравновешивается ее собственною тяжестью и в положении покоя указатель устанавливается против нулевого деления действием силы тяжести. Небольшой противовес дает возможность привести точно указатель к нулевому делению, когда прибор установлен окончательно [2].
Вольтметр и амперметр цифровой предназначен не только для измерения собственно напряжения и силы тока, но и некоторых других величин, предварительно преобразованных входными устройствами в напряжение.
В настоящее время цифровые вольтамперметры применяются для повышения производительности труда при автоматизации научных исследований; для повышения производительности труда в промышленности; при поверке и градуировке точных приборов; при наладке и регулировке сложной электронной аппаратуры на конвейере [2].
Поэтому целью курсового проекта является разработка сравнительно простого в схемном решении электронного вольтметра, в котором используется широко распространенная элементная база и микроконтроллер. Устройство не требует сложных настроек и регулировок, имеет небольшие габаритные размеры и сравнительно низкую стоимость.
1 Техническая часть
1.1 Анализ технического задания
Для того что бы измерить определенные электрические величины используют измерительные приборы. Электроизмерительные приборы применяются для измерения напряжения, сопротивления, силы тока и других электрических параметров.
Среди электроизмерительных приборов существует разделение на цифровые и аналоговые. Их основное отличие в форме отображения информации: либо при помощи стрелки, либо цифрового монитора. Сегодня все более популярными становятся цифровые аппараты, т.к. они превосходят в большинстве обычные механические модели приборов. Измерение напряжения является наиболее востребованным поэтому целью работы является создание миниатюрного вольтметра постоянного напряжения.
Обработка полученных результатов измерения выполняется микроконтроллером ATtiny13-20SU в SOIC корпусе.
Основным отличием от существующих вольтметров является возможность автоопределения диапазона измерения и настройка индикатора. Его можно использовать как с общим катодом, так и с общим анодом, а также возможно применение в схеме разных типов индикаторов – они будут работать с одной прошивкой.
Разработанное устройство обладает следующими техническими характеристиками:
– диапазон измерения напряжения, В 0,00…9,99;
– класс точности 3,0;
– частота замеров, раз/с 5,0;
– рабочая температура, 0С от минус 10 до плюс 65;
– ток потребления, А 0,15.
1.2 Патентный поиск
Патент - охранный документ, удостоверяющий исключительное право, авторство и приоритет изобретения, полезной модели либо промышленного образца [3].
Патентный поиск - процесс отбора документов или сведений, соответствующих запросу на основании заявленного изобретения по одному или нескольким признакам из массива патентных документов или данных по доступным фондам национальных патентных ведомств [3].
Патентный поиск осуществляется посредством информационно-поисковой системы и выполняется вручную или с использованием соответствующих компьютерных программ, а также с привлечением соответствующих экспертов.
Предмет поиска определяют исходя из конкретных задач патентных исследований категории объекта (устройство, способ, вещество), а также из того, какие его элементы, параметры, свойства и другие характеристики предполагается исследовать.
При патентном поиске сравниваются выражения смыслового содержания информационного запроса и содержания документа.
Среди основных целей патентного поиска можно выделить:
– проверка уникальности изобретения;
– определение особенностей нового продукта;
– поиск изобретателей или компании, получивших патенты на изобретения в той же области;
– выяснить, не посягает ли ваше изобретение на чужую интеллектуальную собственность;
– получить информацию о частных лицах, имеющих патенты на схожие изобретения.
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО [4]
УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ДЛЯ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ОТВЕТСТВЕННЫХ СИГНАЛОВ [5]
ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОМ ПОТЕНЦИАЛЕ [6]
За базовый принята авторская разработка № 2350972 от 10.10.2007 «Измерительное устройство» автора Шехмаметьева Рахима Гереевича (RU).
1.3 Назначение и принцип действия
Причиной разработки устройства стала необходимость создать компактный вольтметр, который будет конкурентоспособным на рынке. Было принято решение реализовать его на базе микроконтроллера серии ATtiny микросхем серии К176 по схеме, изображённой в приложении Г.
Прибор измеряет постоянное напряжение U положительной полярности от 0 до 99,9 В, отображая результат на трехразрядном семиэлементном светодиодном индикаторе HG1 с общими катодами разрядов.
Если входное напряжение превышает 99,9 В, начинает мигать символ «0» во втором разряде индикатора Остальные два разряда при этом погашены. При измерении напряжения менее 1 В разряды единиц и десятков вольт погашены программно. Программа для микроконтроллера написана на языке ассемблер в среде разработки AVR studio 4.19.
В связи с недостаточным числом линий ввода-вывода у использованного микроконтроллера его вход RESET сконфигурирован как вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADC0, куда и подано через резистивный делитель R1R2 и фильтр R3C2 измеряемое напряжение.
Поэтому коды программы необходимо загружать в микроконтроллер в режиме параллельного или HVSP программирования.
Проверено, что программа, представленная ниже, работает под управлением 64-разрядной версии Windows 10. Однако для подключения программатора необходим компьютер с портом LPT, иначе в слот PCI нужно будет вставить контроллер такого порта.
;***************************************************************
;ПРОГРАММА ВОЛЬТМЕТРА
;***************************************************************
.INCLUDE "TN13DEF.INC"
.CSEG
.ORG 0
RJMP RESET
RETI
RETI
RETI
RETI
RETI
RETI
RETI
RETI
RETI
RESET:
CLI
LDI R16, RAMEND
OUT SPL, R16
LDI R16,15
MOV R15, R16
OUT PORTB, R15
LDI R16, 31
OUT DDRB, R16
LDI R16, 3
MOV R3, R16
LDI R16, 131
OUT ADCSRA, R16
LDI R16, 64
OUT ADMUX, R16
CLR R2
INC R2
CLR R10
CLR R11
CLR R24
CLR R25
CLR R17
CLR R16
SBI DIDR0, 5
.MACRO P
PS:
SBIW R24, 32
BRNE PS
.ENDM
MAIN:
LDI R22, 64
SBI ADCSRA, 6
SBIS ADCSRA, 4
RJMP PC-1
SBI ADCSRA, 4
IN R16, ADCL
IN R17, ADCH
NOP
CPI R16, 232
CPC R17, R3
BRLO DV
RJMP OV
DV:
MOVW R18, R16
CLR R20
CLR R21
CPI R18, 32
CPC R19, R3
BRLO A
SBR R20, 8
SUBI R18, 32
SBCI R19, 3
RJMP M
A:
CPI R18, LOW(400)
CPC R19, R2
BRLO A0
SBR R20, 4
SUBI R18, 144
SBCI R19, 1
A0:
CPI R18, 200
CPC R19, R10
BRLO M
SUBI R18, 200
SBCI R19, 0
SBR R20, 2
M:
CPI R18, 100
BRLO M0
SUBI R18, 100
SBR R20, 1
M0:
CPI R18, 80
BRLO M1
SUBI R18, 80
SBR R21, 8
RJMP M3
M1:
CPI R18, 40
BRLO M2
SUBI R18, 40
SBR R21, 4
M2:
CPI R18, 20
BRLO M3
SUBI R18, 20
SBR R21, 2
M3:
CPI R18, 10
BRLO IND
SUBI R18, 10
SBR R21, 1
////////////////////////////////////////////////
IND:
OUT PORTB, R15
TST R20
BREQ I2
OUT PORTB, R20
SBI PORTB, 4
NOP
OUT PORTB, R15
CBI PORTB, 2
I2:
P
OUT PORTB, R15
SBI PORTB, 4
NOP
CBI PORTB, 4
TST R20
BRNE II2
TST R21
BREQ I3
II2:
OUT PORTB, R21
SBI PORTB, 4
NOP
OUT PORTB, R15
I3:
CBI PORTB, 1
P
OUT PORTB, R18
SBI PORTB, 4
NOP
OUT PORTB, R15
CBI PORTB, 0
P
OUT PORTB, R15
DEC R22
BRNE IND
RJMP MAIN
OV:
OUT PORTB, R15
LDI R23,16
OUT PORTB, R23
NOP
OUT PORTB, R15
SBRC R22, 5
CBI PORTB,1
P
DEC R22
BRNE OV
RJMP MAIN
Программный драйвер доступа к порту LPT должен быть установлен в системе вручную с добавлением данных в реестр и последующей перезагрузкой операционной системы.
2 Конструкторская часть
2.1 Выбор и обоснование элементной базы
2.1.1 Выбор конденсаторов
Исходными данными для выбора конденсаторов являются:
– номинальная величина ёмкости, указанная на схеме и допуск на величину ёмкости;
– назначение цепи, в которой стоит конденсатор;
– режим цепи (постоянный ток, перемены ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов);
– условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора (температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки);
– желательно конструктивное оформление конденсатора.
При больших номиналах емкости используют керамические дисковые конденсаторы, так как они имеют широкий диапазон номинальных емкостей. Из керамических конденсаторов К10-17, КД2 и К10-7В целесообразно использовать К10-17в, потому что они имеют небольшие габариты и меньший разброс параметров.
Отечественные незащищенные керамические конденсаторы К10-17в (рисунок 1) применяются в цепях постоянного, пульсирующего, переменного токов в импульсных режимах. Выпускаются в соответствии с ОЖО.460.107 ТУ. Предназначены для поверхностного монтажа. Поставка производится россыпью или в блистр-ленте. Типы контактных электродов: серебро-палладий, серебро-никель барьер/олово-свинец.
Параметры К10-17в [7]:
– номинальная емкость, нФ от 0,470 до 470;
– допуск номинала, % 10;
– температурный коэффициент емкости М47, М1500, H20, Н50, Н90;
– рабочая температура, 0С от минус 60 до плюс 125;
– выводы/корпус радиальные/проводной;
– длина корпуса L, мм 3,2±0,2;
– ширина корпуса B, мм 1,6±0,2;
– высота H, мм 0,55.
Рисунок 1
Учитывая диапазон возможных входных напряжений, уровень выходного напряжения и рекомендации по эксплуатации данной схемы выбраны танталовые электролитические конденсаторы TECAP, т.к. они более надежные и имеют меньшие габариты, в отличии от К50-6, К50-12. Габаритные размеры корпуса таких конденсаторов представлено на рисунке 2.
Танталовые электролитические конденсаторы - это малогабаритные конденсаторы высокой стабильности с низким током утечки, устойчивыми частотными и температурными характеристиками и длительным сроком службы.
Пригодны как для автоматического, так и для ручного монтажа. Герметичная конструкция обеспечивает защиту от воздействия влаги, допускает промывку платы после монтажа. На корпусе указываются номинальная емкость, рабочее напряжение, черная полоса со стороны положительного вывода.
Технические параметры танталовых электролитических конденсаторов TECAP [8]:
– диапазон номинальных значений емкости, мкФ от 0,1 до 470;
– точность, %: ± 10, ± 20;
– рабочее напряжение, В от 4 до 50;
– типоразмеры А, B, C, D, E, F;
– рабочая температура, 0С от минус 55 до плюс 85.
L = 7,3 мм; W = 4,3 мм; T = 2,8 мм; B = 2,4 мм; A = 1,3 мм
Рисунок 2
2.1.2 Выбор резисторов
Резисторы предназначены для создания в электрической цепи требуемой величины сопротивления, обеспечивающей перераспределение энергии между элементами схемы.
Исходными данными при выборе постоянных резисторов являются:
– номинальная величина сопротивления, указанная на схеме и допуск на величину сопротивления;
– мощность рассеивания;
– режим цепи (постоянный, переменный ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов);
– условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора;
– желательное конструктивное оформление резистора.
Резисторы бывают проволочные и непроволочные. В данном устройстве используются непроволочные резисторы, так как они имеют меньший вес, стоимость, габариты и паразитные параметры. Непроволочные резисторы бывают: углеродистые тонкослойные, металлодиэлектрические тонкослойные, композиционные объёмные.
Из всех резисторов выбираются металлодиэлектрические, потому что они обладают большей стабильностью при циклическом воздействии температуры, механических нагрузках по сравнению с углеродистыми, меньшая зависимость значения сопротивления от приложенного напряжения, меньше ЭДС шумов по сравнению с композиционными. В данной схеме можно использовать резисторы: С2-13, С2-14, С2-22, С2-23, C2-31, С2-34, Р1-8В. Из перечисленных резисторов выбираются SMD резисторы Р1-8В (рисунок 3), так как при малых габаритах они имеют наивысшую надежность [9].
Рисунок 3
В таблице 1 приведем габаритные размеры резистора SMD, а в таблице 2 его технические характеристики.
Таблица 1
Таблица 2
2.1.3 Выбор транзисторов
Транзисторы – это полупроводниковые приборы, служащие для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n-p-переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.
Исходными данными для выбора транзисторов являются:
– назначение цепи, в которой устанавливается транзистор;
– коэффициент усиления;
– прямой и обратный токи;
– коэффициент обратной связи;
– режим цепи.
В разрабатываемой схеме можно использовать полевые транзисторы BSS138, BF998, 2N4091, 2SK1119, IRLML5203, MTP3N60, BUK444-800B, IRF540N. Выбираем транзисторы IRLML5203, так как они имеют оптимальные технические характеристики и малую стоимость [10]. Корпус и габаритные размеры приведены на рисунке 4.
Технические параметры IRLML5203 [10]:
– структура p-канал;
– максимальное напряжение сток-исток Uси, В минус 20;
– максимальный ток сток-исток при 25 0С Iси макс.. А минус 3,78;
– максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В ±12;
– сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл., МОм 65;
– максимальная рассеиваемая мощность Pси макс.. Вт 1,3;
– крутизна характеристики, S 6;
– корпус SOT23;
– пороговое напряжение на затворе минус 0,95.
Рисунок 4
2.1.4 Выбор разъемов
Исходя из требований, предъявляемых к схемотехническому решению и эргономических соображений, выбираем разъемы серии CWF-3R (рисунок 5) [11].
Технические характеристики разъемов:
– сопротивление изолятора, МОм 100;
– сопротивление контактов, Ом 0,03;
– предельный ток через контакт, А 1,5;
– рабочее напряжение, В 50;
– предельное напряжение, В 500.
Рисунок 5
2.1.5 Выбор микросхем
Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой), дискретной и цифровой форме.
Микросхемы выбираются исходя из назначения и параметров схемы:
– потребляемый ток;
– быстродействие;
– рассеиваемая мощность;
– напряжение питание;
– входное сопротивление;
– температура и др.
Интегральные микросхемы делятся так же по назначению:
– стабилизаторы;
– счётчики;
– усилители;
– триггеры;
– стабилизаторы;
– таймеры.
Выбор микроконтроллера
В качестве микроконтроллера можно использовать микросхемы PIC16F913-I/SS, PIC16F913-I/SP, PIC16F913-I/SO, ATtiny13-20SU. В разработанной схеме используется микросхема ATtiny13-20SU (рисунок 6), которая сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и ПЗУ [12]. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.
AVR – самая обширная производственная линии среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Достоинствами микроконтроллеров Atmel являются:
– малое удельное энергопотребление (мА/МГц);
– расширенный диапазона питающих напряжений (до 1,8 В);
– быстродействие до 16 млн. операций в секунду;
– реализация функции самопрограммирования;
– совершенствование и расширение количества периферийных модулей (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, программируемая логика, контроллер DVD, устройства защиты данных) и др.
Отличительные особенности микроконтроллеров серии ATtiny:
– 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;
– прогрессивная RISC архитектура;
– 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;
– 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения;
– полностью статическая работа;
– приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность;
– встроенный 2-цикловый перемножитель;
– энергонезависимая память программ и данных;
– 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash);
– обеспечивает 1000 циклов стирания/записи;
– дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;
– обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write);
– 512 байт EEPROM;
– обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;
– 1 Кбайт встроенной SRAM;
– программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;
– встроенная периферия;
– два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;
– счетчик реального времени с отдельным генератором;
– три канала PWM;
– программируемый последовательный USART;
– программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;
– встроенный калиброванный RC-генератор;
– выводы I/O и корпуса;
– 8-выводной корпус SO (рисунок 14);
– рабочие напряжения от 4,5 до 5,5 В;
– рабочая частота от 0 до 16 МГц.
Рисунок 6
Рисунок 7
Выбор дешифратора двоичного кода
Дешифратор двоичного кода может быть реализован на логических микросхемах серий 155(133), 555(1533), 561 или 176 [13]. Дешифраторы двоичного кода К176ИД2 не имеет аналогов и при этом полностью совместима с микроконтроллером ATtiny13-20SU.
Микросхема К176ИД2 дешифратор двоичного кода в информацию для вывода на семисегментный индикатор с регистром-защёлкой и прямыми и инверсными комбинациями на выходе. Микросхема К176ИД2 применяется в схемах электронных часов и измерительных приборов. К ней возможно подключение светодиодного или люминисцентного индикатора.
Микросхема К176ИД2 принимет четырёхразрядный код D3...D0 от 0000 до 1001 - «девять». Более старшие комбинации не отображаются. Если на вход S (вывод 1) подаётся высокий уровень (логическая «1»), на выходе дешифратора появляется декодированный входной код. При S = «0» сигнал защелкиваетcя, и остается на индикаторе - при этом входы Dn сигнал не принимают [14].
Высокий уровень, поданный на вход K, гасит знак индикатора, низкий - разрешает индикацию.
Дешифратор К176ИД2 рассчитан на подключение светодиодных индикаторов с общим катодом или анодом.
При низком уровне сигнала на выводе M (вывод 6), активные выходные уровни дешифратора - высокие. Инверсный режим работы с подачей на вход М высокого уровня обеспечивает комбинацию для работы индикатора с общим анодом.
Назначение выводов дешифратора К176ИД2 приведено на рисунке 8, а габаритные размеры на рисунке 9.
Рисунок 8
Рисунок 9
Основные параметры микросхемы К176ИД2 приведены в таблице 3.
Таблица 3
2.1.6 Выбор индикатора
В качестве индикатора можно использовать микросхемы TOT3361, VIM-404-DP-RC-S-H, SP506PRW, E90361-L-F, ITH-E0190, DV-16252S2FBLY-H/R. В качестве индикаторов выбраны TOT3361 (рисунок 10) – в пластмассовом корпусе, предназначенные для визуальной индикации в аппаратуре. Индикатор имеет шестнадцать сегментов, излучающих свет при подаче прямого тока. Различные комбинации элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести любую цифру, букву или символ. Высота символа 9,2 мм [15].
Назначение выводов TOT3361 представлено в таблице 4.
Таблица 4
Рисунок 10
Технические характеристики TOT3361:
– цвета свечения индикатора красный;
– количество символов 3;
– количество сегментов в разряде 7 (с точкой);
– размер модуля, мм 68x27x9;
– размер символа, мм 9x5;
– потребляемый ток, мА 3…30.
2.2 Расчет печатной платы
Печатная плата – это изделие из плоского изоляционного основания с отверстиями, позами, вырезами и системами токопроводящих полосок металла, которые используются для установки и эксплуатации электорадиоэлементов (ЭРЭ) [16].
Преимущество печатного монтажа перед объемным состоит в следующем:
– при эксплуатации печатной платы (ПП) паразитные параметры монтажа от образца к образцу не меняются;
– процесс проектирования ПП может быть автоматизирован, что сокращает время проектирования и позволяет сделать оптимальную трассировку;
– процесс сборки и монтажа изделия на ПП может быть автоматизирован;
– изделия с печатным монтажом имеют меньшие габаритные размеры и массу;
– печатный проводник допускает большую плотность тока, чем объемный, так как охлаждение его лучше.
Для изготовления ПП используют односторонний и двухсторонний фольгированный гетинакс и стеклотекстолит. Выбор материала платы осуществляется из конструктивных соображений. Гетинакс дешевле стеклотекстолита в несколько раз, но он более хрупкий и подвержен атмосферному воздействию. Стеклотекстолит имеет хорошие сцепление медной фольги с диэлектриком и выдерживает большие число перепаек, повышенную влажность и тяжелые механические нагрузки.
По конструкции ПП бывают: односторонние, двухсторонние, многослойные. ГОСТ Р 53429-2009 – устанавливает семь классов точности изготовления ПП в соответствии со значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции.
ПП обладают электрическими и конструктивными параметрами. К электрическим параметрам ПП относятся [17]:
– t – ширина печатного проводника;
– S – расстояние между печатными проводниками;
– R – сопротивление печатного проводника;
– L – индуктивность печатного проводника;
– С – емкость печатного проводника.
К конструктивным параметрам ПП относятся:
– размеры ПП (длина, ширина, толщина);
– диаметры и количество монтажных отверстий;
– минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников.
В качестве материала для печатной платы прибора для проверки работы электрокардиографа используется стеклотекстолит, так как он имеет следующие преимущества по сравнению с гетинаксом:
– большую механическую стойкость;
– большую влагостойкость;
– большую термостойкость;
– при сверлении отверстий дает меньшую шероховатость поверхности.
Проектируемая печатная плата двухсторонняя, устройство будет работать при нормальной температуре, проходящий ток по печатной плате незначительный. Материал платы стеклотекстолит фольгированный представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный из стеклоткани, пропитанной термореактивным связующим, облицованный с двух сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм.
Выбрав материал ПП и способ изготовления, рассчитаем ширину печатного проводника [16]:
, (1)
где I - ток протекающий по проводнику, А
h - толщина фольги, мм
j - плотность тока, А/мм2.
Ток, протекающий по проводнику, складывается из токов всех видов активных элементов схемы. Для проектируемого устройства ток I равен 0,15 А, плотность тока j равна 20 А/мм2, а толщина фольги 35 мкм (или 0,035 мм):
Минимальное расстояние S между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрической прочности. Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка приводится в таблице 5 [16].
Таблица 5
Из таблицы 5 выбирается минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка, то есть параметр S, для печатной платы равен 0,1...0,2 мм, так как используется стеклотекстолит. Рассчитав параметр t и S, выбирается класс точности изготовления печатной платы по таблице 6 [16].
Таблица 6
Выбираем 3 класс точности изготовления ПП. Расчет площади, занимаемый ЭРЭ приведен в таблице 7.
Таблица 7
Определяем конструктивные параметры платы [17].
Проектируемая плата имеет 4 крепежных диаметром по 3,0 мм (для 2,8 мм болтов). Определим площадь технических отверстий по формуле:
(2)
где d - диаметр отверстий, мм;
n - количество отверстий, шт.
Для выбора размеров ПП необходимо определить её площадь:
, (3)
где Fэрэ – площадь, занимаемая ЭРЭ, мм2;
Fто – площадь занимаемая технологическими крепежными отверстиями, мм2;
Fсв – площадь которую не должны занимать ЭРЭ по конструктивным соображениям, мм2;
Кз – коэффициент заполнения ПП,
Свободна площадь (Fсв) будет равна 0 мм2.
Посчитав площадь печатной платы, по ГОСТ Р 53429-2009 выберем размеры ее сторон: 40×25 мм.
После выбора размеров ПП, определяю реальный коэффициент заполнения печатной платы по формуле:
, (4)
где А – размер длины ПП, мм;
B – размер ширины ПП, мм,
Минимальный диаметр металлизированного монтажного отверстия на печатной плате определяется по формуле:
(5)
где H – толщина печатной платы;
γ – отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы.
Рассчитаем минимальный диаметр металлизированного монтажного отверстия:
Определяем диаметры монтажных отверстий по формуле:
(6)
Если dв 0,8 то = 0,2, если dв > 0,8 то = 0,3.
Для элемента CWF-3R:
Для элемента К176ИД2:
Для элемента TOT3361:
Полученные результаты вычислений приведем в таблице 8.
Таблица 8
Т.к. диаметров монтажных отверстий должно быть на плате не более трех выбираем Ø 0,9 мм.
Условие (5) выполняется т.к. 0,9 мм > 0,495 мм.
Рассчитаем диаметр контактных площадок по формуле:
(7)
где b – радиальная ширина контактной площадки;
∆d – точность получения отверстия;
Td – значение позиционного допуска расположения монтажных отверстий;
TD – значение позиционного допуска расположения контактных площадок.
Определение диаметров монтажных отверстий производится, учитывая следующие требования:
– диаметр монтажного отверстия должен быть такой, чтобы в него свободно входил вывод радиоэлемента;
– его величина не должна быть слишком большой, иначе будет большой коэффициент непропайки.
Для плат, изготавливаемых по 3 классу точности b = 0,1 мм, ∆d = 0,1 мм,
Td = 0,08 мм, TD = 0,15 мм.
Отсюда следует:
Определяем минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников:
, (8)
где n – количество прокладываемых проводников;
∆t – предельное отклонение ширины печатного проводника;
Tl – значение позиционного допуска расположения печатного проводника.
Определим минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки одного проводника:
Для прокладки двух проводников:
Для прокладки трех проводников:
Для изготовления печатной платы выбран комбинированный негативный метод. Сборочный чертеж печатной платы представлен в приложении Е. Трассировка печатной платы представлена в приложении Д.
Для комбинированного метода удельное сопротивление медной фольги будет равным 0,0175 [18]. Рассчитаем сопротивление проводника:
(9)
где ρ – удельное сопротивление медной фольги, Ом·мм2/м;
l – длина проводника, 0,059 м (измеряем самый длинный проводник на печатной плате).
Паразитные параметры платы C – емкость печатного проводника и L – индуктивность печатного проводника оказывают влияние на частотах выше 50 Гц, поэтому их расчет не производится.
2.3 Расчет надежности
Надежность – это свойство изделия сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени при заданных условиях эксплуатации [18].
Надежность рассчитывается для того, чтобы определить, сколько времени изделие будет сохранять свою работоспособность при заданных условиях эксплуатации, то есть определение гарантийного срока службы изделия.
Различают три вида расчета:
– прикидочный;
– ориентировочный;
– окончательный.
Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования, когда отработана схема, выбрана элементная база, определены все режимы работы элементов и известны условия эксплуатации. Обязательно оценивается гарантийный срок [17].
Для упрощения расчета надежности принимаются два допущения:
– в устройстве имеется основное соединение элементов;
– отказы носят случайный и независимый характер.
Расчет надежности осуществляется по формуле:
, (10)
где Кλ – поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации;
аί – поправочный коэффициент, учитывающий режим работы элементов и температура внутри блока;
λοί – интенсивность отказа элементов, работающих в номинальном режиме при нормальных условиях эксплуатации;
nί – количество однотипных элементов, работающих в одинаковом режиме при одинаковой температуре внутри блока.
Исходные данные для расчета интенсивности отказов занесены в
таблицу 9.
Так как устройство разработано, в основном, для использования в быту в стационарных условиях, то поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации будет равен Кλ = 2,7.
Таблица 9
С учетом этого интенсивность отказов будет равна:
Среднее время наработки до первого отказа определяется по формуле:
(11)
Таким образом, среднее время наработки до первого отказа равно:
Для построения графика зависимости вероятности безотказной работы от времени рассчитывается значение вероятности безотказной работы по формуле:
. (12)
При λу меньше 0,1 вероятность безотказной работы с достаточной степенью точности может быть рассчитана по формуле:
. (13)
Результаты расчетов занесены в таблицу 12.
Таблица 12
Зависимость вероятности безотказной работы представлена на рисунке 11, где по оси ординат берется линейный масштаб, а по оси абсцисс – логарифмический.
Рисунок 11
Гарантийный срок службы определяется на уровне 0,7. При этом произведение:
Таким образом, гарантийный срок службы будет равен:
Исходя из круглосуточной работы миниатюрного вольтметра постоянного напряжения и 365 дней в году, гарантийный срок службы устройства будет равен:
Гарантийный срок службы 1 год 10 месяцев.
В проектируемой схеме самый ненадёжный в работе элемент - это индикатор TOT3361 интенсивность отказов которых составляет 5,4 ∙ 10-6 1/ч., согласно справочникам.
Предпосылки для создания высококачественных надежных приборов и устройств, выпускаемых с минимальными производственными затратами, определяются в первую очередь технологией. Для достижения наибольшей эффективности технологического процесса необходимо учитывать требования технологии уже на стадии проектирования. Это означает не только выявление трудно реализуемых требований, но и поиск путей для их выполнения и создания основ автоматизации производства. Информационная, особенно электронно-вычислительная», техника ставит перед технологией изготовления радиоэлектронной аппаратуры наиболее сложные задачи. Для решения этих задач необходима электронная аппаратура со специальными свойствами. Это предопределяет в первую очередь: использование в аппаратуре большого количества электрорадиоэлементов; высокую плотность размещения на печатной плате; высокий уровень надежности (до 104 ч безотказной работы); использование высоких частот следования импульсов (до 10 МГц); эксплуатацию с учетом возникающих помех. Выбор оптимального технологического процесса затруднен многообразием применяемых материалов и соотношением отдельных технологических операций. Процесс изготовления радиоэлектронной аппаратуры может быть представлен либо в виде последовательности всех операций, либо в виде взаимосвязи основных технологических операций.
2.4 Описание конструкции
Устройство имеет корпус размерами 47 мм и 28 мм. Размеры платы – 40 мм на 25 мм. Внутри в корпусе имеются 4 отверстия для крепежа платы. В качестве материала использован АБС-пластик огнестойкой категории UL-94HB черного цвета, пригодный к использованию в температурном диапазоне от минус 20 до плюс 60 градусов Цельсия. Для крепления используются винты M2,8х10.
Детали миниатюрного вольтметра постоянного напряжения смонтированы на печатной плате из стеклотекстолита СФГ2-35-1,5.
Все детали кроме семисегментного индикатора HG1 смонтированы на стороне компонентов, а индикатор на стороне печатных проводников.
Плата рассчитана на установку резисторов и конденсаторов для поверхностного монтажа типоразмера 0805 1206 и 2010. Транзистор VT1 - в корпусе SOT-23.
На плате предусмотрены контактные площадки для установки микроконтроллера DD1 в корпусе SOIC8. Разъем XP1 - вилка угловая закрытая тип A серии CWF.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Курсовой проект выполнен в полном объеме в соответствии с техническим заданием. Доказана актуальность разработки миниатюрного вольтметра постоянного напряжения.
В результате выполнения патентного поиска за базовое изделие принята авторская разработка Шехмаметьева Рахима Гереевича (RU) номер 2350972 от 10.10.2007 «Измерительное устройство».
Подробно рассмотрен принцип работы миниатюрного вольтметра постоянного напряжения, выбрана элементная база, в которой имеется большое количество планарных элементов. Это позволило уменьшить размеры платы печатной, которые составили 40 на 25 мм. Рассчитан коэффициент заполнения. Он равен 0,5. Коэффициент получился невысоким исходя из конструктивных соображений. При расчете надежности рассчитана гарантия, которая составила 1 год 10 месяцев и срок эксплуатации.
Для удобства использования миниатюрного вольтметра постоянного напряжения подробно описано конструктивное исполнение, где рассказано о месторасположении элементов настройки вольтметра постоянного напряжения. Подробно представлена технология изготовления миниатюрного вольтметра постоянного напряжения, а также выбрано оборудование для изготовления устройства в заводских условиях.
Графическая часть выполнена с использованием ЭВМ и системе САПР
P-CAD и Altium Designer.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Module 11 - Б11 / Измерение переменных напряжений и токов. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://second.udec.ntu-kpi.kiev.ua/lspace/omit_demo/ schedule.nsf/D862E82EAFB758368525663C004F385C/8B4B35A17066092AC2256A550026CFA0?OpenDocument
2 Цифровой вольтметр. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00053666_0.html
3 Патенты России. – Электрон. дан. – Режим доступа: www.ru-patent.info
4 Измерительное устройство. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/images/patents/115/2350972/patent-2350972.pdf
5 Устройство формирования напряжения питания для выходных каскадов ответственных сигналов. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/images/patents/120/2345923/patent-2345923.pdf
6 Электронный датчик тока и напряжения на высоком потенциале. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/images/img_patents/2/2525/ 2525581/patent-2525581.pdf
7 Конденсаторы керамические К10-17. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.rtkt.ru/files/k10-17.pdf
8 Танталовые чип конденсаторы для поверхностного монтажа. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://static.chipdip.ru/lib/074/DOC000074919.pdf
9 Р1-8В Чип-резисторы постоянные непроволочные. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.erkon-nn.ru/upload/iblock/9a1/ r1_8v_ozh0.467. 164new_vp _ datasheet_ru.pdf
10 International Rectifier. Provisional IRLML5203. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlml5203.pdf
11 Техническая документация. DS1069. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://static.chipdip.ru/lib/413/DOC001413777.pdf
12 ATtiny13. Preliminary. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://static.chipdip.ru/lib/059/DOC000059583.pdf
13 Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения: справочник // Б.Ф. Бессарабов, В.Д. Федюк, Д.В. Федюк. – издание 1. – Воронеж: «Воронеж», 1994. – 720 с.
14 ИС стандартной логики К561, К176. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://tec.org.ru/board/k176id2/149-1-0-3691
15 Datasheet TOT-3361AG-B. Three Digit Display LED. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.oasistek.com/pdf/TOT-3361AG-B.pdf
16 ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции. – М.: Стандартинформ: Изд-во стандартов, 2012. – 8 с.
17 Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры / Г.Д. Фрумкин. – М.: Высшая школа, 1977. – 238 с.
18 Белянин Л.Н. Конструирование печатного узла и печатной платы. Расчет надежности: Учебно-методическое пособие. / Л.Н. Белянин. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 77 с.
19 Пирогова Е.В. Проектирование и технология изготовления печатных плат / Е.В. Пирогова. – М.: Форум: инфра-М, 2005. - 560 с