Радиоэлектронное устройство "Сигнализация садово-огородного участка"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

Цель данной конструкторской разработки состоит в проектировании электронного устройства, позволяющего учесть несанкционированное проникновение на садово-огородный участок грабителей, а также в том, чтобы научиться использовать нормативно-конструкторскую документацию при разработке изделия и ознакомиться с порядком построения, изложения и оформления конструкторской документации.

В проектируемом устройстве информацию о состоянии устройства будут отображать восемь светодиодов, в качестве датчиков проникновения используются «растяжки» из тонкой медной проволоки и герконовые датчики. В устройстве будут использоваться серия микросхем, выполненная на КМОП - технологии (например, К176, К561), что позволит обеспечить вполне приемлемую длительность непрерывной работы сигнализации от источника автономного питания устройства (например, любая 9-вольтовая батарея гальванического элемента либо аккумуляторная батарея напряжением 7,5…12В).

Также в проектируемом устройстве будет возможность организации коллективной охраны - у устройства имеется выход, к которому можно подключить охранный шлейф другого устройства.

1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Постановка задачи

Проектируемое устройство предназначено для охраны огородного участка, т.е. непосредственно для охраны грядок и теплиц. В дальнейшем по тексту устройство будет называться «Сигнализация садово-огородного участка».

Разрабатываемое изделие должно решать следующие задачи:

- должно иметь четыре независимых канала для контроля за тремя охранными шлейфами и наличием сетевого напряжения 220 В.;

- иметь возможность организации коллективной охраны - у устройства имеется выход, к которому можно подключить охранный шлейф другого устройства (центрального пульта или аналогичного устройства);

- длительность подачи звукового сигнала тревоги ограничена на случай отсутствия хозяина;

- иметь возможность подключения внешних устройств - оповещения (сирены с током потребления до 0,3 А) и резервного питания;

- иметь малые габариты и малый ток потребления.

1.2 Технические и конструктивные требования

Разрабатываемое устройство сигнализация садово-огородного участка должно обладать следующими техническими характеристиками:

Напряжение питания (от батарей питания), В + 9;

Отклонение от номинального напряжения, % ± 10;

Ток потребления от батареи питания не более, мА 15;

Количество охранных шлейфов 3;

Работоспособность от резервного источника питания, час 48.

Проектируемое устройство должно удовлетворять следующим условиям эксплуатации и транспортирования (ГОСТ 16019 - 78):

Температура окружающей среды, от нуля до +70;

Влажность окружающей среды, % не выше 80;

Воздействие линейных ускорений, м? с² до 20;

Воздействия вибрации и ударов не допускается;

Объект размещения стационарная;

Условия транспортировки всеми видами транспорта.

Применяемые радиоэлектронные элементы должны быть отечественного производства и предназначены для общего применения, а также должны удовлетворять условиям ремонтопригодности и взаимозаменяемости.

1) Сигнализация должна удовлетворять следующим требованиям надежности:

Среднее время безотказной работы, ч не менее 30000;

Интенсивность отказов, ч^-1 25Ч10^-6;

Гарантийный срок эксплуатации, лет 1.

Проектируемое устройство должно удовлетворять следующим конструктивным требованиям:

Число марок применяемых материалов не более 6;

Коэффициент применяемости не менее 0,8;

Коэффициент унификации 0,9.

Органы управления и индикации необходимо вывести на лицевую панель. размеры блока определяются конструктивно.

2) Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

1) сигнализация садово-огородного участка, спецификация - А4;

2) сигнализация садово-огородного участка, схема электрическая принципиальная - А2;

3) сигнализация садово-огородного участка - А2;

4) перечень элементов схемы электрической принципиальной - А4;

5) плата, сборочный чертеж - А2;

6) плата - А4;

7) плата чертеж - А1;

8) таблица соединений - А4.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

2.1 Сравнительный анализ аналогов

радиоэлектронный тепловой сигнализация электромагнитный

Существует широкий спектр устройств охранной сигнализации, которые применяются для охраны помещений, автотранспорта, противопожарные сигнализации и многие другие.

Аналог рассматриваемого устройства приведен в [1]. Генератор тактовых импульсов, необходимый для работы счетчика и мультиплексора, собран на двух элементах «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». При замкнутой линии блокировки (ЛБ) напряжение на входе мультиплексора не должно превышать напряжения логического нуля. Если сопротивление ЛБ порядка 1кОм, сопротивление верхнего плеча делителя должно быть не менее 10кОм. Однако недостатком оказалось то, что увеличение сопротивления верхних плеч приводит к неустойчивой работе мультиплексора. При подаче сигнала с какой-либо ЛБ сканирование остальных ЛБ прекращается, для возобновления режима охраны на остальных линиях блокировки необходимо отключить разорванную датчиком ЛБ, что ухудшает наблюдение за объектами охраны. После отключения неисправной ЛБ сигналы тревоги продолжают звучать, а светодиод мигает.

Второй аналог предлагает передачу сигнала тревоги по радиоканалу [2]. Недостатком является настройка передатчика на нужную частоту для передачи сигнала на радиостанцию. Если предполагается использовать передатчик в регионах с холодным климатом, нужно чтобы источник питания сохранял работоспособность и при низких температурах.

Разрабатываемое устройство охраны садово-огородного участка имеет четыре независимых канала для контроля за тремя охранными шлейфами и наличием сетевого напряжения 220В. Обрыв по каждому каналу фиксируется вне зависимости от текущего состояния шлейфа, т.е. если один шлейф был разорван, то остальные продолжают работать, информация о поврежденном шлейфе отображается светодиодом и звуковым сигналом. Изделие не требует доработок и обладает большей совместимостью с требованиями к охране участка, чем аналоги.

2.2 Описание принципа работы устройства

Устройство состоит из двух узлов. Работа устройства заключается в следующем. Каждый канал содержит RS-триггер (в первом канале это DD1.1), буферный элемент 2И-НЕ (DD2.1) и два светодиода: один - для индикации текущего состояния контролируемого шлейфа (HL1, HL3, HL5, HL7 зеленого свечения), а второй - для отображения произошедшего какого-либо разрыва (HL2, HL4, HL6, HL8 красного свечения).

Тумблеры SA1 - SA5 показаны в положении, когда соответствующие шлейфы отключены. В этом случае ток через охранные шлейфы не течет, триггеры DD1.1 - DD1.4 находятся в нулевом состоянии. На выходе элемента DD3.1 высокий уровень, запрещающий работу делителя на 60 микросхемы DD4. Шлейф коллективной охраны (ШКО) замкнут для «правильной» полярности входного напряжения диодом VD9. В рабочем режиме ШКО замыкается транзистором оптрона U1. Такая коммутация сделана для определения полярности подключения шлейфа на противоположной стороне.

При включении одного из шлейфов в режим охраны по нему протекает ток около 4 мА, горит соответствующий светодиод, а на обоих входах RS-триггера низкий уровень. Меньшее значение тока может привести к ложным срабатываниям из-за утечек, особенно во время дождя. Так продолжается до момента обрыва шлейфа (или увеличения его сопротивления свыше 10кОм), после чего с задержкой в 300 мс срабатывает триггер, разрешая работу светодиода тревожной сигнализации (HL2, HL4, HL6). RS-триггер на элементах DD3.1, DD3.2 переходит в состояние с низким уровнем на выходе элемента DD3.1. Высокий уровень с выхода DD3.2 открывает транзистор VT2, включается устройство дополнительного внешнего оповещения (сирена). Если использовалась функция коллективной охраны, то её шлейф размыкается оптроном.

Делитель на 60 микросхемы DD4 начинает отсчет времени и по истечении 21с RS-триггер на элементах DD3.1, DD3.2 вернется в исходное состояние. Однако светодиод сработавшего канала будет продолжать гореть.

Если целостность шлейфа восстановлена (об этом как раз можно судить по светодиоду текущего состояния шлейфа), то для возвращения к режиму охраны по этому каналу необходимо выключить и включить соответствующий шлейф.

Канал контроля наличия сетевого напряжения работает аналогично, за исключением того, что роль нормально замкнутого шлейфа выполняет (при наличии сетевого напряжения) транзистор VT3. Задержка на срабатывание увеличена в этом канале до 3с для исключения ложных срабатываний при пуске мощного оборудования и сварочных работах.

Если необходимо большее число каналов, то дополнительные блоки можно подключить параллельно существующим (фактически так и включены четыре исходных). При этом увеличится энергопотребление, что следует учитывать при выборе резервного источника питания.

Штриховыми линиями на схеме показан вариант подключения 9-вольтовой батареи как резервного источника питания.

Выбор времени звучания осуществляют выбором выхода микросхемы, к которому подключена кнопка SB1 [5].

Вывод: при рассмотрении принципиальной электрической схемы данное устройство было разделено на следующие модули:

- модуль питания;

- модуль индикации;

- модуль управления;

- модуль коммутаций.

2.3 Оценка элементной базы

Система сохраняет работоспособность при снижении напряжения до 5…5,5В. достоинством данного устройства является повышенная точность передачи сигналов и быстродействие.

Применяемая элементная база широко распространена в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями, а также имеет много отечественных и зарубежных аналогов, что повышает ремонтопригодность изделия.

2.3.1 Микросхемы

В разрабатываемом устройстве применяются микросхемы цифровой логики серии К176 и К561, представляющие собой комплекс микромощных микросхем, второй-третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. предназначены для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники с жесткими требованиями по потребляемой мощности, массе, габаритным размерам в условиях значительного изменения напряжения питания при работе от одного источника напряжения питания. Напряжение питания серии составляет +5…15 В. Диапазон рабочих температур минус 30…+70.

2.3.2 Резисторы

В качестве распределителей электрической энергии между цепями и элементами схемы часов применены резисторы общего назначения с металлодиэлектрическим проводящим слоем типа МЛТ-0,125, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Диапазон рабочих температур серии минус 60…+125⁰С.

2.3.3 Конденсаторы

В проектируемом устройстве используются конденсаторы серии К50, К52, К53 предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Диапазон рабочих температур минус 40...+70 С. Характеризуются большой удельной емкостью, меньшие потери и токи утечки, увеличенный срок хранения, более широкий интервал рабочих температур по сравнению с электролитическими алюминиевыми.

2.3.4 Органы индикации

Применение в качестве элемента световой сигнализации светодиодов серии АЛ307Б обусловлено малым потреблением энергии в отличие от ламп накаливания. Светодиод с индексом «Б» имеет красный цвет свечения, светодиод с индексом «Г» зеленый цвет свечения. Красный цвет свечения более заметен. Диапазон рабочих температур светодиода минус 30...+70 С.

2.3.5 Органы коммутации

В качестве элемента коммутации включения питания устройства используются микропереключатель типа П2К-2 (SA4) с фиксатором. Последняя цифра обозначает количество перемыкающихся групп. Данный тип переключателей имеет малые габариты, механическую прочность и рассчитан на постоянное напряжение до 100 В током до 2 А. Диапазон рабочих температур минус 30...+100 С. Для кратковременной коммутации (во время нажатия) используются малогабаритные кнопки типа КМ1-I, предназначенные для коммутации цепей постоянного тока напряжением до 30 В. Износостойкость кнопок не менее 10000 циклов переключений, что подходит для устройства (игроки после каждого хода будут нажимать на данные кнопки). Диапазон температур минус 30...+90 С.

2.3.6 Полупроводниковые элементы

В устройстве используется транзистор КТ315Б. Транзистор КТ315Б (n-p-n) маломощный, высокочастотный; максимальный ток коллектор-эмиттер 100 мА; максимальное напряжение коллектор-база 40 В, что подходит для управления светодиодными индикаторами. Диапазон рабочих температур транзистора минус 40...+80 С.

Транзистор КТ972А (n-p-n) усилительный, максимальный ток коллектор-эмиттер 500 мА; максимальное напряжение коллектор-база 60 В. Предназначен для применения в выходных каскадах систем автоматики. Диапазон рабочих температур транзистора минус 40...+80 С.

В качестве выпрямителей направления сигналов используются диоды малой мощности КД208A с прямым током до 1,5 А. Их применение обусловлено необходимыми параметрами и малыми габаритами. Диапазон рабочих температур диода минус 30...+90 С.

Параметры элементной базы, установленных на основной печатной плате, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные конструктивные параметры элементной базы

Наименование элемента	Кол-во	Конструктивные параметры
		Вариант установки	Установочная площадь, мм2	Диапазон температур, С
Микросхемы: К176ИЕ12 К561ТР2 К561ЛА7 К561ЛЕ10 КР142ЕН8А	1 1 1 1 1	VIII-a VIII-a VIII-a VIII-a VIII-a	214 214 214 214 95,7	-30…+70 -30…+70 -30…+70 -30…+70 -30…+70
Диод КД102Б КД208А	6 4	II-а II-а	132,5 110,25	-30…+90 -30…+90
Транзистор КТ315Б КТ660А КТ927А	1 1 1	II-а II-а II-а	53,35 51,59 54,59	-40…+80 -40…+80 -40…+80
Конденсаторы: К53-1-16 В-0,068 мкФ К53-4А-16В-0,47 мкФ К52-1-16В-10 мкФ К52-1Б-16В-470 мкФ КЛС-1-Н70-0,01 мкФ КЛC-1-М47-51 пФ К50-24-16В-3300 мкФ	2 3 1 1 4 1 1	II-а II-а II-а II-а II-а II-а II-а	110,6 116,25 123,25 314,25 113,75 105 1121,25	-40...+70 -40...+70 -40...+70 -40...+70 -40…+70 -40…+70 -40…+70
Резисторы: МЛТ-0,125	24	II-а	58,75	-60…+125
Оптрон: АОТ127А	1	II-а	120	-30…+60

Таким образом, с учетом выбранной элементной базы диапазон рабочих температур устройства составит минус 30…+60С, что соответствует техническому заданию.



3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭУ

3.1 Предварительная разработка конструкции устройства

Для выбора компоновки блока сигнализации садово-огородного участка рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением печатной платы, органов коммутации, управления и индикации (рисунок 1 и рисунок 2).

Рациональная форма блока определяется по трем параметрам [6, страница 4]:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

3.1.1 Определение габаритных размеров блоков двух вариантов компоновки. Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) сравниваемых вариантов блоков. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (печатная плата сигнализации, отсек батарей, шесть кнопок КМ1, восемь светодиодов, выключатель питания).

Для определения объема печатной платы сигнализации найдем ее размеры. На основе таблицы 2 пункта 2.3 определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

где i - количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,7, получим значение площади ПП

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (80100, 80120, 90110, 100110) и был выбран следующий: 100150 мм.

Для определения объема печатной платы сигнализации необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина основания ПП. Для данной ПП она равна 28 мм (кварцевый резонатор), тогда

V_пп = 100·150·28 = 420·10³ мм³

Определим объемы дополнительного оборудования (объем берется внутренний):

- батареи питания (батарея типа «Крона»)

V_бат = 60·20·30 = 36·10³ ммі;

- кнопки управления устройством (на схеме SА1 - SА5)

V_5кноп= 5•33·15·27 = 66,82·10³ ммі;

- кнопка отключения звука (на схеме SВ1)

V_кноп = 20·20·11 = 4,4·10³ ммі;

- восемь светоизлучающих диодов (на схеме HL1 - HL8)

V_8свд = 8·7·7·10 = 3,92·10³ ммі.

Определяем габаритные размеры блоков обоих вариантов в зависимости от расположения печатной платы относительно основания. В первом варианте плата расположена параллельно (рисунок 1) и все органы управления расположены на верхней стенке устройства и при нажатии на кнопки давление приходится на основание. С учетом этого и зазорами между печатными платами, трансформатором, выключателя и светодиодов, а также с учетом толщины стенок корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры первого варианта блока: длина A₁=170 мм, ширина B₁=110 мм и высота H₁=75 мм.

Во втором варианте плата расположена перпендикулярно основанию проектируемого устройства (рисунок 2), индикация и кнопки управления расположены ан боковой стороне устройства. С учетом этого и зазорами между печатными платами, трансформатором, выключателя и светодиодов, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры второго варианта блока: длина A₂=170 мм, ширина B₂=80 мм и высота

H₂=140 мм.

3.1.2 Сравнение выбранных вариантов компоновки блоков

Определяем полный объем первого (рисунок 1) и второго (рисунок 2) вариантов.

V₁ = A₁·B₁·H₁=170·110·75 = 1402,5·10³ мм³;

V₂ = A₂·B₂·H₂=170·80·140 = 1904·10³ мм³.

Площади поверхностей вариантов компоновки блока.

S₁ = 2·(A₁·B₁+B₁·H₁+A₁·H₁) = 2·(170·110+110·75+170·75) = 79,4·10³ мм²;

S₂ = 2·(A₂·B₂+B₂·H₂+A₂·H₂) = 2·(170·80+80·140+170·140) = 97,2·10⁴ мм².

Приведенная площадь наружной поверхности [6, страница 4]

Коэффициент приведенных площадей [6, страница 4]



где S_пр.ш - приведенная площадь шара

где d - диаметр шара, мм.

Чтобы найти коэффициент приведенных площадей необходимо сравнить с блоком выполненный в форме шара. Для этого рассмотрим эквивалентный шар объем, которого равен объему блока данного варианта. Тогда:

тогда приведенная площадь шара равна:

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен

то первый вариант более оптимален по площади наружной поверхности.

3) Коэффициент заполнения объема.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой

V_а=V_пп+V_2бат+V_выкл+V_5кноп+V_7свд=(420+36+66,82+4,4+3,96)·10³=531,18·10³ мм³

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

;

Коэффициент заполнения объема для первого варианта компоновки блока больше, чем для второго варианта. Следовательно, в первом случае объем используется более эффективно.

Вывод. По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран первый вариант компоновки блока сигнализации для охраны садово-огородного участка (рисунок 1), так как его объем используется наиболее эффективно.

3.1.3 Выбор типа электрического монтажа

В проектируемом устройстве сигнализации применяются два типа монтажа - печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально-законченный узел - печатную плату сигнализации. Объемный монтаж необходим для соединения функционально-законченного узла печатной платы с органами управления и индикации.

3.1.4 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий

Из требований по условиям эксплуатации, записанных в техническом задании следует, что нет необходимости в применении специальных способов защиты устройства от климатических факторов, вибрации и помехонесущих полей. Частичную герметизацию осуществляет корпус устройства.

3.1.5 Расчет теплового режима

Модуль электронной аппаратуры второго уровня и выше, например блок, представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета.

Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды



Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_o и рассеиваемую тепловую мощность Р_о. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 3 приведены зависимость между перепадом температур t_k и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны S_з, м² для воздушного охлаждения [5, страница 145]

S_з=2(AB+(A+B)HК_з.о);

где A, B, H - геометрические размеры блока, м

A = 0,170 м; B = 0,110 м; H= 0,075 м.

К_з.о - коэффициент заполнения объема (К_з.о =0,378).

Тогда, получим

S_з = 2(0,1700,110+(0,170+0,110)0,0750,378) = 0,0532 м².

Определим удельную мощность нагретой зоны q₃, Вт/м², как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади:

q₃=Q/S₃,

где Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле

Q = I_maxU,

где I_max - максимальный потребляемый ток для цепи питания с напряжением питания U=+9 В, I_max=0,15 А.

Тогда, получим

Q = 0,159 = 1,35 Вт;

q_з = 1,35/0,0426 = 31,69 Вт/м²

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Если устройство работает в не перегруженном режиме, тогда температура зоны должна быть меньше или равна Т_з=70⁰С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=60⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле:

t_k = Т_з-Т_с = 70-60 = 10⁰С

Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 3). Учитывая, что в проектируемом устройстве модуль расположен горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 2, следовательно, устройство не требует дополнительных средств вентиляции и охлаждается естественной вентиляцией.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока сигнализации обеспечивает нормальный тепловой режим работы без обеспечения какой либо дополнительной вентиляции.

3.1.6 Расчет электромагнитной совместимости

Устройство работает на низкой частоте 1 Гц, поэтому расчет электромагнитной совместимости проводить нецелесообразно.

3.1.7 Описание выбранного варианта компоновки устройства

Корпус сигнализации для охраны садово-огородного участка выполнен в форме параллелепипеда. Габаритные размеры 17011075 мм. Основание состоит из нижней и четырех боковых стенок.

Нижняя стенка является крышкой отсека батарей источника питания. Данная батарея (батарея типа Крона) лежит на основании. Батарея находится в специальном батарейном отсеке. К данному отсеку крепится печатная плата часов, устанавливаемая на колонки. На одной из боковых стенок крепится выключатель питания.

К верхней крышке привинчиванием крепится шесть кнопок управления устройством (пять кнопок настройки и одна кнопка отключение звукового сигнала). Также устанавливаются светодиодные индикаторы: два ряда по четыре, предназначенные для индикации текущего состояния контролируемого шлейфа, а другие для отображения произошедшего когда-либо разрыва.

3.2 Разработка основных элементов и узлов конструкции устройства

3.2.1 Выбор элементов несущих конструкций, крепления и фиксации

Основание и верхняя крышка корпуса изготовлены литьем из фенопласта общего назначения, черного цвета, 02-010-02 ГОСТ 5689-79. Толщина основания и верхней крышки по 2,5 мм. Верхняя крышка к основанию крепится четырьмя винтами М3-11 ГОСТ 17475-80. В основание впрессованы металлические втулки с резьбой 3 мм для ввинчивания данных крепежных винтов.

С основанием цельно вылит отсек для батарей питания типа 3336 или Крона и снизу у него открывается крышка для установки данных батарей. Крепление данной крышки к основанию осуществляется шестью винтами М3-11 ГОСТ 17475-80. Ввинчивание осуществляется также в впрессованные втулки с резьбой на 3 мм. Для электрического подключения батареи питания к устройству используются специальные контакты ( «+» и «-»).

В верхней части отсека для батареи питания расположены четыре колонки, вылитые цельно с основанием, на которые устанавливается печатная плата сигнализации. Ее крепление осуществляется с помощью четырех винтов М2,5-7 ГОСТ 17473-80 и четырех шайб М2,5 ГОСТ 11371-78.

На одной из боковых стенок основания крепится выключатель питания, устанавливаемый на двух колонках, цельно вылитые с основанием, крепление осуществляется двумя винтами М2,5-18 ГОСТ 17475-80, двумя гайками М2,5 ГОСТ 5927-70 и двумя шайбами М2,5 ГОСТ 11371-78. отверстие под ручку данного выключателя имеет размеры 127 мм.

На верхней крышке устройства крепится шесть кнопок управления и их крепление осуществляется гайками М7 ГОСТ 15522-70 и шайбами М7 ГОСТ 10450-78. Диаметр отверстия составляет 8 мм.

Также на верхней крышке устанавливается восемь светоизлучающих диодов. Они вставляются в отверстия диаметром 7,5 мм и крепятся клеем ВК-9 по ОСТ18024-84.

3.2.2 Выбор конструктивных элементов электрического монтажа

В конструкции устройства применяется печатный и объемный монтаж. Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76 и флюс ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200.

Компоновка печатных плат выполнена с учетом автоматизации ее изготовления. Установка элементов выполнена в соответствии с ГОСТ 10317-76.Двухсторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом. Материал для изготовления печатных плат - стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5 в.с. ГОСТ 10316-78.

Для объемного монтажа применяют провод МГШД-0,35 ГОСТ 22487-77 с сечением жилы 0,35 мм² с изоляцией в оплетке из капроновой нити.

3.2.3.Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий

Данные по применяемым покрытиям внесены в таблице 3.

Таблица 3 - Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы	Материал детали, сборочной единицы	Лакокрасочное покрытие
Основание	Фенопласт 02-010-02 ГОСТ 5689-79	--
Лицевая панель	Фенопласт 02-010-02 ГОСТ 5689-79	--
Печатная плата	Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5	Лак УР-231 Бесцветный

3.2.4 Выбор способов маркировки деталей и сборочных единиц

На печатной плате маркировка элементов электрической схемы (резисторов, транзисторов, ИС и т.д.) осуществляется травлением.

На лицевую панель надписи наносятся краской ТНПФ-0,1, белого цвета.

Таким образом, была разработана конструкция сигнализации садово-огородного участка. Во время работы был проведен анализ существующих аналогов, технического задания, электрической схемы и элементной базы. Были проведены расчет тепловых режимов, расчет основных компоновочных параметров сигнализации с соблюдением всех требований пунктов технического задания. Также была разработана техническая и конструкторская документация на сигнализацию садово-огородного участка, предназначенной для охраны территории участка.

4. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Выбор метода изготовления и класса точности ПП

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства (сигнализация садово-огородного участка) между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату, изготовленную комбинированным позитивным методом. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751 - 86 выбираем четвертый класс точности изготовления ПП. В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате часов, равен 1,0 мм (для подсоединения к плате проводного монтажа, транзисторы типа КТ315Б), то выбираем толщину платы [3, страница 8] и [4], равной 1,5 мм. Материал изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Исходные данные представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Исходные данные

Параметры	Величина
Размеры печатной платы, мм	100150
Расчетная толщина ПП HР, мм	1,5
Толщина фольги h, мм	0,05
Диаметры выводов ЭРЭ, мм - Dвыв1 (микросхемы, VD1-VD10) - Dвыв2 (конденсаторы, резисторы) - Dвыв3 (транзисторы КТ315, R17, подходящие провода)	0,5 0,7 1,0
Напряжения питания U, В	9
Максимальный постоянный ток Imax, А	0,15
Допустимая плотность тока Jдоп, А/мм2	38
Наибольшая длина проводника L, м	0,10

Основные конструктивные параметры печатных плат для четвертого класса точности (ГОСТ 23751-86):

минимальное значение ном. ширины проводника t_min1, мм 0,15;

номинальное расстояние между проводниками S, мм 0,15;

допуск на ширину проводника с покрытием t, мм 0,05;

допуск на ширину проводника без покрытия t, мм 0,03;

допуск на расположение отверстий _d, мм 0,05;

допуск на расположение контактных площадок _p, мм 0,15;

допуск на отверстие при его диаметре 1 мм d, мм ;

допуск на расположение проводников на ДПП ₁, мм 0,03;

гарантийный поясок b_м, мм 0,05.

4.2 Расчет печатного монтажа

4.2.1 Расчет по постоянному току

Допустимое падение напряжения на проводниках цепи питания +9 В не должно превышать 10 % от питающего напряжения U_доп1, В

U_доп = 90,1 = 0,9.

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепи питания +9 В и заземления b_min1, мм

Определяем минимальную ширину печатного проводника цепи +5 В исходя из допустимого падения напряжения на нем b_min2, мм

,

где - удельное объемное сопротивление материала проводника, Оммм²/м. Для меди =0,0175 Оммм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2. Выбираем ширину проводников питания и заземления равную b=1,5 мм.

4.2.2 Расчет электрических параметров ПП

Определяем взаимные емкости С и индуктивности L линий связи для заданного типа электрических соединений.

Паразитная емкость, возникающая между параллельными проводниками на печатной плате при b₁ = b₂=1,5мм:

,

где е=1 - диэлектрическая проницаемость среды;

l=10мм - длина проводника;

h=5мм - толщина проводника;

а=27,5мм - зазор между проводниками.

,

,

,

При b₁ = b₂=0.3мм

а=1,25ммl=7,25мм

,

,

Из проведенных расчетов и условий эксплуатации, заданных в техническом задании, следует, что проектируемое устройство не нуждается в дополнительных средствах экранирования, т.к. действие помехи не приведет к нарушению работоспособности модуля.

4.2.3 Конструктивно-технологический расчет

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Определяем максимальный диаметр просверленных отверстий выводов ЭРЭ для ПП сигнализации для проверки микросхем D_o.max, мм

D_o.max1 = D_выв1+d+0,1=0,5+0,1+0,1 = 0,7;

D_o.max2 = D_выв2+d+0,1=0,7+0,1+0,1 = 0,9;

D_o.max3 = D_выв3+d+0,1=1,0+0,1+0,1 = 1,2,

где d - допуск на диаметр отверстия.

Полученные значения диаметров монтажных отверстий необходимо округлить по ГОСТ 23751-86. Тогда, с учетом требования минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий [3, страница 8], получим следующий набор диаметров, мм - 0,8, 1,0 и 1,3.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим. Однако, в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы

D_M H_Рv = 1,50,33 = 0,495 мм,

где H_Р - расчетная толщина печатной платы;

v - коэффициент, зависящий от состава электролита.

Так как число отверстий с различным диаметром должно быть минимальным, то принимаем диаметр переходного отверстия равным

D_M=D_o.max1=0,7 мм;

Определяем диаметры контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактных площадок D_min, мм

мм;

мм;

мм,

где b_M - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

_d, _P - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм.

Минимальный диаметр контактных площадок, при покрытии олово-свинец D_п.min, мм

D_п.min1 = D_min1+1,5h_r = 1,3+1,50,05 = 1,375 мм;

D_п.min2 = D_min2+1,5h_r = 1,5+1,50,05 = 1,575 мм;

D_п.min3 = D_min2+1,5h_r = 1,8+1,50,05 = 1,875 мм,

где h_r - толщина металлорезиста, мм.

Максимальный диаметр контактных площадок отверстий D_max3, мм

D_max1 = D_п.min1+0,05 = 1,375+0,05 = 1,425 мм;

D_max2 = D_п.min2+0,05 = 1,575+0,05 = 1,625 мм;

D_max3 = D_п.min2+0,05 = 1,875+0,05 = 1,925 мм.

Округляем максимальный диаметр контактных площадок до значений равных: D_max1=1,5 мм, D_max2=1,7 мм и D_max3=2,0 мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника t_min, мм

t_min = t_min1+1,5h+t = 0,15+1,50,05+0,03 = 0,255 мм,

где t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 - минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальванической стойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника t_max, мм

t_max= t_min+0,02=0,275 мм.

Округляем максимальную ширину сигнального проводника до значения равного t_max=0,3 мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа S_min1, мм

мм;

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа S_2min1, мм

мм;

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа S_3min1, мм

мм

где L_Э - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

₁ - допуск на расположение проводников, мм.

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками S_min2

S_min2 = L_Э -(t_max+2₁) = 1,25-(0,3+20,03) = 0,89 мм.

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником S_min3, мм

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками первого типа S_min4, мм

S_1min4 = L_Э -(D_max2+2_P) = 2,5-(1,5+20,15) = 0,7 мм;

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками второго типа S_2min4, мм

S_2min4 = L_Э -(D_max2+2_P) = 2,5-(1,6+20,15) = 0,5 мм;

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками третьего типа S_3min4, мм

S_3min4 = L_Э -(D_max2+2_P) = 2,5-(2,0+20,15) = 0,2 мм;

Таким образом, из результатов расчета получаем, что расстояния между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимых и параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам четвертого класса точности изготовления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, была разработана конструкция радиоэлектронного устройства - сигнализация садово-огородного участка. Были проведены расчет геометрических параметров, электрических параметров, электромагнитной совместимости, расчет тепловых режимов, расчет основных компоновочных параметров проектируемого устройства. Конструкция и параметры разработанной сигнализации полностью соответствуют тем требованиям, которые были указаны в техническом задании. Также была разработана конструкторская документация на проектируемое устройство.

Была решена основная задача курсового проекта - развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Журнал Радио №1, 2003г. «Многоканальные охранно-сигнальные устройства» стр. 36.

2 Журнал Радио №3, 2003г. «Радиопередающие охранно-сигнальные устройства» стр. 38.

3 Фомина Н. Н. Разработка конструкции печатных плат. Методические указания к выполнению практической работы по дисциплине «Конструкторско-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». - Саратов, 1995.

4 Школа академика Власова: выпуск 1. Сборник методических трудов кафедры «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления. Под ред. Власова В. В. - М.: «Буркин», 1998.

5 Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. техникумов. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: «Высшая школа», 1985.

6 Рациональный выбор несущих конструкций. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Фомина Н. Н. - Саратов, Издательство Ротапринт СГТУ, 1999.

7 Оформление спецификаций. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструктивно-технологические особенности проектирования и изготовления модулей аппаратурной реализации САУ». Фомина Н. Н. - Саратов, Издательство Ротапринт СГТУ, -1998.

8 Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, - 1989.

9 Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1988.

10 Алексеев С. Применение микросхем серии К176 // Радио №4, 1984.

11 Поляков В., Лещанский И., Иванов А. RC-генератор на К176ИЕ5 // Радио №10, 1987. - страница 45.

Размещено на Allbest.ru