Расчет озонометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ техничного задания

1.1 Актуальность разработки

Проектирование многоканального тропосферного озонометра имеет практический характер, поскольку, во-первых, - озон имеет значительное влияние на жизнь людей, во-вторых, - в сегодняшнее время для измерения озона используются довольно большие установки со старой аппаратурой. В данном проекте была рассмотрена возможность создания портативного модуля озонометра с использованием современной аппаратуры.

В периоды повышенной концентрации озона значительно большее количество людей поступает в отделения неотложной помощи больниц с заболеваниями дыхательных путей. Озон является мощным окислителем и даже при небольших концентрациях может приводить к раздражению глаз и дыхательных путей, вызывающему снижение жизненной емкости легких[5].

Повреждения растений могут возникать уже при концентрациях лишь немного превышающих фоновые уровни. Это имеет огромное значения для сельского и лесного хозяйства и оказывает значительное влияние на естественные экосистемы[6].

Применяются озонометры в экологии и для атмосферного мониторинга с целью корректировки стандартов допустимого уровня загрязняющих веществ для заводов и предприятий.

Актуальность проекта заключается в том, что разработанный модуль многоканального тропосферного озонометра может автономно снимать показатели с датчиков и, рассчитав по данным датчиков концентрацию тропосферного озона, записывать эти значения на флэш-карту, выводить на ЖК-дисплей и передавать по эфиру в единую базу данных.

1.2 Анализ аналогов

1.2.1 Озонометр М-83

Универсальный озонометр М-83 предназначен для измерения общего содержания атмосферного озона с земной поверхности по прямому солнечному свету. Определения основаны на измерении и сравнении интенсивности ультрафиолетового излучения в различных участках спектра: в полосе поглощения озона (220-330 нм) и вне ее. Полученные измерения интенсивности ультрафиолетового излучения рассчитываются далее вручную человеком.

Рисунок 1.2.1. Общий вид озонометра М-83 (1 - приемная часть; 2 - пульт управления; 3 - высотно - азимутальное устройство; 4 - блок питания)

Характеристика:

Диапазон измерения озона: 160 - 600 еД

Напряжение питания: 12 В

Ток потребления: не более 100 мА

1.2.2 Озонометр М-124

Озонометр М-124 измеряет количество ультрафиолетовой радиации (УФР) в полосе поглощения озона, пришедшей из внеземного источника (Солнца). В течение 80х годов озонометр М-83 был значительно доработан и получил наименование М-124. Доработка прибора коснулась в основном механики и электроники, а принципы измерения и метрологические характеристики остались прежними. Полученные измерения интенсивности ультрафиолетового излучения рассчитываются далее вручную человеком.

Рисунок 1.2.2. Озонометр М-124

Характеристика:

Диапазон измерения озона: 150 - 600 еД

Напряжение питания: 12 В

Ток потребления: не более 100 мА

1.2.3 Озонометр Медозон-254/5-ОЕМ

Измеритель концентрации озона «Медозон-254/5-ОЕМ» предназначен для измерения концентрации озона в газовой фазе. Озонометр состоит из собственно озонометра (датчика прибора) и индикатора. Данные измерения концентрации озона выводятся на семисегментный индикатор.



Рисунок 1.2.3. Озонометр Медозон-254/5-ОЕМ

Характеристика:

Диапазон измерения озона: 150 - 600 еД

Напряжение питания: 12 В

Потребляемая мощность: не более 5 Вт

Габаритные размеры прибора: 115х100х40 мм

Габаритные размеры индикатора: 55х35х10 мм

Общая масса прибора: не более 1 кг.

Как видно, в сегодняшнее время для измерения озона используются довольно большие установки со старой аппаратурой. В данном дипломном проекте была рассмотрена возможность создания портативного многоканального тропосферного озонометра с использованием современной аппаратуры для автоматического измерения и сохранения данных на внешний накопитель без необходимости ручного расчета тропосферного озона.

1.3 Разработка структурной схемы

Проанализировав техническое задание, составим схему электрическую структурную устройства:

– модуль питания;

– набор датчиков;

– модуль обработки информации;

– модуль ввода информации на накопитель (флэш карту);

– модуль вывода информации на LCD экран;

– GSM-модуль;

– модуль внешнего накопителя (жесткий диск).

Рисунок 1.3.1. Схема электрическая структурная многоканального тропосферного озонометра

Модуль питания используется для организации постоянной подачи напряжения на монтажные узлы. Реализуется данный модуль посредством использования четырех аккумуляторов типа Ni-MH для каждого монтажного узла.

Набор датчиков используется для получения данных измерения интенсивности ультрафиолетового излучения на двух длинах волн, температуры и атмосферного давления с целью последующей обработки этих измерений для расчета концентрации озона.

Модуль обработки информации реализован для расчета концентрации тропосферного озона. Показатели измерений поступают с датчиков на встроенный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера. Далее данные оцифровуются и обрабатываются микроконтроллером. Суть обработки заключается в расчете концентрации тропосферного озона на основании интенсивности УФ излучения на двух длинах волн с учетом показателей температуры и атмосферного давления для получения достоверного результата.

Модуль ввода информации на накопитель используется для сохранения данных концентрации озона на флэш карту с целью мониторинга информации.

Модуль вывода информации на LCD экран реализован для визуализации оперативных текущих данных измерения озона.

GSM-модуль используется для передачи измерения озона по эфиру в единую базу данных.

Модуль внешнего накопителя применяется для сохранения объемной информации данных измерения озона на жесткий диск с целью долгосрочного атмосферного мониторинга информации.

2. Разработка схемы электрической принципиальной

2.1 Обоснование выбора элементной базы

После проектирования структурной схемы и обзора аналогов была разработана схема электрическая принципиальная.

В дипломном проекте использовано несколько микросхем, которые имеют аналоги на рынке. Рассмотрим этапы выбора ИС среди аналогов, на примере ATMEGA8. Данная ИС имеет аналоги:

· PIC16F876A производимую компанией Microchip

· PIC16F886 производимую компанией Microchip

Проведено сравнение представленных на рынке ИС и выбранной нами микросхемы на основе следующих параметров: максимальная частота (f, МГц), энергонезависимая память (EEPROM, bytes), количество программируемых линий I/O (quantity I/O) и количество каналов АЦП (channels). Параметры этих микросхем взяты со справочных материалов [10,11].Значения параметров занесены в таблицу 2.1.1.

Таблица 2.1.1. Сравнительные характеристики ИС

ИС	f, МГц	EEPROM, bytes	quantity I/O	channels
ATMEGA8	16	512	23	8
PIC16F876A	16	256	22	5
PIC16F886	16	256	24	11
Весовой коэф.	0,25	0,3	0,25	0,2

По таблице 2.1.1. составлена матрица параметров Х:

16	512	23	8
16	256	22	5
16	256	24	11

Параметры из матрицы Х приводятся к виду, чтобы большему значению параметра соответствовало лучшее качество ИС. Параметры, не удовлетворяющие этому условию, пересчитываются . Поскольку все параметры обладают лучшим качеством, получим матрицу приведенных параметров Y такую же как и X:

16	512	23	8
16	256	22	5
16	256	24	11

Производим нормирование параметров, используя формулу:

(2.1.1)

Результаты пересчета занесены в таблицу 2.1.2.

Таблица 2.1.2. Значение нормированных параметров

0,00	0,00	0,04	0,27
0,00	0,50	0,08	0,54
0,00	0,50	0,00	0,00

Определим оценочную функцию для каждой ИС:

, (2.1.2)

где - весовой коэффициент.

Q1 = 0,08

Q2 = 0,28

Q3 = 0,13

К использованию рекомендована ИС, имеющая минимальное значение Q_n. В рассмотренном случае минимальное значение оценочной функции Q1, потому выбрана ИС ATMEGA8.

Выбор микросхем CD4050, OPA336, LM3940 проводился по тому же принципу.

2.2 Основные характеристики датчиков

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изменения входной не электрической величины в изменение выходной электрической величины.

Перечислим основные характеристики датчиков:

1. Функция преобразования представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины: y = f(x). Зависимость представляется в именованных величинах: y в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x в единицах измеряемой величины.

2. Чувствительность - отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины: S = dy/dx. Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.

3. Порог чувствительности - минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.

4. Метрологические характеристики определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом. Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения. Основными видами систематических погрешностей являются:

- погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования;

- дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;

- погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.

5. Надежность рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.

6. Эксплуатационные характеристики - это масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, стойкость к агрессивным средам и т.д. [8]

2.2.1 УФ - датчики

Ультрафиолетовое излучение - электромагнитное излучение, занимающее диапазон между рентгеновским и видимым излучением 10-380 нм. Диапазон условно делят на ближний (380-200 нм) и дальний, или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет. Так же существует деление на УФ - A (315-400 нм), УФ - B (280-315 нм) и УФ - C (200-280 нм).

УФ датчики представляют собой фоточувствительные детекторы, применяемые для измерения УФ интенсивности, схемы подключения которых преобразуют входной сигнал в Амперы. Интенсивность излучения - отношение потока излучения к площади поверхности.

Для данного проекта используются следующие датчики УФ излучения:

1) Модель SG01S компании Hamamatsu, диапазона УФ - В;

2) Модель G1961 компании Hamamatsu, диапазона УФ - А[12].

2.3 Описание элементов схемы электрической принципиальной

1) Модуль питания

Стабилизатор напряжения LM3940 используется для преобразования напряжения из 5В в 3,3В. Обвязка к стабилизатору в виде конденсаторов С8 и С9 выбрана с учетом требований технической документации на данный стабилизатор и используется для сглаживания пульсаций напряжения.

2) Набор датчиков

Подключение датчиков УФ-излучения произведено с учетом требований технической документации. Датчики УФ-излучения представляют собой фотодиоды VD1 и VD2, которые измеряют интенсивность УФ излучения на длинах волн 300 нм и 400 нм соответственно. Резисторы R1, R2, R3 и R4 необходимы для обеспечения необходимого напряжения на выходах датчиков, конденсаторы C1 и C2 - для фильтрации высокочастотных помех. Номиналы резисторов и конденсаторов были выбраны с учетом требований технической документации.

Схема подключения датчика УФ-излучения, приведенная в документации [12], имеет следующий вид:

Рисунок 2.3.1. Схема подключения датчиков УФ - излучения

Датчик УФ - излучения SG01S имеет следующую характеристику выходного тока в зависимости от интенсивности излучения по документации[12]:

Рисунок 2.3.2. Характеристика выходного тока датчика SG01S в зависимости от интенсивности излучения

Рисунок 2.3.3. Характеристика выходного тока датчика G1961 в зависимости от интенсивности излучения

В документации указано, что при малой освещенности (>10^-12 Lx) регистрировать УФ-излучение будет невозможно.

3) Модуль обработки информации

Тактирование модуля осуществляется от кварцевого резонатора ZQ1 1МHz и имеет обвязку из конденсаторов C3 и C4, взятую из документации на данный модуль.

4) Для модуля вывода информации на накопитель (флэш карту) используем конвертер напряжения CD4050 для преобразования уровня напряжения из 5В в 3,3В, поскольку флэш карта питается и работает от напряжения 3,3В.

5) Модуль вывода информации на LCD экран подключен к выводам PD2-PD7 микроконтроллера Atmega8. Потенциометром R6 задаётся контрастность LCD дисплея, а анод LCD дисплея (вывод 11) подключен к питанию через резистор R7.

6) GSM-модуль подключен к выводам PD0 и PD1 микроконтроллера Atmega8. Для связи GSM-модуля с SIM-картой необходимо использовать резисторы R8, R9 и R10 с учетом требований технической документации.

7) Модуль внешнего накопителя (жесткий диск) соединен с микроконтроллером через выводы PD1-PD3 с использованием рекомендуемого подключения USB-разъема через резисторы R1, R2 и R3 (см. Модуль А2 ДК 81.416143.001Э3).

2.4 Описание работы схемы

Основу устройства составляет программируемый контроллер Atmega8.

При поступлении на АЦП микроконтроллера, данные УФ - излучения от Солнца на двух длинах волн оцифруются. В качестве опорного напряжения выбран внутренний источник 2,56В. Чувствительность АЦП рассчитаем по опорному напряжению и разрядности АЦП: 2,56/1024=0,0025, т.е. 2.5 мВ. Режим, в котором будет работать АЦП микроконтроллера, - это непрерывное преобразование, при котором АЦП периодически измеряет входное напряжение и по окончании преобразования записывает результат в регистры ADCL и ADCH. Диапазон входных значений, которые поступают на АЦП, лежит в пределах 2,4мВ - 2,5В.

Пример реализации подключения датчика УФ-излучения выполнен в САПР LTSpiceIV. Выходного напряжения с УФ-датчика будет достаточно для дальнейшей оцифровки значений аналого-цифровым преобразователем.

Значения от преобразователей температуры и атмосферного давления в цифровой код с однопроводным интерфейсом 1-Wire поступают на входы микроконтроллера PC2 и PC3 соответственно.

Рисунок 2.4.1. Моделирование датчика УФ - излучения в САПР LTSpice

После оцифровки данных, осуществляется вычисление тропосферного озона согласно формулам, приведенным в методических указаниях (см. раздел «Организация программного обеспечения») [17].

Рассчитанные данные сохраняются на флэш карту памяти MultimediaCard (подключение с МК через линии PB2-PB5) и выводятся на ЖК-индикатор (линии PD2-PD7 МК).

Передача и прием данных по эфиру через GSM-модем осуществляется программированием модема при помощи AT-команд.

Для сохранения измерений на внешнем накопителе используем жесткий диск, подключаемый к USB-разъему посредством связи через UART-интерфейс.

3. Обзор интерфейсов

3.1 Общие сведенья о интерфейсе SPI

SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus - последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) - последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также ин+огда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом.

В отличие от стандартного последовательного порта (англ. standard serial port), SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая (ведомая) периферия синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (англ. chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участия в передаче по SPI.

В SPI используются четыре цифровых сигнала:

· MOSI или SI - выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.

· MISO или SO - вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.

· CS или SS - выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select). [13]

3.2 Интерфейс SPI микроконтроллера Atmega8

Шина SPI организована как «ведущий-подчиненный». В качестве ведущего чаще всего выступает микроконтроллер. Внешние устройства подключенные к ведущему являются подчиненными (ведомыми). Если соединить два микроконтроллера по шине SPI, то они могут по очереди становится ведущим или ведомым. Главное, что в конкретный момент времени на шине SPI только одно устройство может быть ведущим. Рассмотрим на примере выбранного микроконтроллера Atmega8 какие ножки в МК связаны с шиной SPI и что они означают.

Рисунок 3.2.1. Реализация SPI - интерфейса в Atmega8

При загрузке значения в регистр данных SPI ведущего он сразу же начинает генерить тактовый сигнал на SCK и побитно выдвигать данные на вывод MOSI, который соединен с входами MOSI ведомых устройств.

Ведомое устройство получит данные, только если на выводе SS присутствует низкий уровень. Мы можем подключить к шине SPI микроконтроллера несколько SPI устройств и используя дополнительные ножки МК выбирать конкретное устройство с которым мы хотим в данный момент работать. Вывод SS ведущего можно сконфигурировать как выход и использовать его как выходной контакт. Если же он сконфигурирован как вход, его необходимо подключить к шине питания. Если на выводе SS ведущего устройства появится низкий уровень, то он переключится в режим ведомого.

3.3 Сравнение SPI- и IІC- интерфейсов

IІC - последовательная шина данных для связи интегральных схем, разработанная фирмой Philips в начале 1980-х как простая шина внутренней связи для создания управляющей электроники.

IІC использует две двунаправленных линии, подтянутые к напряжению питания и управляемые через открытый коллектор или открытый сток - последовательная линия данных (SDA, англ. Serial DAta) и последовательная линия тактирования (SCL, англ. Serial CLock). Стандартные напряжения +5 В или +3,3 В, однако допускаются и другие[14].

Ниже можно ознакомиться с преимуществами, которая дает та или иная последовательная шина.

Таблица 3.3.1. Преимущества SPI- и IІC- интерфейсов

Преимущества шины SPI	Преимущества шины I2C
Предельная простота протокола передачи на физическом уровне обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное быстродействие шины SPI измеряется десятками мегагерц и, поэтому, она идеальна для потоковой передачи больших объемов данных и широко используется в высокоскоростных ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных дисплеев и микросхемах памяти	Шина I2C остается двухпроводной, независимо от количества подключенной к ней микросхем.

Кроме того, интерфейс SPI является основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в т.ч. отладочный интерфейс JTAG и интерфейсы карт Flash-памяти, в т.ч. SD и MMC.

Поскольку в данном проекте используется карта памяти ММС, то целесообразно выбрать именно SPI-интерфейс для организации связи с МК.

3.4 Общие сведенья о UART- интерфейсе

Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП, англ. Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART)) - узел вычислительных устройств, предназначенный для связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует заданный набор данных в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по однопроводной цифровой линии другому аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко применялся в компьютерной технике. Представляет собой логическую схему, с одной стороны подключённую к шине вычислительного устройства, а с другой имеющую два или более выводов для внешнего соединения.

UART может представлять собой отдельную микросхему или являться частью большой интегральной схемы. Используется для передачи данных через последовательный порт компьютера, часто встраивается в микроконтроллеры. Логическая схема UART имеет входы-выходы с логическими уровнями, соответствующими полупроводниковой технологии схемы: КМОП, ТТЛ и т.д. Такой физический уровень может быть использован в пределах одного устройства, однако непригоден для коммутируемых длинных соединений по причине низкой защищённости от электрического разрушения и помехоустойчивости. [13]

3.5 Интерфейс UART микроконтроллера Atmega8

В UART МК используются две линии (вывода микроконтроллера): Rx - для приема и Tx - для передачи. Данные по UART передаются в следующем формате:



Рисунок 3.5.1. Формат передачи данных по UART-интерфейсу

1) Старт-бит - служит для определения начала посылки;

2) Биты данных - может быть от 5 до 9 бит, но наиболее часто используется 8 бит - один байт;

3) Бит контроля четности - позволяет проверить не произошел ли при передаче сбой;

4) Стоп биты - 1 или 2 бита, служат для определения окончания посылки.

Для UART в Atmega8 настраиваются следующие параметры: скорость обмена, количество бит данных, контроль четности, количество стоп-бит. [9]

Поскольку в данном проекте используется GSM-модем, то целесообразно выбрать UART-интерфейс для организации связи с МК.

3.6 Общие сведенья о 1-Wire- интерфейсе

1-Wire (англ. один провод) - двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода - один для заземления, а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания). Разработана корпорацией Dallas Semiconductor и является её зарегистрированной торговой маркой.

Соответственно, топология такой сети - общая шина. Сеть устройств 1-Wire со связанным основным устройством названа «MicroLan», это также торговая марка Dallas Semiconductor.

Обычно используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими как, например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды. [13]

3.7 Связь интерфейса 1-Wire с микроконтроллером Atmega8

Передача сигналов по шине 1-Wire разделена на временные слоты длительностью 60 мкс. Одним временным слотом передается только один бит данных. Подчиненным устройствам допускается иметь существенные отличия от номинальных выдержек времени. Однако это требует более точного отсчета времени ведущим, чтобы гарантировать корректность связи с подчиненными, у которых различаются временные базисы.

Ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления, должна быть инициирована ведущим. Это достигается установкой низкого уровня на шине, который синхронизирует логику всех остальных устройств.

Поскольку в данном проекте используются датчики, то целесообразно выбрать 1-Wire - интерфейс для организации связи с МК.

4. Разработка печатной платы

4.1 Выбор, обоснование типа и материала ПП

Печатная плата (на англ. PCB - printed circuit board) - пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, накруткой, склёпкой, впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Выделяют такие типы печатных плат (ПП): односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП), гибкие (ГПП) и многослойные (МПП). Среди возможных вариантов необходимо выбрать наиболее подходящий для данного дипломного проекта, который будет удовлетворять поставленным условиям.

Характерными чертами ОПП являются простота и экономичность изготовления. Они обеспечивают возможность выполнения проводящего рисунка с повышенной точностью. Позволяют осуществлять установку навесных элементов на поверхность платы со стороны, противоположной пайке, без дополнительной изоляции.

МПП состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящих рисунков, соединенных клеевыми прокладками в многослойную структуру путем прессования. Для МПП характерны повышенная плотность монтажа, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, сложность технологии изготовления и конструирования, а также относительно высокая стоимость.

ГПП - свернутые в рулон платы. Для ГПП характерны: компактность, надежность, ударопрочность. Основной недостаток ГПП - применение дорогих материалов для их изготовления [16].

Использование односторонней печатной платы нецелесообразно из-за количества элементов, поскольку соединить все элементы без пересечений проводников будет затруднительно, а может быть и вовсе невозможно. Многослойная печатная плата соответствует нашим условиям, но ее производство требует больших затрат, чем двухсторонняя. Двухсторонняя плата полностью удовлетворяет все запросы, поскольку организовать все связи без пересечений не составит такого труда как на односторонней и она обеспечит меньшие затраты в сравнении с многослойной печатной платой.

Для данного дипломного проекта был выбран двухсторонний тип печатной платы, поскольку благодаря этому типу платы достигается уменьшение габаритов устройства по сравнению с многослойным типом. Двухсторонний тип позволяет использовать две стороны основания платы для трассировки элементов и соединений, что является оптимальным решением для данного проекта.

Печатные платы делаются из фольгированного изоляционного материала (гетинакса, стеклотекстолита, фторопласта). На одну из сторон листа изоляционного материала прочно наклеена металлическая фольга, которая позволяет получить в дальнейшем печатные проводники любой формы. Они представляют собой полоску фольги, соединяющую выводы двух или более деталей, установленных на печатной плате в соответствии с принципиальной схемой радиотехнического устройства. Так же основой ПП может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий).

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Гетинакс по сравнению со стеклотекстолитом имеет несколько худшие характеристики. Стеклотекстолит превосходит гетинакс по своим электрическим и механическим параметрам, но имеет большую стоимость.

Фольгированный гетинакс является менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является минимальная стоимость прибора.

Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной и прочей аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам.

Для изготовления печатной платы применим стеклотекстолит СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78, который выдерживает перепады температур в широком диапазоне, вибрационные нагрузки, климатические удары. [18]

4.2 Выбор и обоснование класса точности ПП

Существует пять классов точности печатных плат в соответствии с ГОСТ 23.751-86, и в конструкторской документации на печатную плату должно содержаться указание на соответствующий класс, который обусловлен уровнем технологического оснащения производства. ПП 1-го и 2-го класса точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную плотность монтажа. ПП 3-го, 4-го, 5-го класса точности требуют использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования.

Таблица 4.2.1. Классы точности

Обозначение	Класс точности
	1	2	3	4	5
Ширина печатных проводников	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
Расстояние между соседними элементами	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
Ширина пояска контактной площадки.	0,30	0,20	0,10	0,05	0,02
Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы	0,40	0,40	0,33	0,25	0,20

Для этого проекта будет использован четвертый класс точности, поскольку он является оптимальным для технологии изготовления электронных устройств. Этот класс точности позволяет достичь малых габаритов устройства и использовать современную элементную базу.

4.3 Размещение КЭ на печатной плате

Размещение конструктивных элементов на печатной плате приводит к оптимизации суммарной длины связи, поэтому элементы, имеющие между собой наибольшее количество связей, располагают рядом; количество наиболее длинных проводников должно быть минимальным. Для проектируемой схемы составим матрицу связей:

Таблица 4.3.1. Матрица связей многовыводных элементов.

	XS1	DD6 (ATMEGA8)	DD3 (OPA336)	DD7 (LM3940)	n
XS1	0	4	2	3	9
DD6	4	0	6	3	13
DD3	2	6	0	3	11
DD7	3	3	3	0	9

где n - общее количество связей элемента с остальными.

Разместим конструктивные элементы по матрице связей:

1. Сначала разместим разъём XS1 на краю платы.

2. Просмотрев столбец XS1, найдём элемент, у которого наибольшее число связей с XS1. Это элемент DD6. Разместим его справа от XS1.

3. Элемент DD6 имеет 6 связей с DD3, поэтому разместим элемент DD3 над элементом DD6.

4. Элемент DD3 имеет 3 связей с DD7, поэтому разместим элемент DD7 слева от DD3.

Рис. 4.3.1 - Схематическое расположение многовыводных элементов

При использовании более сложных методов можно получить более рациональное размещение, однако полученное расположение КЭ основывается на главных критериях размещения конструктивных элементов на печатной плате. В итоге между соседними элементами возникает наибольшее количество связей, а по печатной плате уже расположены лишь одиночные связи между элементами.

4.4 Конструкторско-технологический расчет ПП

Рассчитаем основные параметры, которые необходимы для изготовления печатного узла.

Расчет параметров контактных площадок

К параметрам контактной площадки относится диаметр монтажного отверстия и контактной площадки.

Расчет диаметра монтажного отверстия выполняется при помощи выражения

(4.4.1)

где - диаметр вывода элемента; - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия; - минимальный зазор между выводом элемента и стенками монтажного отверстия.

Рассчитаем для микроконтроллера ATMEGA8:

Расчет диаметра контактной площадки

мм (4.4.2)

где d_пл - минимальный эффективный диаметр контактной площадки;

h_Ф - толщина фольги (35 мкм);

коэффициент 1,5 учитывает подтравливание печатного проводника в ширину;

коэффициент 0,03 учитывает комбинированный метод изготовления.

, (4.4.3)

где d_max - максимальный диаметр просверленного отверстия в ПП;

b_по. - ширина пояска контактной площадки (0,05 мм);

д_д. - погрешность расположения центра отверстия относительно узла координатной сетки (0,07 мм);

д_р. - погрешность расположения центра контактной площадки относительно узла координатной сетки (0,05 мм).

мм,

где d - номинальный диаметр монтажного отверстия;

Дd - допуск на диаметр отверстия (0,05 мм);

Максимальный размер площадки:

Расчет ширины силовых проводников

Определим минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для шины питание и шины земля:

, (4.4.4)

где I_max - максимально допустимый суммарный ток, протекающий по ШЗ и ШП;

j_доп - допустимая плотность тока для печатных плат с h_Ф=35 мкм, изготовленных комбинированным позитивным методом;

t_пр. - толщина проводника, определяемая по формуле:

, (4.4.5)

где h_Ф - толщина фольги (0,035 мм);

h_ГМ - толщина слоя гальванически осажденной меди (0,055 мм);

h_ХМ - толщина слоя химически осажденной меди (0,0065 мм);

.

Максимально допустимый ток I_max определяется как сумма токов потребления всех ИМС данного печатного узла.

В данной схеме есть следующие микросхемы:

ATMEGA8 (I_max = 100мА), OPA336 (I_max = 20 мА), CD4050 (I_max = 30 мА).

Ширина проводника не должна превышать 0,15 мм по ГОСТу для четвертого класса точности. Наше значение получилось меньше, но если взять стандартное для четвертого класса, это увеличит максимально возможный ток, что даст некий запас. Поэтому толщину проводников примем равной 0,15 мм.

Определим минимальную ширину проводника с учетом допустимого падения напряжения на нем:

, (4.4.6)

где с - удельное сопротивление проводника, изготовленного комбинированным методом (0,0175 );

l_пр. - длина самого длинного печатного проводника на ПП;

U_доп. - допустимое падение напряжения на печатном проводнике(U_доп=5% Е_п):

U_доп=0,05·5=0,25 (В)

Расчет ширины проводников

Минимальная ширина сигнальных проводников определяется при помощи выражения:

(4.4.7)

где - минимальная ширина печатного проводника согласно ГОСТ 23751-86 - толщина медной фольги.

В этой формуле коэффициент 1,5 учитывает подтравливание печатного проводника, а коэффициент 0,03 - особенности изготовления печатных плат комбинированным методом.

Максимальная ширина сигнальных проводников определяется при помощи выражения

озонометр схема датчик интерфейс

(4.4.8)

где - минимальная ширина сигнальных проводников.

Расчет минимального расстояния между проводником и контактной площадкой

Значение минимального расстояния между проводником и контактной площадкой определяется выражением:

 (4.4.9)

где - максимальный диаметр контактной площадки; - погрешность расположения контактной площадки относительно узла координатной сетки на фотошаблоне; - максимальная ширина сигнальных проводников; - смещение печатного проводника относительно координатной сетки.

Расчет минимального расстояния между двумя соседними проводниками

Минимальное расстояние между двумя соседними проводниками определяется выражением:

(4.4.10)

где - максимальная ширина сигнальных проводников; - смещение печатного проводника относительно координатной сетки.

Расчет минимального зазора между двумя соседними контактными площадкам

Минимальное расстояние между двумя соседними контактными площадками определяется выражением:

(4.4.11)

где - максимальный диаметр контактной площадки; - погрешность расположения контактной площадки относительно узла координатной сетки на фотошаблоне.

Все полученные значения удовлетворяют ограничения, поставленные ГОСТом для четвертого класса точности.

Выводы

Проанализировав литературные источники, был сделан вывод, что озонометры, которые используются сегодня, устарели и требуют модернизации. Ознакомившись с аналогами устройства, выяснилось, что они являются довольно большими по габаритам и в них применяется старая элементная база. Таким образом, разработка портативного модуля многоканального тропосферного озонометра с современной элементной базой обосновывает актуальность данного проекта.

Разработана структурная схема прибора, которая определяет принцип действия разрабатываемой системы.

Проведен выбор элементной базы. На основании сравнительной характеристики аналогов установлено, что оптимальным вариантом является использование микросхем ATMEGA8, CD4050 и OPA336. Также выбраны корпуса для многовыводных элементов.

Литература

1. Wayne Richard, «The chemistry of atmospheres», 2000 - 189c.

2. Stevenson et al. Multimodel ensemble simulations of present-day and near-future tropospheric ozone, American Geophysical Union, 2006 - 204 с.

3. Семёнов С.М., Кунина И.М., Кухта Б.А. Тропосферный озон и рост растений в Европе. М., Метеорология и гидрология, 1999 - 325 с.

4. Опасность тропосферного озона [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://infox.ru/science/planet/2008/12/10/ozon_forest_planet.phtml#issueTitle

5. Per Elvingson and Christer Еgren. - «Air and the Environment» 174 pp. Published in March 2004.

6. Алена Купцова, Discovery №02, 2010 - 36 с.

7. Методические указания по производству и обработке наблюдений за общим содержанием озона в атмосфере, Г.П. Гущин, Ленинград, 1981. - 287 с.

8. Характеристика датчиков [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://electrono.ru/elektrotexnicheskaya-apparatura/kratkaya-xarakteristika-datchikov

9. UART - и 1-Wire интерфейсы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://mainloop.ru/avr-atmega/avr-usart-setting.html]

10. Datasheet PIC16F876A, PIC16F886 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://alldatasheets /PIC16F8XXA.html]

11. Datasheet ATMEGA8 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://alldatasheets / ATMEGA8.html]

12. Datasheet SG01S, G1961 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://alldatasheets / UV-PHOTODIODES.html]

13. Интерфейсы связи [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface

14. I²C - интерфейс [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/I % C2% B2C

15. Типы печатных плат [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://pcbfab.ru/index.php? id=2

16. Документ HELP-системы Altium Designer: Getting Started with PCB Design. Tutorial TU0117 (v. 1.4) Nov. 28, 2005.

17. А.А. Соломатникова, «Расчет общего содержания озона», 2009 г. - с. 267.

18. Печатные платы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://vksn.narod.ru/design/pplata.html

19. Патентная модель [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://uipv.org/

20. Медведев А.М. / Технология производства печатных плат Техносфера, 2005 - 246 с.

21. Биологические опасные и вредные производственные факторы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://helper.by/biologicheskie-opasnie-i-vrednie-proizvodstvennie-faktori.html

22. Основи охорони праці: Підручник. 2-ге видання, доповнене та перероблене. / К.Н. Ткачук, М.О. Халімовський, В.В. Зацарний, Р.В. Сабарно. За ред. К.Н. Ткачука і М.О. Халімовського. - К.: Основа, 2006 -448 с.

23. Методичні вказівки до виконання організаційно-економічного розділу дипломних проектів. / А.Т. Чернявський - К.: НТУУ «КПІ», 1999. - 66 с.

24. Методические указания к использования ФСА при разработке программного продукта для студентов ФИВТ специальностей 01.02; 01.02.04; 21.06; 22.01; 22.02 всех форм обучения / Сост. А.Т. Чернявский, Л.В. Швец, В.Ф. Шудра, Л.С. Маевская. - Киев: КПИ, 1990. - 69 с.

25. А.В. Фролов, Аппаратное обеспечение компьютера - М., 1998 - 189 с.

Размещено на Allbest.ru