Датчик пожароопасных ситуаций
Конструирование датчика пожароопасных ситуаций, с помощью которого возможно уменьшение количества пожаров в местах повышенной огнеопасности. Схема применения пироэлектрического датчика в устройстве охранной сигнализации. Расчет параметров печатной платы.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.10.2011 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
30
Министерство науки и образования РФ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедр конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры (КИПР)
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой КИПР,
д.т.н., профессор
В.Н. Татаринов
Пояснительная записка к курсовому проекту
ДАТЧИК ПОЖАРООПАСНЫХ СИТУАЦИЙ
Студент гр. 237-2
И.С. Тен
Руководители
Ю.П. Кобрин
А.А. Чернышёв
2011
Содержание
Введение
1. Задание на курсовое проектирование
2. Анализ технического задания
2.1 Устройство простейшего пироэлектрического датчика
2.2 Конструктивные ограничения
2.3 Технологические ограничения
3. Описание работы прибора
4. Конструкторская часть
4.1 Выбор типа ПП
4.2 Выбор типа электрического монтажа
4.3 Определение параметров ПП
4.3.1 Выбор класса точности изделия
4.3.2 Выбор шага координатной сетки
4.4 Выбор материала ПП
4.5 Выбор корпуса изделия
4.6 Выбор элементной базы
4.6.1 Пироэлектрический датчик ИК-излучения
4.6.2 ЭРЭ и соединители
4.7 Выбор материала припоя и флюса
4.8 Расчёт массы конструкции изделия
4.9 Расчёт частоты собственных колебаний
4.10 Расчёт надёжности изделия
4.11 Расчёт себестоимости изделия
4.12 Выбор способов защиты устройства от дестабилизирующих факторов
4.13 Обеспечение ремонтопригодности
4.14 Обеспечение требований стандартизации, унификации и технологичности конструкции устройства
5. Проектирование ПП с помощью САПР P-CAD 2006
5.1 Размещение ЭРЭ
5.2 Создание топологического рисунка проводящих слоев
5.3 Разработка маркировки
Выводы
Введение
Сегодня уже мало кого удивляет автоматически распахивающаяся перед посетителем дверь учреждения или магазина. В большинстве подобных случаях приближение человека «чувствует» висящий над дверью прибор, снабжённый пироэлектрическим датчикам (приёмником) ИК-излучения. Подобные датчики отличаются высокой чувствительностью, долговечны, просты в эксплуатации. Они находят широкое применение, в том числе в системах охранной и пожарной сигнализации, дистанционных измерителях температуры. [1]
Целью данной конструкторской разработки является создание конструкции датчика пожароопасных ситуаций, с помощью которого окажется возможным уменьшить количество пожаров в местах повышенной огнеопасности. Система предполагает минимальные затраты при проектировании, разработке и производстве. Является необходимым в повседневной жизни человека.
1. Задание на курсовое проектирование
1 Наименование и область применения
1.1 Датчик пожароопасных ситуаций РКФ КП. 425232. 001 применяется в составе блока стационарной РЭА.
2 Основание для разработки
2.1 Задание на курсовое проектирование по курсу «Информационные технологии проектирования РЭС», ТУСУР, кафедра КИПР, 15.11.2010
3 Цель и назначение разработки
3.1 Цель разработки - создание конструкции датчика пожароопасных ситуаций, с помощью которого окажется возможным уменьшить количество пожаров в местах повышенной огнеопасности. Датчик необходимо разработать на основе несущей конструкции (корпус блока) с подробной проработкой печатного узла.
3.2 Разработка должна быть выполнена с применением САПР P-CAD 2006, Solid Works и КОМПАС-3D.
3.3 Изделие предназначено для обнаружения загораний, сопровождающихся появлением электромагнитного излучения, очага пламени, тления или угрозы взрывного процесса и передачи извещения на пульт центрального наблюдения.
4 Источники разработки
4.1 «Радио», Москва, №7 - 2004, А. Сергеев «Пироэлектрические датчики ИК-излучения».
5 Технические требования
5.1 Состав изделия и требования к конструктивному устройству
5.1.1 Печатный узел (ПУ) должен быть выполнен на жесткой двусторонней печатной плате (ПП) и оформлен в виде отдельного блока в покупном (пластиковом) корпусе минимального объёма.
5.1.2 Масса прибора должна быть определена в процессе разработки.
5.1.3 Срок службы изделия - 10000 часов.
5.1.4 Площадь ПП должна быть минимально возможной при заданной электрической схеме. Класс точности проводящего рисунка должен быть установлен в процессе проектирования по ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия».
5.2 Показатели назначения
5.2.1 Ток потребления не более 500 мкА.
5.2.2 Напряжение питания прибора: +5 В.
5.2.3 Диапазон рабочих температур: -25 … +55єС.
5.3 Требования к технологичности
5.3.1 Общая трудоёмкость изделия должна быть минимальной и уточняется в процессе разработки и изготовления макетов. При изготовлении изделия используются типовые технологические процессы.
5.3.2 ПУ должен быть разработан с применением технологии автоматизированного проектирования САПР P-CAD 2006. В ходе проектирования ПУ должны быть проработаны следующие вопросы технологичности конструкции:
а) выбор вариантов установки электрорадиоэлементов (ЭРЭ) с определением габаритных и установочных размеров по ГОСТ 29137-91 «Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы»;
б) определение необходимых диаметров монтажных и переходных отверстий, исходя из условий качественной пайки, минимизация количества типоразмеров отверстий ПП;
в) выбор формы и размеров контактных площадок (КП), исходя из варианта монтажа выводов (планарный или в отверстие) с учётом необходимой площади для получения качественной пайки;
г) определение расстояния между элементами проводящего рисунка, исходя из технологических ограничений (класса точности), электрической прочности и допустимых паразитных ёмкостей;
д) формирование пользовательской библиотеки ЭРЭ проекта;
е) настройка программ САПР P-CAD 2006, автоматизированное формирование конструкторских и технологических документов;
ж) выбор припоя и маркировки ПП и ПУ, корректировка конструкторских документов.
5.4 Требования к уровню унификации и стандартизации
5.4.1 В изделии должны быть максимально использованы покупные составные части, стандартные или унифицированные конструктивные решения.
5.5 Требования к безопасности
5.5.1 Конструкция блока должна соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007.0-75 «Изделия электротехнические. Общие требования безопасности».
5.6 Эстетические и эргономические требования
5.6.1 Компоновка органов управления контроля и настройки, конструкции лицевой панели должна соответствовать современным требованиям эргономики и технической эстетики.
5.7 Требования к составным частям и материалам изделия
5.7.1 Полупроводниковые приборы и ЭРЭ, используемые в изделии, не должны иметь запрета на применение в новых разработках.
5.7.2 Допускается использование импортной элементной базы.
5.8 Условия эксплуатации и хранения
5.8.1 Датчик пожароопасных ситуаций должен стабильно работать при различных внешних воздействиях по ГОСТ 16962-71 «Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний».
5.8.2 Требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению изделия устанавливаются на последующих стадиях разработки.
6 Экономические показатели
6.1 Себестоимость изделия должна быть минимально возможной.
7 Стадии и этапы разработки
7.1 Стадия разработки - технический проект.
8 Порядок контроля и приёмки работы
8.1 На экспертизу и последующую защиту проекта представляется пояснительная записка с полным комплектом конструкторских документов на прибор и его ПУ.
8.3 Материалы проекта проверяются на соответствие настоящему ЧТЗ, ОС ТУСУР 6.1-97, стандартам ЕСКД (в частности, ГОСТ 2.106-96 «Текстовые документы», ГОСТ 2.109-73 «Основные требования к чертежам», ГОСТ 2.413-72* «Правила выполнения конструкторской документации изделий, изготовляемых с применением электрического монтажа», ГОСТ 2.417-91 «Платы печатные. Правила выполнения чертежей», ГОСТ 2.702-75 «Правила выполнения электрических схем», ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции», ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия», ГОСТ 29137-91 «Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы).
8.4 Приёмка (оценка) проекта проводится с учётом качества разработанных конструкторских документов.
2. Анализ технического задания
Анализ частного технического задания (ЧТЗ) проводится в целях выявления схемотехнических, конструктивных, эксплуатационных и технологических требований и ограничений на ПУ. На данном этапе согласуются все требования, предъявляемые к проектируемому устройству.
Поскольку работа изделия основана на использовании ИК датчика, выбор последнего имеет важнейшее значение.
2.1 Устройство простейшего пироэлектрического датчика
Пироэлектрический датчик состоит из пластины пироэлектрика (кристалла), по бокам которого нанесены металлические обкладки, образующие своеобразный конденсатор.
На одну из обкладок нанесено вещество, принимающее электромагнитное тепловое излучение. Излучение вызывает пироэлектрический эффект и напряжение между обкладками растёт, причем строго определённой полярности. Полученное напряжение приложено к участку затвор-исток полевого транзистора, встроенного в датчик. В результате (рис. 1) сопротивление канала транзистора VT1 изменяется. Транзистор VT1 нагружен на внешний нагрузочный резистор (не показан на рис. 1), с которого и снимается сигнал.
Рисунок 1. - Типовая схема пироэлектрического датчика
Резистор R1 служит для разрядки обкладок конденсатора пироэлектрического датчика. Датчики снабжают несколькими чувствительными элементами, соединенными последовательно с чередующейся полярностью. Это позволяется сделать приборы нечувствительными к равномерному фоновому облучению. Пироэлектрический кристалл - довольно инерционный чувствительный элемент.
Для различных электронных систем применяются пироэлектрические датчики с разной спектральной чувствительностью. Спектральная чувствительность датчика формируется за счёт поглощающей способности материала, которым покрыты пластины пироэлектрика. [2]
2.2 Конструктивные ограничения
Изделие, которое необходимо разработать, предусмотрено к эксплуатации в закрытых, проветриваемых помещениях. Конструкция прибора пожароопасных ситуаций не требует специальных средств амортизации, поскольку не предполагается подвергать его сильным механическим нагрузкам. При выборе конструкции изделия необходимо учитывать возможность его крепления на стене или на потолке.
Габаритные размеры ПУ должны быть минимальными, поскольку система предполагает расположение в помещении в качестве охранной сигнализации и не должна обращать на себя внимание. Печатный узел будет крепиться к корпусу винтами или фиксаторами. Оптимальный выбор корпуса изделия следует сделать на этапе конструирования изделия.
Конструкция изделия должна соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ 1.220.070-75, ГОСТ 12.2.007-75 и ГОСТ 12.1.004-91.
2.3 Технологические ограничения
Методы изготовления ПП разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные. В субтрактивных методах в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путём удаления фольги с непроводящих участков. Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. Применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой. [3]
Поскольку данное изделие предусматривает возможность мелкосерийного или серийного производства, рационально остановить выбор изготовления ПП на субтрактивном методе.
При изготовлении двусторонних ПП в радиотехнической и других отраслях отечественной промышленности нашёл широкое применение комбинированный метод. В промышленности достаточно часто распространены оба варианта этого метода: негативный и позитивный, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. При этом негативный метод изготовления ПП все больше уступает место позитивному, основные преимущества которого заключаются в следующем:
1) исключается возможность срыва КП при сверлении отверстий;
2) не требуется применение специальных контактирующих приспособлений при металлизации отверстий;
3) снижается вредное действие химических растворов на изоляционное основание и на прочность сцепления фольги с основанием ПП.
Учитывая данные особенности можно сделать вывод, что для двусторонней ПП лучшим вариантом будет выбор комбинированного позитивного метода изготовления ПП.
3. Описание работы прибора
Датчик пожароопасных ситуаций предназначен для устранения возможных причин возникновения пожара.
Типовая схема применения пироэлектрического датчика в устройстве охранной сигнализации показана на рис. 2.
Рисунок 2. - Схема датчика пожароопасных ситуаций
Конденсаторы С1 и С2 служат для подавления высокочастотных наводок на выводы датчика В1 и должны быть установлены в непосредственной близости от него.
Внутренний полевой транзистор датчика В1 включен по схеме истокового повторителя. Его нагрузка - резистор R1. Колебания напряжения, возникающие на нём при движении нагретого объекта в чувствительной зоне, усиливают два ОУ - DA1.1 и DA1.2. Их общий коэффициент усиления достигает максимума (7500) на частоте 2 Гц, спадая на 3 дБ в частотных точках 0,5 и 5,5 Гц. Однако инерционность самого датчика сдвигает общую полосу пропускания системы датчик-усилитель значительно ниже - до 0,06... 1,2 Гц.
Как только амплитуда сигнала на выходе ОУ DA1.2 превысит 0,8 В, срабатывают компараторы: DA2.1, если выброс напряжения положителен, или DA2.2, если он отрицателен, относительно некоторого значения, близкого к половине напряжения питания (оно определено номиналами резисторов R10 и R12). Выходы компараторов (с открытым коллектором) соединены параллельно, поэтому при срабатывании любого из них изменяется логический уровень на входе микроконтроллера. В результате обработки полученной последовательности импульсов (измерения их длительности, подсчёта числа за определённый промежуток времени) микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал, приводящий в действие исполнительный механизм или узел подачи тревоги. [1]
4. Конструкторская часть
Конструкция датчика пожароопасных ситуаций выполнена в виде функционально законченного блока.
4.1 Выбор типа ПП
ЧТЗ предусматривает использование двусторонней ПП. На этапе анализа ЧТЗ была выбрана технология изготовления ПП - комбинированный позитивный метод. С учётом вышеизложенного для реализации конструкции датчика пожароопасных ситуаций используется двусторонняя ПП с химико-гальванической металлизацией отверстий, изготовленная по методу комбинированной позитивной технологии, характеризующаяся повышенной плотностью сцепления выводов корпусных ЭРЭ с проводящим рисунком платы.
4.2 Выбор типа электрического монтажа
Современную РЭА сложно представить без применения технологии поверхностного монтажа - перехода от монтажа компонентов с выводами в отверстия к поверхностному монтажу безвыводных компонентов в микрокорпусах или компонентов с планарными выводами. Его преимущества по сравнению с традиционными методами очевидны:
1) повышение плотности компоновки;
2) снижение затрат на изготовление ПП;
3) исключение некоторых подготовительных операций при сборке;
4) повышение надёжности межсоединений.
Таким образом, преимущества, которые даёт поверхностный монтаж, неоспоримы - высокая плотность компоновки, улучшение электромагнитной совместимости и др. [5]
4.3 Определение параметров ПП
датчик пожароопасный сигнализация плата
4.3.1 Выбор класса точности изделия
По требованию ЧТЗ изделие должно иметь минимальные габариты, для чего был выбран поверхностный монтаж элементов. Это предполагает высокую плотность монтажа.
ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции» устанавливает пять классов точности ПП в соответствии со значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции. Класс точности формирует, прежде всего, минимально допустимые геометрические размеры элементов посадочных мест ЭРЭ и других элементов ПП (табл. 1), отмеченные на рис. 3.
Таблица 1. Минимально допустимые параметры печатной платы
|
Минимально допустимые геометрические параметры печатных плат |
Класс точности |
|||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
||
|
Ширина проводника |
0,75 |
0,45 |
0,25 |
0,15 |
0,10 |
|
|
Расстояние между проводниками |
0,75 |
0,45 |
0,25 |
0,15 |
0,10 |
|
|
Ширина гарантийного пояска |
0,30 |
0,20 |
0,10 |
0,05 |
0,025 |
Определим класс точности для ПП:
Рисунок 3. - Фрагмент ПП
- поперечный размер проводника на любом участке в плоскости основания;
- расстояние между краями соседних проводников на одном слое ПП;
- ширина гарантийного пояска;
- шаг координатной сетки.
На рисунке 2.1 представлен фрагмент ПП. Это обычная ситуация для плат с высокой плотностью монтажа, когда между двумя КП нужно провести проводник. Исходя из этого рисунка, вычислим необходимый класс точности.
Расстояние примем равное 1,25 мм, примерно будет равен 0,7
, (1)
где 3 - два зазора и один проводник.
Подставив значения в (2.1):
.
Получили приблизительное значение ширины проводника . По полученному значению ширины проводника, из табл. 3.1 выберем класс точности - IV.
Параметры ПП согласно ГОСТ 23751-86 для выбранного класса точности приведены в табл. 2.
Таблица 2. - Влияние класса точности на параметры ПП
|
Минимально допустимые геометрические параметры ПП |
Класс точности IV |
|
|
Ширина проводника |
0,15 |
|
|
Расстояние между проводниками |
0,15 |
|
|
Ширина гарантийного пояска |
0,05 |
4.3.2 Выбор шага координатной сетки
Центры КП выводов ЭРЭ обязательно должны находиться в узлах координатной сетки. Шаг установки выводов ЭРЭ на ПП регламентирован ГОСТ 23.751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции».
Координатная сетка вводится для задания координат центров монтажных и переходных отверстий, КП и других элементов печатного рисунка на поверхности ПП.
Шаг координатной сетки, т.е. расстояние между линиями координатной сетки и его значения (для прямоугольных координат) определены ГОСТ 10.317-79 «Платы печатные. Основные размеры»: 2,5; 1,25; 0,625 и 0,5 мм.
При выборе шага сетки руководствуются следующими соображениями.
1) практически все элементы зарубежного производства;
2) на плату устанавливается многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм (DА1, DA2).
Таким образом, шаг координатной сетки примем равным 1,25 мм.
4.4 Выбор материала ПП
Материал основания ПП выбирается, исходя из электрических характеристик; климатических воздействий; стойкости к механическим и другим внешним воздействиям; типа ПП и предполагаемой технологии изготовления, стоимости.
Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества. Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35 и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5%), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4... 0,5 мкм. [3]
Для создания ПУ датчика пожароопасных ситуаций оптимальным выбором материала ПП является стеклотекстолит фольгированный СФ 2-50. [3]
Характеристики данного материала согласно ГОСТ 10316-78 «Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. Технические условия» представлены в табл. 3.
Таблица 3. - Характеристика материала стеклотекстолит
фольгированный СФ-2-50
|
Вид материала, марка |
Толщина |
Назначение |
Свойства |
||
|
фольги, мкм |
материала, мм |
||||
|
Стеклотекстолит фольгированный СФ-2-50 |
50 |
0,8 … 3 |
ОПП, ДПП |
t=-60 … +105 єС |
Толщину основания ПП примем за 2 мм. [6]
4.5 Выбор корпуса изделия
Выбор корпуса осуществлялся с учётом следующих требований:
1) материал корпуса должен быть легким, пластиковым, т.к. конструкция крепится на потолке или на стене охраняемого помещения;
2) корпус должен иметь специальные лапки для крепления;
3) цвет корпуса - неброский, в пастельных тонях или тёмный.
С учётом вышеизложенного и по требованию ЧТЗ выбран покупной корпус BOX-M52 пластиковый цилиндрический. Цена составляет 180 руб. в розницу.
Конструктивно корпус выполнен в виде цилиндра с крышкой с двумя крепёжными отверстиями. Крышка и основание крепятся друг к другу посредством фиксатора, находящегося на обеих частях корпуса. На основание крепится ПП с помощью винтов и гаек. В зависимости от интерьера помещения цвет корпуса может быть серым или тёмным. Общий вид корпуса и его конструкция приведены на рис. 4.
Рисунок 4. - Конструкция и внешний вид стандартного корпуса
BOX-M52
С учётом выбранного корпуса определен диаметр крепёжных отверстий на ПП и расстояние между ними :
;
.
4.6 Выбор элементной базы
4.6.1 Пироэлектрический датчик ИК-излучения
Для противопожарных систем используются пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 1 (рис. 5).
На графике рис. 5 видно, что датчики с данной характеристикой чувствительны к излучению с длиной электромагнитной волны 4-5 мкм. [2]
Наиболее продвинувшейся в производстве пироэлектрических датчиков является фирма Murata Manufacturing Co (Япония). [2]
Рисунок 5. - Спектральные характеристики пироэлектрических
датчиков
ИК датчик фирмы Murata марки IRA-E420QW1 соответствует требованиям, указанным в ЧТЗ, т. е. он работает в диапазоне длин волн от 4 до 5 мкм, при этом обладает защитой от вибрации и радиопомех. На рис. 6 изображён внешний вид пироэлектрика марки IRA-E420QW1.
Рисунок 6. - Датчик пироэлектрический IRA-E420QW1
4.6.2 ЭРЭ и соединители
Выбор ЭРЭ для реализации сборки ПУ осуществлялся на основе схемы электрической принципиальной изделия. Марка, внешний вид, габаритные размеры и технические характеристики приведены в табл. 4 и табл. 5.
Таблица 4. - Внешний вид и габариты выбранных ЭРЭ
|
Поз. обозначение |
Наименование |
Общий вид |
Габариты |
|
|
В1 |
Датчик пироэлектрический ИК-излучения |
|||
|
С1, С2, С4, С5, С7, С8 |
ЧИП конденсаторы керамические серии GRM общего применения |
|||
|
С3, С6, С9, С10 |
ЧИП конденсаторы электролитические серии СА |
|||
|
DA1 |
Операционный усилитель |
|||
|
DA2 |
Компаратор |
|||
|
R1 - R13 |
ЧИП резистор серии RC общего применения |
|||
|
VD1 |
Диод планарный LL4148 |
|||
|
Х1 |
Клеммник винтовой, 3 - контактный |
Таблица 5. - Технические характеристики выбранных ЭРЭ
|
Наименование |
Технические характеристики |
|
|
Датчик пироэлектрический ИК-излучения |
1) Чувствительность -3,4 мВ; 2) вид спектральной характеристики - 1 (рис. 1.2); 3) напряжение питания - 3 … 15 В; 4) температурный рабочий интервал - -25 … +55 єС; 5) температурный интервал хранения - -30 … +100 єС; 6) число чувствительных элементов - 1; 7) размеры окна в корпусе -? 2,4 мм; 8) вес - 2,5 г.; 9) цена* - 190 руб. |
|
|
ЧИП конденсаторы керамические серии GRM общего применения |
1) Диапазон номинальных емкостей - 0,5 пФ … 10 мкФ; 2) рабочее напряжение - 6,3, 10, 16, 25, 50, 100, 200 и 500 В; 3) тип диэлектрика - от C0G до Y5V; 4) типоразмеры корпусов - 0201 … 2220; 5) вес - 0,6 г., 6) цена* - 1,8 руб. |
|
|
ЧИП конденсаторы электролитические серии СА |
1) Номинальная емкость - 0,1 ч 1500 мкФ; 2) напряжение - 4, 6,3, 10, 16, 25, 35, 50, 63, 100 В; 3) точность - ±20%; 4) диапазон рабочих температур - -40 … +85 єС; 5) вес - 2,5 г.; 6) цена* - 3,2 руб. |
|
|
Операционный усилитель |
1) Число ОУ в одном корпусе - 2; 2) напряжение питания - 3 … 32 В; 3) частота - 1 МГц; 4) температурный диапазон - -0 … +70 єС; 5) тип корпуса SO8 (для поверхностного монтажа); 6) вес - 0,3 г.; 7) цена* - 72 руб. |
|
|
Компаратор |
1) Число компараторов в одном корпусе - 2; 2) тип выхода - с открытым коллектором; 3) время отклика - 1,5 мкс; 4) напряжение питания - 2 … 36 В; 5) ток потребления - 1 мА; 6) диапазон рабочих температур - -40 … +85 єС; 7) тип корпуса - SOP8; 8) вес - 0,3 г.; 9) цена* - 14,24 руб. |
|
|
ЧИП резистор серии RC общего применения |
1) Номинальная мощность - 0,128 Вт; 2) диапазон номинальных сопротивлений - 10 Ом ч 10 МОм, ряд Е24; 3) точность - ±2%, ±5%, ряд Е24; ±1%, ряд К96; 4) температурный диапазон - - 55єС ч +125єС; 5) рабочее напряжение - 200 В; 6) вес - 0.01 г.; 7) цена* - 12 руб. |
|
|
Диод планарный LL4148 |
1) Диод кремниевый эпитаксиальный плоскостной; 2) рабочее напряжение - 100 В; 3) вес 0,05 г.; 4) цена* - 0,7 руб. |
|
|
Клеммник винтовой, 3 - контактный |
1) Сопротивление изолятора - 5 Мом; 2) напряжение диэлектрического пробоя - 2500 В; 3) предельное напряжение - 1500 В; 4) допустимая температура - -30 … +120 °С; 5) материал контактов - медь (CuZn); 6) покрытие контактов - медь, никель, олово; 7) материал винтов - сталь, покрытая цинком и хромом; 8) материал клемм - медь, олово; 9) материал изолятора - полибутилен; 10) покрытие изолятора - тереплен, усиленный стекловолокном. 11) вес - 1,88 г.; 12) цена* - 31 руб. |
* цены указаны в розницу.
Внешний вид ПУ изображён на рис. 7.
Рисунок 7. - ПУ с установленными ЭРЭ
4.7 Выбор материала припоя и флюса
Способ соединения ЭРЭ и интегральных схем (ИС) - пайка. Образующиеся на поверхностях спаиваемых материалов окисные плёнки препятствуют образованию прочного спая. Под воздействием флюсов, которые растворяют тонкие окисные пленки, поверхности спаиваемых материалов хорошо смачиваются припоем, и в результате образуется прочное соединение.
В качестве припоя используется ПОС-61 ГОСТ 21930-76 «Припои оловянно-свинцовые в чушках. Технические условия». Составляющие припоя и их содержание: олово - 60-62%, свинец - 4-38%. Припой предназначен для пайки и лужения выводов ИС и ЭРЭ, ПП, микропроводов, плёночных покрытий, работающих при температуре не выше 100 єС. Для тех ИС и ЭРЭ, которые нельзя нагревать выше определённой температуры и превышать заданное время воздействия этой температуры, применяют местные теплоотводы (пинцеты, плоскогубцы и т.п.).
Флюс существенно ускоряет процесс пайки при минимально возможных температурах. В качестве флюса для изготовления проектируемого изделия выбран флюс ФКТ ГОСТ 19250-73 «Флюсы паяльные. Классификация», содержащий сосновую канифоль, тетрабромиддипситен и этиловый спирт. Данный флюс применяется для пайки и лужения КП и поверхностей в изделиях специального назначения.
После пайки необходимо выполнить тщательную очистку и отмывку узлов и паяных соединений от остатков флюсов и других загрязнений, способных привести к коррозии и снижению сопротивления изоляции диэлектрических материалов. Для этих целей используется горячая проточная вода, смесь бензина с этиловым спиртом, трихлорэтилен и т.п. в специальных вибро- или ультразвуковых установках.
4.8 Расчёт массы конструкции изделия
Масса ПУ складывается из массы ПП и ЭРЭ, установленных на ней
Данные по определению массы ПУ приведены в табл. 6.
Таблица 6. - Вес ПУ
|
Элемент |
Количество, шт. |
Штучный вес, г. |
Общий вес, г. |
|
|
ПП |
1 |
6 |
6 |
|
|
Датчик пироэлектрический ИК-излучения |
1 |
2,5 |
2,5 |
|
|
ЧИП конденсатор керамический |
6 |
0,6 |
3,6 |
|
|
ЧИП конденсатор электролитический |
4 |
2,5 |
10 |
|
|
Операционный усилитель |
1 |
0,3 |
0,3 |
|
|
Компаратор |
1 |
0,3 |
0,3 |
|
|
ЧИП резистор |
13 |
0,01 |
0,13 |
|
|
Диод планарный |
1 |
0,05 |
0,05 |
|
|
Клеммник винтовой 3-контактный |
1 |
1,88 |
1,88 |
|
|
Вес печатного узла |
~ 25 |
Суммарный вес ПУ составляет (25±0,5) г.
Масса изделия складывается из массы корпуса, крепёжных деталей и массы ПУ.
Данные по определению массы датчика пожароопасных ситуаций приведены в табл. 7.
Таблица 7. - Вес изделия
|
Тип элемента |
Количество, шт. |
Штучный вес, г. |
Общий вес, г. |
|
|
ПУ |
1 |
25 |
25 |
|
|
Корпус |
1 |
17 |
17 |
|
|
Винт |
2 |
0,176 |
0,352 |
|
|
Гайка |
4 |
0,337 |
1,348 |
|
|
Шайба |
2 |
0,119 |
0,238 |
|
|
Вес изделия |
~ 44 |
Суммарный вес изделия составляет (44±0,5) г.
4.9 Расчёт частоты собственных колебаний
В процессе эксплуатации ПП в составе ячейки и блока подвергается механическим воздействиям, к которым относятся вибрации, удары и линейные перегрузки. Характерным видом отказов ЭРЭ при вибрационных воздействиях является усталостное (необратимое) разрушение выводов в области изгиба и соединения с КП ПП в результате возрастания механических напряжений. Поэтому, проводя проработку компоновки ячейки РЭА, необходимо обеспечить вибропрочность, виброустойчивость и отсутствие резонанса ЭРЭ в рабочем диапазоне частот.
Расчёт проведён для ячейки, представленной на рис. 8.
Рисунок 8. - Расчётная модель ячейки.
С учётом того, что ячейка равномерно нагружена, частота собственных колебаний равномерно нагруженной пластины определяется по формуле:
, (2)
где - длина пластины;
- ширина пластины;
- цилиндрическая жёсткость:
, (3)
где - модуль упругости для материала платы;
- толщина платы;
- коэффициент Пуассона;
- масса пластины с ЭРЭ, кг;
;
- коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины; определяется по формуле:
, (4)
где - коэффициенты, соответствующие заданному способу закрепления сторон ПП.
Определим частоту собственных колебаний:
,
,
.
Таким образом, собственная частота рассматриваемого элемента конструкции составляет , что значительно превышает частоты действующих на конструкцию вибраций . [7]
4.10 Расчёт надёжности изделия
Расчёт надёжности заключается в определении показателей надёжности РЭА по известным характеристиками надёжности составляющих компонентов (ЭРЭ, ПП, пайка, соединитель) и условиям эксплуатации.
Исходные данные: - заданная наработка на отказ.
Интенсивность отказа элементов с учётом условий эксплуатации РЭА:
, (5)
где - номинальная интенсивность отказов;
- поправочный коэффициент на условия эксплуатации;
- поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов; ; ;
- поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры; ;
- поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха; (нормальное давление).
Тогда .
Влияние температуры при расчёте надёжности учитывают, используя коэффициенты электрической нагрузки и температуру блока.
- поправочный коэффициент в зависимости от температуры и коэффициента нагрузки . Определяется по графикам. [8]
Температуру примем общей для всех ЭРЭ: . Режим электрической нагрузки учитывается коэффициентом нагрузки.
Значения коэффициентов нагрузки и поправочных коэффициентов для ЭРЭ представлены в табл. 8.
Таблица 8. - Значения и
|
Для резисторов |
0,6 |
1 |
|
|
Для конденсаторов |
0,7 |
0,6 |
|
|
Для диодов |
0,5 |
0,6 |
|
|
Дли микросхем |
0,6 |
1 |
|
|
Для датчиков |
0,6 |
1 |
|
|
Для соединителей |
0,6 |
1 |
|
|
Для ПП |
0,6 |
1 |
|
|
Для пайки |
0,6 |
1 |
Значения для используемых в ячейке ЭРЭ приведены в табл. 9.
Таблица 9. - Значения
|
Элемент |
Обозначение |
Номинальная интенсивность отказа |
Количество, шт. |
|
Интенсивность отказа резисторов: ;
Интенсивность отказа конденсаторов:
;
Интенсивность отказа диодов: ;
Интенсивность отказа микросхем: ;
Интенсивность отказа датчиков: ;
Интенсивность отказа соединителей:
;
Интенсивность отказа ПП: ;
Интенсивность отказа пайки: .
Интенсивность отказа системы:
Среднее время наработки на отказ
Расчётное среднее время наработки на отказ превышает заданное время наработки на отказ ячейки . Таким образом, расчётная надёжность ячейки удовлетворяет требованиям ЧТЗ. В случае, если расчётное время наработки на отказ меньше заданного в ТЗ, необходимо провести корректировку электрической принципиальной схемы или заменить типы ЭРЭ, т.к. в противном случае произойдет отказ РЭА. [7]
4.11 Расчёт себестоимости изделия
Расчет себестоимости изделия произведён с учётом розничных цен на элементы и материалы, использованные для разработки изделия. Результаты расчёта приведены в табл. 10.
Таблица 10. - Расходы на ЭРЭ и материалы
|
Тип элемента |
Количество, шт. |
Штучная стоимость, руб. |
Суммарная стоимость, руб. |
|
|
Корпус |
1 |
180 |
180 |
|
|
ПП (Стеклотекстолит фольгированный, двусторонний), 40х45 мм |
1 |
~ 7 |
~ 7 |
|
|
Клеммник |
1 |
31 |
31 |
|
|
Датчик пироэлектрический ИК-излучения |
1 |
190 |
190 |
|
|
ЧИП конденсатор керамический |
6 |
1,8 |
10,8 |
|
|
ЧИП конденсатор электролитический |
4 |
3,2 |
12,8 |
|
|
Операционный усилитель |
1 |
72 |
72 |
|
|
Компаратор |
1 |
14,24 |
14,24 |
|
|
ЧИП резистор |
13 |
12 |
156 |
|
|
Диод планарный |
1 |
0,7 |
0,7 |
|
|
Винт |
2 |
~ 0,07 |
~ 0,14 |
|
|
Гайка |
4 |
0,8 |
3,2 |
|
|
Шайба |
2 |
0,45 |
0,9 |
|
|
Себестоимость изделия |
~ 680 |
Себестоимость изделия составляет ~ 680 руб./шт.
4.12 Выбор способов защиты устройства от дестабилизирующих
факторов
Поскольку данное изделие относится к составу стационарной аппаратуры и предполагает крепление на стену или потолок в закрытом помещении, каких-либо специальных мер защиты от внешних механических, химических или других воздействий не предусмотрено. Достаточной защитой особо чувствительных элементов функционального узла будет являться пластиковый корпус с крышкой. Также не требуется для системы особой защиты от климатических и других видов помех.
4.13 Обеспечение ремонтопригодности
Удобство ремонта обеспечивается тем, что крышка не припаяна к основанию корпуса, а держится на фиксаторах или болтах, что дает возможность устранить неполадки (заменить вышедшие из строя ЭРЭ и др.), не снимая устройство с мест крепления. Замена всего печатного узла также не составляет особых трудностей, поскольку ПП крепится к основанию корпуса винтами.
4.14 Обеспечение требований стандартизации, унификации и
технологичности конструкции устройства
В процессе проектирования и конструирования изделия соблюдены стандарты ЕСКД, выбор конструкторских решений осуществляется в соответствии с ГОСТ. Для производства ПП, нанесения проводящего рисунка используются типовые технологические процессы.
5. Проектирование ПП с помощью САПР P-CAD 2006
Компоновка и создание электрических связей элементов были проведены с использованием САПР P-CAD 2006. Окончательная трассировка были проведены вручную для получения наилучшего результата и во избежание различного рода ошибок системы.
САПР P-CAD 2006 представляет собой комплект взаимосвязанных основных и вспомогательных программ, работающих на персональных компьютерах. Она адаптирована к операционной среде WINDOWS и использует все настройки и возможности последней. Программные средства системы P-CAD позволяют автоматизировать практически весь процесс проектирования РЭА, начиная с ввода схемы электрической принципиальной, ее моделирования, упаковки схемы на ПП, интерактивного размещения ЭРЭ на ПП и автотрассировки соединений, вплоть до получения конструкторской документации и подготовки информации для производства ПП на технологическом оборудовании.
На основании данных ЧТЗ, а также после определения основных параметров ПП (класс точности, габаритные размеры, параметры монтажных отверстий, форма и размеры контактных площадок, размеры сигнальных цепей и т.д.) становится возможным осуществить настройку САПР ПП P-CAD. При настройке P-CAD следует выделить следующие основополагающие параметры и проектные процедуры:
1) размеры ПП и размеры области, доступной для трассировки;
2) шаг координатной сетки;
3) форма и размеры контактных площадок;
4) размеры монтажных отверстий;
5) количество слоев ПП;
6) классы цепей (цепи питания, цепи «Земля», сигнальные цепи и т.п.);
7) ширина печатных проводников для различных классов цепей;
8) допустимые зазоры для каждого слоя ПП;
9) используемые алгоритмы трассировки;
10) возможность прокладки проводников под углом 45є;
11) барьеры для трассировки;
12) правила трассировки;
13) стиль соединения проводников;
14) возможность автоматически генерировать контрольные точки для всех цепей или только для отдельно выделенных. [5]
Сначала формируется библиотека необходимых компонентов. Создание библиотеки начинается с запуска программы P-CAD Library Executive. Затем, в программе P-CAD Symbol Editor создаются УГО элементов электрической схемы в соответствии с требованиями ГОСТ. В редакторе посадочных мест P-CAD Pattern Editor по размерам выбранных ЭРЭ формируются контактные площадки и расстояние между ними. В программе P-CAD Library Executive создаётся полностью укомплектованный элемент электрической схемы, состоящий из УГО и посадочного места.
Объединение выводов УГО и контактных площадок формируется в таблице выводов Pins View. Затем в редакторе схем P-CAD Schematic созданные библиотеки, содержащие нужные ЭРЭ, подключаются к проекту. Выполняется выбор элементов на рабочее поле и соединение выводов проводниками.
С помощью команды Utils/Generate Netlist формируется таблица соединений для последующей работы с редактором печатных плат P-CAD PCB. Полученная и сохранённая таблица соединений позволяется в программе P-CAD PCB после подключения к проекту PCB задействованных библиотек, в несколько секунд получить на рабочем поле посадочные места ЭРЭ схемы и электрические соединения между ними. Затем, на выбор, выполняется трассировка печатной платы: ручная или автоматическая.
5.1 Размещение ЭРЭ
Размещение элементов для поверхностного монтажа проводится аналогично размещению навесных элементов, т.е. сначала размещают входные и выходные контактные площадки, а затем размещают ЭРЭ. Система P-CAD позволяет быстро составить таблицу соединений, а также предлагает варианты автоматической трассировки.
Для поверхностного монтажа центры контактных площадок должны быть расположены в узлах координатной сетки.
Для данного изделия все ЭРЭ, кроме пироэлектрического датчика, используются для поверхностного монтажа. Пироэлектрик устанавливается по ГОСТ 23752-79 п. 4.2.9 (рис. 9).
Рисунок 9. - Установка пироэлектрика на ПП.
Расстояние между осями выводов (центрами выводов) ЭРЭ должно быть не менее шага координатной сетки.
5.2 Создание топологического рисунка проводящих слоев
Прокладка проводников, аналогично размещению ЭРЭ, может проводиться как вручную, так и автоматизированно. Последний способ предпочтительнее, т.к. менее трудоёмок. При грамотной настройке программы-трассировщика и правильно выбранной стратегии разводки проводников удается развести 100% проводников и практически не редактировать печатный рисунок. При трассировке датчика пожароопасных ситуаций процесс автоматической трассировки был применён, но дополнен вручную для более оптимального (эстетически) вида печатного рисунка.
5.3 Разработка маркировки
В соответствии с выбранной технологией изготовления ПП целесообразно маркировку наносить методом травления, т.е. одновременно с нанесением проводников. Кроме того, к достоинствам получения маркировки травлением можно отнести долговечность, отсутствие дополнительных затрат на материалы и достаточно высокую разрешающую способность (не меньшую, чем у элементов печатного рисунка), поскольку данная информация наносится на фотошаблон, сеточный трафарет и т.д. одновременно с формированием рисунка проводников.
Маркировка на ПП наносится краской. Маркировочные краски применяют двух цветов: чёрная и белая. Поскольку белая краска обеспечивает лучшую контрастность на стеклотекстолите, а именно данный материал является основой ПП, для ПУ датчика пожароопасных ситуаций определена белая эпоксидная маркировочная краска ГОСТ 9825-73 «Материалы лакокрасочные. Термины, определения и обозначения».
Внешний вид изделия «Датчик пожароопасных ситуаций» изображён на рис. 10. Для удобства наблюдения установки ПУ на основание корпуса изображён разрез.
Рисунок 10. - Датчик пожароопасных ситуаций - установка ПУ на
основание корпуса
Выводы
Задачей настоящего курсового проекта являлось создание конструкции датчика пожароопасных ситуаций с учётом всех требований и ограничений, предусмотренных ЧТЗ.
Простота схемы электрической принципиальной позволила реализовать систему на односторонней ПП с габаритами 45x40x2 мм. В качестве крепления ПП к основанию корпуса были использованы винты, гайки и шайбы.
Проведённая работа позволила сделать следующие выводы:
1) сконструированное изделие удовлетворило требованиям относительно габаритов, массы и цвета. Корпус представляет собой цилиндр тёмного или серого цвета (по выбору) с ушками для крепления на стене или потолке. Общая масса изделия составляет 44 г.
2) при разработке ПУ были использованы известные в области применения и простые в эксплуатации САПР P-CAD 2006, Solid Works 2006 SPO.0 и Компас 3D V12.
3) при создании ПУ была использована импортная элементная база, допущение на которую указано в п. 5.7 ЧТЗ.
4) произведены необходимые расчёты и сделаны соответствующие выводы;
5) посредством доработки покупного корпуса изделия до конца разработана конструкция прибора.
Результатом работы явилась конструкция датчика пожароопасных ситуаций, представленная на рис. 11.
Рисунок 11. - Датчик пожароопасных ситуаций
Разработанная конструкция датчика пожароопасных ситуаций не является конечным результатом на пути совершенствования. Новейшие технологии в будущем могут позволить модернизировать систему в плане габаритных размеров, более современных ЭРЭ или материалов элементов, более устойчивых к агрессивной внешней среде. Т.е. возможно будет реализовать работу системы не только в помещениях, используя датчик пожароопасных ситуаций в качестве бытовой аппаратуры, но и применять его в профессиональной сфере той или иной области. В частности, уже сейчас возможно применить ОПП вместо ДПП с некоторым изменением конструкции изделия. Данная замена позволит упростить ТП, сократив ряд операций.
В целом, полученные результаты позволяют сделать вывод, что цель, поставленная в ЧТЗ настоящего курсового проекта, достигнута.
Список использованных источников
1. «РАДИО» №7/2004.
2. http://go-radio.ru/piroelectriki.html
3. «Технология и автоматизация производства РЭА» / Под ред. Достанко - М.: «Радио и связь», 1989 - 624 с.
4. А.Т. Жигалов «Конструирование и технология ПП», Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов - М.: «Высшая школа», 1973 - 214 с.
5. Ю.П. Кобрин «Информационные технологии проектирования РЭС» - Томск, ТУСУР, 2006. - 136 с.
6. В.Б. Стешенко «P-CAD Технология проектирования ПП» - С.-П.: «БВХ-Петербург», 2003 - 714 с.
7. Е.В. Пирогова «Проектирование и технология ПП» - М.: «ФОРУМ-ИНФРА-М», 2005 - 562 с.
8. Е.М. Парфёнов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачов «Проектирование конструкций РЭА» - М.: «Радио и связь», 1989 г.
9. А.С. Уваров «P-CAD Проектирование и конструирование электронных устройств» - М: «Горячая линия - Телеком», 2004 - 760 с.
10. http://www.classifier.ru/programs/ok01293_classes.html;
11. http://www.consultant.ru/online/base;
12. http://platan.ru;
13. http://chipdip.ru;
14. http://www.enclosures.pl/katalog_eng.php;
15. http://www.migservice-spb.ru;
16. http://catalog.compel.ru/box/info/BOX-M5220(MASZCZYK).
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Специальные средства обнаружения движения. Разработка функциональной и электрической схем устройства. Характеристики микроконтроллера, кварцевого генератора, ультразвукового сонара. Модернизация пироэлектрического датчика. Изготовление печатной платы.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 11.08.2017Описание электрической принципиальной схемы усилителя сигнала датчика. Разработка конструкции печатной платы: расчет площади, типоразмер и размеры краевых полей. Расчет минимальной ширины проводника. Расчет надежности блока по внезапным отказам.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 07.07.2012Общая характеристика и основные элементы потенциометрического датчика, его достоинства и недостатки. Определение основных конструктивных параметров каркаса и обмотки. Расчет температурного режима датчика. Определение характеристик надёжности работы схемы.
контрольная работа [543,3 K], добавлен 07.02.2013Тензорезистивный датчик давления. Схема тарировки датчика. Проверка влияния электромагнитной помехи на показания устройства. Принципиальная схема зажигания разряда. Уравнение зависимости давления от напряжения на датчике. влияние разряда на показания.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 29.12.2012Разработка и сборка устройства передачи данных по каналу GSM. Принцип измерения расстояния при помощи датчика. Изготовление печатной платы устройства. Основные технические характеристики ультразвукового датчика HC-SR04 и микроконтроллера PIC16F628A.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 10.11.2017Этапы разработки конструкции и технологии изготовления ячейки датчика ускорения емкостного типа. Назначение акселерометра, выбор печатной платы, способы пайки, особенности сборки и монтажа. Функционально-стоимостной анализ ячейки датчика ускорения.
дипломная работа [4,1 M], добавлен 07.12.2011Анализ схемы и конструкции ИК линии связи в охранной сигнализации. Формирование УГО, КТО компонентов библиотеки, Образование их интегрального образа. Упаковка компонентов схемы в корпус. Процедура автоматической трассировки двухсторонней печатной платы.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 08.01.2013Определение требований к источнику питания мостовой схемы (допустимое напряжение и рабочий ток). Требования к коэффициенту усиления согласующего усилителя, к уровню шумов усилителя для обеспечения погрешности. Многопроводная схема подключения датчика.
контрольная работа [174,0 K], добавлен 22.02.2012Этапы разработки печатного узла датчика взлома двери. Обзор аналогов. Обоснование выбора электрической схемы. Расчет надежности, виброустойчивости, теплового режима, и других конструкторско-технологических параметров разрабатываемого устройства.
курсовая работа [521,7 K], добавлен 25.12.2015Методы измерения давления с помощью пьезорезистивного датчика Siemens KPY 43A № 35, определение его калибровочной зависимости и выполнение тарировки. Влияние электромагнитной помехи на показания датчика. Образцовый ртутный манометр, весы рейтерного типа.
контрольная работа [854,3 K], добавлен 29.12.2012
