Система дистанційного контролю та обліку газу з розробкою радіоканалу

Рисунок 5.10 - Зображення несиметричного вертикального вібратора.

Штирова антена - антена у вигляді несиметричного вібратора, виконаного із твердого металевого стрижня (суцільного або складається з декількох ланок, що зчленовуються) або з великої кількості металевих котушок, нанизаних на гнучкий сталевий трос (т.зв. антена Куликова). Рідше застосовуються із профільованої металевої стрічки, дротових джгутів або металізованих діелектричних стрижнів.

Діаграма спрямованості випромінювання (прийому) у горизонтальній площині має форму кола (рис. 5.10), тому така антена особливо зручна при зв'язку між наземними об'єктами із взаємним

розташуванням, що змінюється в часі (наприклад між пересувними радіостанціями) та для прийому сигналів від радіосистем, котрі оточують її з різних боків.

Рисунок 5.11 - Потік потужності, що випромінюється несиметричним штировим вібратором.

На практиці можливо досягти ККД таких антен до 47 % .

Все вище сказане було справедливо для ідеального несиметричного вібратора, тобто коли земля являє собою ідеальний провідник. Якщо ж земля має погані провідні властивості, або ці властивості не постійні, тобто залежать від погоди, пори року та інших факторів, то характер розподілу струму на поверхні міняється, у результаті чого міняється й поле випромінювання вібратора (ДС).

Низька провідність ґрунту приводить до зменшення амплітуди струму у вібраторі а, отже, до підвищення його опору й зменшенню випромінюваної потужності. Крім того, поверхня, що володіє поганою провідністю, є звичайно діелектриком з великою діелектричною проникністю (її максимальне значення може досягати 80), що приводить до зміни електричної довжини мнимого диполя, а також до перекручування довжини шляхом струму зсуву, у результаті чого відбувається повне перекручування діаграми спрямованості (підняття пелюсток вгору й зменшення випромінювання під малими кутами до обрію) і, звичайно, збільшення комплексного опору штиря в основному за рахунок збільшення реактивної складової опору. Із цієї причини практично не використають ґрунт у якості “землі”, а користуються так названо “штучну землю” (рис. 5.11).

Узгодження несиметричного вібратора з вхідним опором приймача.

Для успішної роботи штирова антена повинна бути погоджена з лінією живлення (фідерним трактом) та вхідним опором приймального пристрою й настроєна в резонанс із випромінюваним (приймальним) сигналом.

Величину опору класичного несиметричного вібратора довжиною л/4 можливо обрахувати за наступною формулою:

, (5.7)

де

l_еф =0.64•l- ефективна висота чверть хвильового вібратора;

l= л/4 - геометрична висота чверть хвильового вібратора.

Для наших параметрів:

l_еф=0,64•0.125/4=0,02 м.

Підставивши дане значення у формулу (5.7) маємо:

R_сум.вх=1600•(0,02/0,125) 2=41 Ом.

Як видно дане значення опру приймальної антени не відповідає вхідному опору приймача. Як відомо з теорії, опір несиметричного вібратора залежить від його геометричних розмірів, а саме від параметра l.

Підставлю у формулу (5.7) l_еф та прирівняю її до значення вхідного опору приймача:

Розв'язавши дане рівняння відносно l отримаю, що R_сум.вх=50 Ом, при l=0,35 м.

На практиці ККД таких антен становить до 47% та коефіцієнт підсилення G=1,5 раз.

6. РОЗРОБКА ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ

6.1 Вибір приймально-передавального пристрою

Одним із головних елементів в системі дистанційного контролю та обліку природного газу є приймально-передавальний пристрій. За його допомогою здійснюється зв'язок між споживачами газу та службою, що займається його обліком та виставленням рахунків користувачам.

Вимоги до приймально-передавального пристрою (згідно з вихідних даних отриманих при енергетичному розрахунку радіоканалу):

- Вихідна потужність - від 0,01 Вт до 1Вт;

- Наявність цифрового входу та цифрового виходу;

- Прийом та передача даних повинна здійснюватися на частоті котра не потребує придбання ліцензії;

- чутливість радіоприймача - не гірше 10^-10 Вт;

- низька ціна.

Найбільш оптимальним приймально-передавальним пристроєм котрий повністю відповідає поставленим вимогам є однокристальний прийомопередавач NRF2401 фірми NORDIC.

Загальний опис

Однокристальний прийомопередавач NRF2401 розрахований на загальне використання в широко використовуваному діапазоні 2,4 ГГц. Даний діапазон частот (2,400-2,405 ГГц) є аматорським згідно з регламентом аматорського зв'язку України.

Даний прийомопередавач складається з повністю закінченого інтегрованого синтезатора частоти, підсилювача потужності, кварцового генератора, модулятора та демодулятора.

Особливості приймально-передавального пристрою nRF2401:

- розміщений в невеликому QFN24 корпусі;

- швидкість передачі даних до 1 Mb;

- наявність режиму низького енергоспоживання (режим ShockBurs);

- контроль даних циклічним збитковим кодом;

- широко використовується у різних галузях.

Варіанти застосування nRF2401:

- бездротовий зв'язок;

- системи охорони;

- домашня автоматика;

- автомобільна сигналізація;

- телеметрія;

- промислові датчики;

- спортивне обладнання;

- системи дистанційного керування;

- системи дистанційного контролю та ін.

Основні електричні характеристики.

Таблиця 6.1 - Основні характеристики nRF2401.

№ п/п	Параметр	Значення	Одиниці вимірювання
1	Мінімальна напруга живлення	1,9	В
2	Максимальна напруга живлення	3,6	В
3	Максимальна напруга живлення підсилювача вихідної потужності.	6,8	В
4	Максимальна потужність передавача	до 1	Вт
5	Мінімальна потужність передавача	-	мВт
6	Максимальна швидкість передачі даних	1000	Kb/s
7	Температурний діапазон	-40+85
8	Чутливість приймача	10-12	Вт
9	Струм споживання в режимі енергозбереження	400	нА
10	Девіація несучої частоти	±156	кГц
11	Ширина смуги пропускання каналу	1	МГц
Цифрові входи (при VDD=3B, VSS=0D)
12	Високий рівень напруги	0,3-3	В
13	Низький рівень напруги	0-0,3	В
Цифрові виходи (при VDD=3B, VSS=0D)
14	Високий рівень напруги	0,3-3	В
15	Низький рівень напруги	0-0,3	В

Розміщення виводів мікросхеми

Рисунок 6.1 - Розміщення виводів мікросхеми nRF2401 (вигляд зверху) для корпуса QFN24.

Функціональне призначення виводів мікросхеми nRF2401 приведено у таблиці 6.2.

Таблиця 6.2 - Функціональне призначення виводів мікросхеми.

№ контакту	Позначення	Призначення	Описання
1	CE	Цифровий вхід	Дозвіл на прийом передачу
2	DR2	Цифровий вихід	Детектор даних прийому (RX) канала 2 (тільки в режимі ShockBurs)
3	CLK2	Цифровий вх/вих	Вихід частоти синхронізації вхід для даних прийому (RX) канала 2
4	DOUT2	Цифровий вихід	Дані прийому (RX) канала 2
5	CS	Цифровий вхід	Вибір режиму конфігурації
6	DR1	Цифровий вихід	Детектор даних прийому (RX) по каналу 1 (тільки в режимі ShockBurs )
7	CLK1	Цифровий вх/вих	Вхід синхронізації (ТХ) і вх/вих. для даних прийому (RX) канала 1 по 3 проводному інтерфейсу.
8	DATA	Цифровий вх/вих	Дані прийому (RX) канала 1/вхід даних передачі (ТХ)/3 дротовий інтерфейс.
9	DVDD	Потужний вихід	Для підключення фільтру живлення цифрової частини.
10	VSS	Живлення	Загальний 0В
11	XC1	Аналоговий вихід	Вивід підключення кварцу
12	XC2	Аналоговий вхід	Вивід підключення кварцу
13	VDD_PA	Вихід живлення	Напруга живлення підсилювача вихідної потужності до +6,8В
14	ANT1	ВЧ вхід	Вивід підключення антени
15	ANT2	ВЧ вхід	Вивід підключення антени
16	VSS_PA	Живлення	Загальний 0В
17	VDD	Живлення	Напруга живлення +3В
18	VSS	Живлення	Загальний 0В
19	IREF	Аналоговий вхід	Опорний струм
20	VSS	Живлення	Загальний 0В
21	VDD	Живлення	Напруга живлення +3В
22	VSS	Живлення	Загальний 0В
23	PER_UP	Цифровий вхід	Управління виходом з режиму енергозбереження
24	VDD	Живлення	Напруга живлення +3В

Блок схема приймально-передавального пристрою



Рисунок 6.2 - Блок схема мікросхеми nRF2401

ShockBurs - технологія котра використовує чіп FIFO. Дана технологія дозволяє передавати низько швидкісні дані з більш високою швидкістю, завдяки цьому значно знижується середня енергія споживання від джерела живлення. Також дана технологія дозволяє швидкісну передачу даних на частоті 2,4 ГГц без використання дорогих мікропроцесорних систем для обробки даних. Усі перечисленні функції покладаються на інтегрований чіп FIFO.

Переваги даного методу:

- Значне зниження потужності споживання;

- Зниження затрат на систему в цілому (відсутність дорогих мікро контролерів для обробки сигналів).

Процес передачі даних nRF2401 в режимі ShockBurs:

Виводи мікросхеми, що використовуються мікропроцесорною системою (МПС): СЕ, CLK1, DATA.

- Коли МПС має дані передачі СЕ встановлюється в високий рівень, чим активізується внутрішня обробка даних в мікросхемі nRF2401;

- Дані поступають в пам'ять мікросхеми де проходить необхідна обробка для забезпечення швидкості передачі 1МБіт/с.

- МПС встановлення СЕ в низький рівень, що призводить до активізації передачі в режимі ShockBurs:

- передавач nRF2401 включений,

- формування пакету для передачі (преамбула, адреса, дані, CRC),

- передача даних з високою швидкістю,

- по завершенні передачі перехід до режиму енергозбереження (режим сну).

Алгоритм передачі даних для мікросхеми nRF2401 можливо зобразити наступним чином (дод. А).

Процес прийому даних nRF2401 в режимі ShockBurs:

Виводи мікросхеми, що використовуються мікропроцесорною системою (МПС): СЕ, DR1, DATA, CLK1.

- При використанні режиму ShockBurs проводиться автоматична перевірка адреса та розміру даних у ВЧ тракті;

- Приймач активізується при наявності високого рівня напруги на СЕ;

- При наявності вхідного сигналу на вході приймача nRF2401 провіряється адреса і CRC;

- Якщо адреса та CRC вірні то автоматично видаляються біти преамбули, адреси иа CRC;

- Вихід DR1 встановлюється в високий рівень, що сигналізує для МПС про готові вихідні дана на виході DATA;

- Після завершення видачі даних DR1 встановлюється в низький рівень.

- Алгоритм прийому даних для мікросхеми nRF2401 можливо зобразити наступним чином (Дод. Б).



6.2 Розробка електричної схеми цифрового пристрою реєстрації імпульсів газового лічильника та пристрою управління прийомопередавачем

Розроблювана система дистанційного контролю та обліку споживання природного газу базується на запито-відповідному принципу роботи, та повинна працювати з лічильниками котрі мають імпульсний вихід (наприклад лічильники київського заводу Арсенал G02,G04).

При необхідності зняття показників з відповідного лічильника газу оператор даної служби (що знаходиться на робочому місці оснащеному ПК з відповідним програмним забезпеченням) вибирає присвоєний номер даному лічильнику та відсилає його в радіоканал.

Приймально-передавальні пристрої, що встановлені з боку споживачів природного газу, приймають даний номер в коді та передають в МПС де проводиться порівняння з запрограмованим номером. При співпадінні даних кодів МПС видає на вхід передавача підраховану кількість імпульсів переданих газовим лічильником. Дана кількість імпульсів відповідає кількості кубічних метрів спожитого газу та передається до газової служби для занесення в базу даних та виставлення рахунків користувачам.

Функції, що покладаються на пристрій реєстрації імпульсів та управління прийомопередавачем:

- Підрахування кількості імпульсів, що надходять від газового лічильника та збереження відповідного значення в енергонезалежній пам'яті;

- Видача кількості імпульсів на вхід передавача при запиті;

- Управління приймально-передавальним пристроєм.

Усі вище перечисленні функції можливо реалізувати використовуючи програмований мікроконтролер.

Вибір мікроконтролера.

Для управління приймально-передавальним пристроєм та отриманням від нього або передачею йому певних даних необхідно як мінімум 5 портів ввода/вивода МПС. Також один порт буде підключатися до імпульсного виходу лічильника газу для підрахунку кількості Імпульсів ( 1 імпульс = 1 м³ спожитого газу).

Ще однією вимогою до МПС є низький рівень споживання (можливість певний час працювати від акумуляторного джерела живлення при нестачі світла), також даний мікроконтролер повинен бути вигідний з економічної точки зору (мати низьку вартість).

Вітчизняні мікропроцесорні комплекти не відрізняються великою надійністю, а також для їх використання необхідна додаткова велика кількість мікросхем, без яких організувати їх роботу неможливо, тому вони в даному випадку не підходять. Такі компанії як Intel та AMD випускають теж велику кількість мікропроцесорів та спеціалізованих контролерів, але використовувати їх для потреб такого пристрою є недоцільно, через їх високу вартість. Тому розглянемо фірми Motorola та Atmel, які в даному випадку залишились.

У Motorola МС68НС912В32 мікроконтролер з максимальною тактовою частотою 20 МГц, чотирма 8-бітовими портами вводу/виводу, або двома 16- бітовими, 32 кБайти оперативної пам'яті, 4 16-розрядних регістри, або вісім 8- розрядних. В даному випадку він влаштовує повністю по швидкодії, розрядності даних.

У Atmel для розгляду візьмемо AT90S2313, ATMega8, АТіпу2313 які набагато дешевші за МС68НС912В32.

Ці мікроконтролери 8-розрядні. По можливостям приблизно схожі з мікроконтролером виробництва фірми Моторола, але з меншим об'ємом пам'яті. При цьому у обох мікроконтролерів по 32 робочих регістри. Таким чином після розгляду цих варіантів можна сказати, що у нашому випадку найкращим варіантом буде АТіпу2313, оскільки він, дешевший і в нашому випадку повністю задовольняє по функціональності.

Мікросхема АТіпу2313 являє собою восьмирозрядний мікроконтролер із внутрішньою програмувальною Flash-пам'яттю розміром 2 Кбайти.

Загальні відомості:

- використовує AVR RISC архітектуру (AVR - це висока швидкодія й спеціальна RISC-архітектура з низьким споживанням);

- 120 команд, більшість із яких виконується за один машинний цикл;

- 32 восьмирозрядних регістра загального призначення;

- до 20 мільйонів операцій у секунду (МІР8/8ес) при тактовій частоті 20 МГц.

- Збереження програм і даних при виключеному живленні:

- 2 Кбайти вбудованої програмувальної Flash-пам'яті, до 10000 циклів запису/стирання;

- 128 байт убудованої програмувальної енергонезалежної пам'яті даних (ЕЕРRОМ), до 100000 циклів запису/стирання;

- 128 байт внутрішнього ОЗУ (SRAM);

- Програмувальні біти захисту від читання й запису програмної пам'яті й ЕЕРRОМ.

Діапазон частот тактового генератора АТtiny2313:

- 0-10 МГЦ при напрузі 2,7-5,5 В;

- 0-20 МГЦ при напрузі 4,5-5,5 В.

Позначення виводів мікросхеми АТtiny2313 наведено рис. 6.3.

Рисунок 6.3 - Позначення виводів мікро контролера АТtiny2313

Призначення даних виводів наведено в табл. 6.3.



Таблиця 6.3

№ виводу	Позначення	Призначення
1,4,5	(PA2..PA0)	Порт А- трьох розрядний двонаправлений порт вводу-вивода.
12-17	(PB7..PB0)	Порт В- восьми розрядний двонаправлений порт вводу-вивода.
10	GND	Загальний провід
20	VCC	Живлення

Блок схема мікросхеми АТtiny2313 наведена в (дод.В).

Ядро AVR має великий набір команд для роботи з 32 регістрами загального призначення. Всі 32 регістра безпосередньо пов'язані з арифметико-логічним пристроєм (ALU), що дозволяє виконувати одну команду для двох різних регістрів за один такт системного генератора. Така архітектура дозволила досягти продуктивності в десять разів більшої, ніж у традиційних мікроконтролерів.

Більшість виводів мікросхеми включаються згідно рекомендації виробників, тому необхідно вибрати блокуючі елементи та розрахувати узгоджуючи транформуєче коло для з'єднання виходу передавача з антеною.

6.3 Розрахунок узгоджуючих трансформуючих кіл

Узгоджуючих трансформуючих кіл різних модифікацій, порядків та призначень досить багато. З огляду на нашу схему можна сказати, що буде достатньо найпростішого кола, оскільки сигнал порівняно вузькосмуговий, частотно-модульований і викривлень спектру чи великого рівня бічний гармонік не буде. При цьому втрати в колах першого порядку будуть мінімальні на відміну від кіл вищих порядків, тому їх і виберемо. В нашому випадку найкраще підходить резонансне коло типу П з блокуючим по постійному струму конденсатором, яке забезпечить належну фільтрацію та узгодження в діапазоні частот. [6]

Розраховуємо трансформуючий контур для узгодження з наступним каскадом.

Рисунок 6.4 - Узгоджуюче трансформуюче коло П-типу

Розрахуємо проміжне коло зв'язку між вихідним і проміжним каскадом передавача.

Розраховуємо реактивний опір елементів виходячи із вхідного та вихідного опорів, необхідного для узгодження, добротності елемента, а також розраховуємо номінал елементів. Вихідне навантаження передавача згідно документації повинно бути 15+j88 Ом. Вхідний опір антени 140 Ом.

(6.1)

(6.2)

(6.3)

(6.4)

(6.5)

(6.6)

(6.7)

приймаємо значення С₃=10 пФ, тоді

(6.8)

(6.9)

Блокуючі елементи розраховуються виходячи з вибраного опору блокування.

Приймемо для блокуючого конденсатора опір с=0,1Ом, тоді:

Найближчий номінал конденсатора 680 пФ.

Приймемо для блокуючого дроселя опір с=10 Ом, тоді:

Блокуючий конденсатор та дросель включені в колі живлення, яке живить вихідний каскад перед антеною у мікросхемі прийомо-передавача.

Тактові контури з кварцовим резонатором включені в мікросхемах згідно рекомендацій виробника. Крім того додаткові елементи (конденсатори, резистори, полярні конденсатори) номінали яких не розраховувались, вибрані згідно технічної документації на мікросхеми [7, 9].



7. Розрахунок параметрів друкованої плати

Для виготовлення друкованої плати необхідно вибрати наступні матеріали: матеріал для діелектричної основи друкованої плати, матеріал для друкованих провідників і матеріал для захисного покриття від впливу вологи.

Від якості та електричних параметрів цих матеріалів залежить правильне функціонування апаратури в цілому та безпека користувачів.

Існує велика розмаїтість фольгованих міддю шаруватих пластиків. Їх можна розділити на дві групи: на паперовій основі і на основі скловолокна.

Ці матеріали у виді твердих аркушів формуються з декількох шарів паперу або скловолокна, скріплених між собою зв'язувальною речовиною шляхом гарячого пресування. Зв'язувальною речовиною звичайно є фенольна смола для паперу або епоксидна для скловолокна. В окремих випадках можуть також застосовуватися поліефірні, силіконові смоли або фторопласт. Шаруваті пластики покриваються з однієї або обох сторін мідною фольгою стандартної товщини.

Характеристики готової друкованої плати залежать від конкретного сполучення вихідних матеріалів, а також від технології, що включає і механічну обробку плат.

У залежності від основи і просочувального матеріалу розрізняють кілька типів матеріалів для діелектричної основи друкованої плати.

Фенольний гетинакс - це паперова основа, просочена фенольною смолою. Гетинаксові плати призначені для використання в побутовій апаратурі, оскільки дуже дешеві.

Епоксидний гетинакс - це матеріал на такій же паперовій основі, але просочений епоксидною смолою.

Епоксидний текстоліт - це матеріал на основі склотканини, просочений епоксидною смолою. У цьому матеріалі сполучаться висока механічна міцність і гарні електричні властивості.

Міцність на вигин і ударну в'язкість друкованої плати повинні бути досить високими, щоб плата без ушкоджень могла бути навантажена встановленими на ній елементами з великою масою.

Як правило, шаруваті пластики на фенольному, а також епоксидному гетинаксі не використовуються в платах з металізованими отворами. У таких платах на стінки отворів наноситься тонкий шар міді. Тому що температурний коефіцієнт розширення міді в 6-12 разів менше, ніж у фенольного гетинаксу, мається визначений ризик утворення тріщин у металізованому шарі на стінках отворів при термоударі, якому піддається друкована плата в машині для групової пайки.

Тріщина в металізованому шарі на стінках отворів різко знижує надійність з'єднання. У випадку застосування епоксидного текстоліту відношення температурних коефіцієнтів розширення приблизно дорівнює трьом, і ризик утворення тріщин в отворах досить малий.

З зіставлення характеристик основ випливає, що у всіх випадках (за винятком вартості) основи з епоксидного текстоліту перевершують основи з гетинаксу.

Друковані плати з епоксидного текстоліту характеризуються меншою деформацією, ніж друковані плати з фенольного і епоксидного гетинаксу; останні мають ступінь деформації в десять разів більше, ніж склотекстоліт.

Деякі характеристики різних типів шаруватих пластиків представлені в таблиці 7.1.

Порівнюючи ці характеристики, робимо висновок, що для виготовлення друкованої плати варто застосовувати тільки епоксидний склотекстоліт.

Як фольгу, використовувану для фольгування діелектричної основи можна використовувати мідну, алюмінієву або нікелеву фольгу. Однак, алюмінієва фольга гірша мідної через погані характеристики паяємості, а нікелева - через високу вартість. Тому як фольгу обираємо мідь.



Таблиця 7.1 - Характеристики матеріалів для виготовлення основи друкованої плати.

Тип	Максимальна робоча температура, 0C	Час пайки при 2600С, сек.	Опір ізоляції, МОм	Об'ємний опір, МОм	Діелектрична проникність,
Фенольний гетинакс	110-120	5	1 000	1·104	5,3
Епоксидний гетинакс	110-120	10	1 000	1·105	4,8
Епоксидний склотекстоліт	130-150	20	10 000	1·106	5,4

Мідна фольга випускається різної товщини. Стандартні товщини фольги найбільш широкого застосування - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Під час травлення міді по товщині травник впливає також на мідну фольгу з боку бічних крайок під фоторезистом, викликаючи так називане підтравлювання. Щоб його зменшити звичайно застосовують більш тонку мідну фольгу товщиною 35 і 17,5 мкм. Тому вибираємо мідну фольгу товщиною 35 мкм.

Виходячи з усіх перерахованих вище порівнянь для виготовлення двосторонньої друкованої плати позитивним комбінованим способом вибираємо фольгований склотекстоліт СФ-2-35-1,5.

Основними параметрами електроізоляційних матеріалів є

1. Абсолютна діелектрична проникність -- величина, що характеризує властивості діелектрика поляризуватися в електричному полі.

2. Відносна діелектрична проникність -- відношення абсолютної діелектричної проникності до електричної постійної (8,854·10^-12 Ф/м).

3. Тангенс кута діелектричних втрат tgд характеризує питому втрату енергії в діелектрику, що знаходиться в електричному полі, і рівний відношенню густин змінного струму провідності і струму зміщення. Чим більший tgд, тим більше нагрівається діелектрик в електричному полі заданої частоти та напруженості.

4. Електрична міцність діелектрика -- мінімальна напруженість однорідного електричного поля, що призводить до пробою діелектрика.

5. Електропровідність діелектрика характеризується питомим об'ємним с та питомим поверхневим с_S опором. Питомий об'ємний опір -- величина, що рівна відношенню модуля напруженості електричного поля до модуля густини струму. Значення с діелектриків знаходиться в межах від 10⁶ Ом·м (для дерева, асбоцементу) до 10¹⁶ Ом·м (для фторопласта, полістірола, кварцу та інших).

6. Нагрівостійкість -- здатність діелектрика витримувати дію підвищеної температури з часом, що порівнюється з часом нормальної експлуатації, без неприпустимого погіршення його властивостей. Електроізоляційні матеріали розділяються на класи нагрівостійкості.

Таблиця 7.2 - Класи матеріалів по нагрівостійкості.

Клас нагрівостійкості	Y	A	E	B	F	H	C
Максимальна робоча температура, єС	90	105	120	130	155	180	>180

Від листового електроізоляційного матеріалу не вимагається особливих характеристик. Тому при виготовленні друкованої плати листовий електроізоляційний матеріал вибирається з умови найбільш дешевого. Такими можуть бути гетинакс марок І, ІІ, Х та склотекстоліт марки Б.

Для компонування блоків радіоапаратури необхідно мати принципову схему пристрою, а також габаритно-установочні розміри деталей, вузлів і приладів.

Аналітичне компонування роблять на початкових етапах проектування апаратури з метою одержання узагальнених характеристик, на підставі яких складається перше уявлення про деякі конструктивні параметри.

Всі елементи електричної принципової схеми розміщуються на одній платі, яка з допомогою вхідного роз'єма з'єднуються з елементом живлення.

Розміри плати визначаються виходячи з установчих розмірів елементів, що закріплюються на платі, та заданого коефіцієнту заповнення. Тип кількість та розміри елементів що закріплюються на платі зведено у таблицю 7.3.

Таблиця 7.3

Позначення	Елемент схеми	Кількість, шт.	Установча площа мм2	Загальна установча площа мм2
Мікросхеми
D1	MAX3226E	1	196	196
D2	nRF2401	1	10	10
D3	ATiny 2313	1	126	126
Резистори
R1,R2	RES-0603	2	12	24
Конденсатори
С9,С10,С6,С7,С12,С13	NPO	6	13	78
С1 -С5	ESMRD	5	64	320
С8,С11,С14	X7R	3	36	108
Кварцові резонатори
ZQ1, ZQ2	-	2	15	30
Дроселі
L1, L2	B82496	2	16	32
L3	LQG15H	1	2,56	2,6
Роз'єми
PLS-3R		1	19,36	19,4
DB-9M		1	385	385
Всього				1435

Відповідно загальна площа . Звідси загальна площа плати з урахуванням заданого коефіцієнта заповнення становить:

. (7.1)

Отже, розміри плати 8040 мм повністю забезпечують необхідну площу плати, оскільки в цьому випадку вона буде становити 3200 мм².

Плата абонентської частини розраховується аналогічно.

Загальна площа . Звідси загальна площа плати з урахуванням заданого коефіцієнта заповнення становить:

.

Отже, розміри плати 5025 мм повністю забезпечують необхідну площу плати, оскільки в цьому випадку вона буде становити 1250 мм².

Плата виготовляється з фольгованого текстоліту марки СФ з товщиною фольги і відповідає другому класу точності. Відповідно допустима густина струму в провідниках плати , питомий опір провідників плати .

Максимальний постійний струм буде протікати у провідниках шини живлення 3,6 В. Цей струм можна знайти як:

. (7.2)

Визначаємо мінімальну ширину печатного провідника по постійному струму для кіл живлення та заземлення:

. (7.3)

Визначаємо мінімальну ширину провідника виходячи з допустимого падіння напруги на заданій довжині провідника. В якості заданого значення довжини провідника оберемо максимальний розмір плати . Допустиме значення падіння напруги не повинне перевищувати 5% від напруги живлення мікросхем, що в нашому випадку (напруга живлення 3,6В) становить . Відповідно мінімальна ширина провідника:

. (7.4)

Оскільки в подальших розрахунках будемо використовувати значення .

Визначимо номінальне значення діаметрів монтажних отворів. Максимальний діаметр виводу встановленого елементу . Відповідно до другого класу точності допуск на отвір з металізацією при його діаметрі до 1 мм становить . Різницю між мінімальним діаметром отвору та максимальним діаметром виводу елементу обираємо рівною . Тоді номінальне значення монтажних отворів:

. (7.5)

Знайдене значення зводимо до стандартного ряду значень (0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5; 1,9; 2,3 мм): .

Визначаємо мінімальний ефективний діаметр площадки. Для 2-го класу точності відстань від краю просвердленого отвору до краю контактної площадки , допуск на розташування отворів при розмірі плати не більше 180 мм , допуск на розташування контактних площадок при розмірі плати не більше 180 мм , допуск на отвір без металізації при його діаметрі менше . Максимальний діаметр просвердленого отвору:

. (7.6)



Відповідно мінімальний ефективний діаметр площадки

. (7.7)

Мінімальний діаметр контактних площадок при хімічному виготовленні плати:

. (7.8)

Максимальний діаметр контактних площадок:

. (7.9)

Приймемо . Визначаємо ширину провідників. Для плат 2-го класу точності мінімальна ефективна ширина провідників (якщо не потрібна більша) вибирається рівною . За нашими умовами () це прийнятне значення. Мінімальна ширина провідників при хімічному способі виготовлення плати:

. (7.10)

Максимальна ширина провідників

. (7.11)

Визначаємо відстань між елементами провідного малюнка плати. Для плати 2-го класу точності допуск на розташування провідників . Відстань між центрами сусідніх виводів елементів в колі живлення . Відповідно мінімальна відстань між провідником та контактною площадкою:

.(7.12)

Мінімальна відстань між двома контактними площадками

. 7.13)

Мінімальна відстань між двома провідниками

. (7.14)

Для розрахунку частоти механічного резонансу плати необхідно визначити її масу з елементами. Середня густина матеріалу СФ з печатною схемою , модуль пружності , а коефіцієнт Пуассона . Товщина плати , а розміри .

Для другої плати використаємо ту саму методику.

Таблиця 7.4

Позначення	Елемент схеми	Кількість, шт.	Маса, г	Загальна маса, г
Мікросхеми
D1	MAX3226E	1	4	4
D2	nRF2401	1	1,4	1,4
D3	ATiny 2313	1	4	4
Резистори
R1,R2	RES-0603	2	0,5	1
Конденсатори
С9,С10,С6,С7,С12,С13	NPO	6	0,8	4,8
С1 -С5	ESMRD	5	1,2	6
С8,С11,С14	X7R	3	0,9	2,7
Кварцові резонатори
ZQ1, ZQ2	-	2	1,2	2,4
Дроселі
L1, L2	B82496	2	1,3	2,6
L3	LQG15H	1	0,5	0,5
Роз'єми
PLS-3R		1	2	2
DB-9M		1	10	10
Всього				41,4

Отже, загальна маса плати

Циліндрична жорсткість плати:

. (5.15)

Резонансна частота плати закріпленої на чотирьох кутах становить:

. (5.16)

Розводка плати виконана у програмі Sprint-Layout 5.0. При цьому було використано автоматичне компонування з оптимізацією мінімальній кількості переходів. Розмір доріжок задавався автоматично, крім окремо створеного правила для повідників живлення. Вигляд друкованої плати наведений на рис 1 і рис 2.



Рисунок 1 - Вигляд плати зі сторони провідників

Рисунок 2 - Вигляд плати зі сторони компонентів.



ДОДАТОК А

Алгоритми передачі і прийому даних для мікросхеми nRF2401

Рисунок А.1 - Алгоритми передачі даних для мікросхеми nRF2401



Рисунок А.2 - Алгоритми прийому даних для мікросхеми nRF2401



ДОДАТОК Б

Блок схема мікроконтролера АТtiny2313



ДОДАТОК В

Алгоритм роботи мікроконтролера ATtiny2313



СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Однорог П. М., Михайленко Є. В., Котенко М. О., Омецінська О. Б. під редакцією Катка В. Б., “EZERNET”, Київ 2006р. - 17с.

2. Матеріали сайту http://www.CIP.ru

3. Матеріали сайту http://www.apgreyd.ru

4. «Системы связи и радиорелейные линии» под ред. Н.И.Калашникова. - М., «Связь», 1977г.

5. «Радиорелейные и спутниковые системы передачи» под ред. Немировского. - М. .`Радио и связь, 1986г.

6. «Антенны и усторойства СВЧ » Н.Т.Бова, Г.Б. Резников, Москва, 32с.

7. Матеріали сайту http://www.nordic.ru

8. Матеріали сайту http://www.Arsenal.ua

9. “Микропроцессоры АУЛ. в радиолюбительской практике”, А. В. Белов, Москва 2006., - 12с.

10. Матеріали сайту http://www.rscom.ru

11. Ротхаммель К. Антенны.: Пер. с нем. - 3-е изд., доп. - М.: Энергия, 1979. -320 с.

Размещено на Allbest.ru