Блок управления для автоматизированной системы проверки межблочного монтажа

Рисунок 5.9 - Цоколёвка выводов MAX232A и схема включения

Как известно, современные компьютеры, в частности ноутбуки, активно избавляются от обязательных ранее последовательных портов, наиболее простых в использовании для программирования и отладки микропроцессорных устройств. Им на смену идут быстрые и совершенные USB-интерфейсы.

USB шина обеспечивает простое подключение большого числа устройств, допуская коммутации и включение/выключение устройств при работающей системе. Также поддерживает технологию PnP (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний.

Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0):

Низкая скорость (Low Speed - LS) - 1.5 Мбит/с;

Полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;

Высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.[12]

Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D-, общий провод.

Компания Silicon Laboratories предлагает лучший на сегодняшний день интегральный преобразователь интерфейса USB 2.0 в UART микросхему CP2102 с возможностью обмена данными на скоростях от 300 бит/с до 1 Мбит/с.

CP2102 содержит 1024 байт встроенной EEPROM-памяти для хранения служебной информации, буферы приемника (576 байт) и передатчика (640 байт), встроенный кварцевый тактовый генератор, LDO-стабилизатор для непосредственного питания от шины USB, соответствующие трансиверы. Полностью поддерживается интерфейс Full-Speed USB 2.0 (до 12 Мбит/с).

Входящий в состав CP2102, асинхронный последовательный приемопередатчик UART обладает расширенными возможностями, поддерживает все стандартные для UART форматы данных, т. е. может работать с длиной передаваемых данных от 5 бит до 8 бит с 1-2 стоповыми битами. Промышленный температурный диапазон от -40°C до +85 °C. На рисунке 5.10 Общий вид и схема включения микросхемы CP2102.

Рисунок 5.10 - Общий вид и схема включения микросхемы CP2102

Назначение выводов:

USB M - вывод линии передачи данных (положительная);

USB P - вывод линии передачи данных (отрицательная);

VBUS - вывод должен быть подключен к выводу питания USB;

VDD - вывод напряжения питания;

GND - земля;

VRGN - вывод является входом к стабилизатору напряжения на микросхеме;

TxD - асинхронный вывод данных (передача по UART);

RxD - асинхронный ввод данных (прием по UART);

RST - вход сброса устройства. [10]

Для защита внешних и внутренних линии передачи данных используем микросхему фирмы STMicroelectronics USB6B. Она защищает две входные линии против перенапряжения. Кроме того, это устройство также поддерживает напряжение питания в безопасном интервале, благодаря встроенным защитным диодам.



Преимущества:

обеспечивает защиту для каждой линии, а также между напряжением питания и GND;

высокий уровень защиты ESD;

разделенные входы и выходы для уменьшения ESD чувствительности.

На рисунке 5.11 изображена функциональная диаграмма USB6B.

Рисунок 5.11 - Функциональная диаграмма USB6B

При подключении к компьютеру внешних устройств, использую интерфейс RS232, желательно иметь гальваническую развязку компьютера и подключаемого устройства, так как каждое из подключаемых устройств обычно имеет свой собственный блок питания, поэтому обычно в таких случаях требуется гальваническая развязка, функции которой - разрыв общей "земляной" цепи, защита всей системы от высоковольтных переходных процессов, уменьшение помех и искажений сигналов, а также увеличение степени электробезопасности.

Есть множество способов реализации гальванической развязки интерфейса RS232. Самой большой популярностью пользуется оптронная развязка, когда оптроны одновременно служат и для преобразования уровней, и для получения развязки. Но такой способ обладает рядом недостатков: быстродействие оптронов часто оказывается недостаточным, а однотактный выход такого передатчика не может работать на длинную линию. Самым надежным решением является применение DC-DC преобразователя. В рамках данного дипломного проекта был выбран DC-DC преобразователем TES2N фирмы Traco Power мощностью 2 Ватта в корпусе для поверхностного монтажа (преобразователи постоянного входного в постоянное выходное напряжение). Данная модель является миниатюрным гибридным устройством, обеспечивающим гальваническую развязку первичной и вторичной цепей, помещен в низкопрофильные корпуса для поверхностного монтажа и занимает всего 3 см2 поверхности печатной платы. Имеет расширенный диапазон входных рабочих напряжений. На рисунке 5.12 изображены общий вид и схема включения микросхемы TES2N- 0511.

Рисунок 5.12 - Общий вид и схема включения микросхемы TES2N-0511

Для развязки линий передачи данных можно использовать цифровые изоляторы iCoupler. Это такие устройства гальванической развязки на основе трансформаторов, выполненных на кристалле кремния; эти трансформаторы играют ту же роль, что и пара светодиод/фотодиод в оптопаре. Планарный трансформатор изготовлен в ходе технологического процесса КМОП на этапе металлизации и имеет ещё один дополнительный слой осажденного золота. Одну "обмотку" трансформатора от другой изолирует слой электрически прочного синтетического полимера (полиимида). Эти две "обмотки" подключены к быстродействующим КМОП-схемам, которые обеспечивают интерфейс между трансформатором и внешними сигналами. Микроэлектронная технология дает возможность с минимумом затрат осуществить интеграцию нескольких каналов цифровой изоляции и других электронных схем в одном корпусе. Устройства iCoupler не имеют таких присущих оптопарам недостатков, как неопределенный коэффициент передачи тока, нелинейная передаточная функция и дрейф (температурный и временной); кроме того, устройство iCoupler позволяет уменьшить энергопотребление на 90% и для его работы не требуется внешних драйверов и дискретных компонентов.

Основой изолирующей технологии iCoupler служат трансформаторы на кристалле, которые формируются по КМОП-технологии в процессе изготовления полупроводниковой пластины. Каналы iCoupler могут быть встроены как недорогие функциональные узлы в разнообразные полупроводниковые устройства. Работа изолирующего устройства iCouper показана на рисунке 5.13.

Рисунок 5.13 - Работа изолирующего канала iCouper

Наиболее многочисленная группа устройств, в которых используется технология iCoupler - это цифровые изоляторы (digital isolators). Они предназначены для построения гальванически развязанных линий передачи цифровых сигналов. Как на входах, так и на выходах этих устройств не требуется дополнительных балластных или нагрузочных резисторов или каких-либо других деталей.

Фирма Analog Devices выпускает цифровые изоляторы iCoupler в разных исполнениях. В первую очередь, можно отметить, что большинство моделей выпускается в двух-трех вариантах, отличающихся быстродействием. При этом самая медленная версия может стоить вдвое дешевле, чем самая быстрая. Этим Analog Devices выгодно отличается от производителей аналогичной продукции [13], которые выпускают свои изделия только в одном исполнении, с максимальной скоростью и, соответственно, стоимостью. Выберем ADuM3442CRWZ четырехканальный, двунаправленный (2+2), высокоскоростной цифровой электромагнитный изолятор серии icoupler. На рисунке 5.14 изображена функциональая схема ADuM3442CRWZ.

Основные технические характеристики:

Скорость передачи данных: до 150 Мбит/с ;

Диапазон напряжений питания: 3...5.5 В;

Диапазон рабочих температур: -40°C...+105°C;

Низкое энергопотребление;

Двунаправленная связь;

Преобразователь напряжения - 3 В /5В;

Ослабление синфазного сигнала (CMR) - 25 кВ/мкс (мин.);

Точные временные характеристики.

Рисунок 5.14 - Функциональная схема ADuM3442CRWZ

Назначение выводов:

VDD1 - напряжение питания для первой части изолятора;

VDD2 - напряжение питания для второй части изолятора;

GND1 - земля для первой части изолятора;

GND2 - земля для второй части изолятора;

VIA, VIB, VIC, VID - логические входы A,B,C и D соответственно;

VOA, VOB, VOC, VOD - логические вsходы A,B,C и D соответственно;

VE1 - разрешение выхода. Вывод VOD включается, когда VE1 «1» или разъединен, VOD отключается когда VE1 «0»;

VE2 - разрешение выхода. Выводы VOA, VOB и VOC включаются, когда VE2 «1» или разъединен, отключаются когда VE2 «0». [10]

Для выбора интерфейса обмена данными между АКМ и ПЭВМ будем использовать мультиплексор SN74LS257DM фирмы ON Semiconductor. Это мультиплексор с двумя входами, тремя логическими состояниями. Может выбирать четыре битами данных между двумя источниками, используя ввод выбора общих данных. На рисунке 5.15 представлена цоколёвка выводов мультиплексора.

Рисунке 5.15 - Цоколёвка выводов SN74LS257

Назначение выводов:

S - вывод выбора данных;

I0a, I0b, I0c, I0d - входы для 4 битов от первого источника;

I1a, I1b, I1c, I1d - входы для 4 битов от первого источника;

Za, Zb, Zc, Zd - пины выходы;

Vcc - напряжение питания;

GND - земля. [9]



5.4 Принципиальная схема БУ

Рисунок 5.16 - Принципиальная схему БУ

На рисунке 5.16 представлена принципиальная схему БУ. Рассмотрим ее работу. Если сигнал S, поступающий на мультиплексор DD5, равен 1, то выбирается режим передачи данных по интерфейсу RS232. С ПЭВМ на интерфейсный преобразователь DD3 поступает сигнал RxD. После DD3 сигнал проходит через цифровой изолятор DD4, полученный сигнал 2 поступает на микроконтроллер DD7. Если же сигнал S=0, то выбирается режим передачи данных по USB. Тогда на микроконтроллер DD7 поступает сигнал с порта USB ПЭВМ, предварительно пройдя через мостовой выпрямитель DD1, интерфейсный преобразователь DD2 и цифровой изолятор DD4.

Микроконтроллер формирует управляющие сигналы платами дешифраторов K1п…K5п, К1..К21, DH1…DH4, платой измерения D01..D07, АЦП СS, CSLK.

C платы измерения на АЦП DD6 поступает аналоговый сигнал 1. На выходе получается сигнал SDATA, поступающий на DD7. C DD7 сигнал проходит через DD4 и в зависимости от выбранного интерфейса через соответствующий интерфейсный преобразователь DD1 или DD2. И затем сигнал TxD поступает либо на COM порт, либо на USB порт ПЭВМ.

На источнике опорного напряжения DA1 формируется из сигнала +15B сигнал +5ref, поступающий на DD6. На преобразователе напряжения DA2 формируется из сигнала +5V из сигнала +5V1, поступающий на DD3 и DD4.

5.5 Анализ составляющих погрешности

Погрешности средств измерения делятся на основные и дополнительные. Под основными понимают погрешности измерительных устройств при нормальных условиях эксплуатации, значения которых определены нормативно-технической документацией на данное средства измерения. Суммарная погрешность БУ складывается из погрешности аналого-цифрового преобразователя и источника опорного напряжения. [21]

Расчёт погрешности АЦП.

В схеме используется 14-разрядное АЦП. Неточность его обусловлена погрешностью цифрового преобразования, равного шагу квантования и нелинейностью преобразования. Погрешность квантования:

,

где N - число разрядов АЦП. Для нашего АЦП N = 14, поэтому:

Расчёт погрешности источника опорного напряжения.

Под действием температуры изменяется значение опорного напряжения микросхемы REF195 (Uоп = 5В).

- изменение опорного напряжения при ,

- изменение температуры окружающей среды в рабочих условиях эксплуатации прибора, тогда .

Относительная погрешность опорного напряжения, возникающая из-за изменения температуры окружающей среды, составит:

Таким образом, суммарная погрешность БУ составит:

5.6 Расчёт надёжности

При эксплуатации электронной аппаратуры важное значение приобретают вопросы надежности. Под надежностью электрорадиоэлемента или устройства понимается их свойство выполнять заданные функции. Каждое отклонение от установленных параметров прибора или элемента является неисправностью.

Отказ прибора может быть обусловлен двумя причинами: отказом одного важного в функциональном отношении элемента или неисправностью многих элементов, которые при совместном воздействии приводят к отказу прибора. Во втором случае точное суждение о том, имеется ли отказ прибора, часто затруднено, так как функционирование прибора может принципиально сохраняться, и только в определенный промежуток времени возникает потеря работоспособности.

Надежность - это свойство изделия выполнять все заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах [ГОСТ 27.002-83]. Надежность - это физическое свойство изделия, которое зависит от количества и качества входящих в него элементов, от условий, в которых оно эксплуатируется (чем выше температура окружающей среды, чем больше относительная влажность воздуха, перегрузки при вибрации и т. д., тем меньше надежность), и от ряда других причин.

Надежность в зависимости от назначения изделия может включать в себя такие понятия (свойства), как безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и другие в отдельности или в определенных сочетаниях.

Для повышения надежности применяют следующие меры:

резервирование - применение дополнительных средств или возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов;

простота конструкции;

надежная защита несущих конструкций и комплектующих элементов от воздействия внешней среды и внутренних перегревов;

теоретические расчеты уровня надежности разрабатываемой РЭА, которые должны быть подтверждены экспериментальными данными;

проведение всесторонних испытаний образцов, подтверждающих полную работоспособность изделия при различных воздействиях окружающей среды.

Показателями надежности элементов и приборов являются: интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, среднее время безотказной работы, период нормальной эксплуатации, долговечность. Эти величины не имеют постоянного значения и находятся в сильной зависимости от условий и длительности эксплуатации.

Основным математическим алгоритмом, используемым при расчёте надёжности, является теория вероятности и математическая статистика.

Для расчёта надёжности используем приближённый метод расчёта, где имеется ряд допущений:

интенсивности отказов элементов постоянны и равны средним значениям интенсивностей отказов за срок службы системы;

справедлив экспоненциальный закон распределения времени работы элементов до отказа;

отказы элементов взаимонезависимы;

надёжность использования элементов соответствует справочным данным.

Общая интенсивность отказов вычисляется по формуле:

где - число i-х элементов,

- интенсивность отказов элементов в нормальных (лабораторных) условиях эксплуатации [].

В процессе эксплуатации элементы подвергаются воздействию различных факторов внешней среды: влажности, температуры, давления, вибрации, ударов и других, влияние которых в количественном отношении пока еще мало изучено. При ориентировочном расчете надежности суммарное влияние перечисленных факторов учитывают с помощью поправочных коэффициентов k1 и k2, зависящих от воздействия механических факторов, k3 поправочного коэффициента, зависящего от влажности и температуры и k4, зависящего от давления воздуха. Интенсивность отказов элементов i-го типа в этом случае:

Таким образом, общая интенсивность отказов вычисляется по формуле:

Учтём влияние паек, увеличив общую интенсивность отказов на 15%:

Среднее время работы до отказа вычисляется как:

Вероятность безотказной работы P(t) вычисляется по формуле:



По этой формуле мы можем построить график зависимости P(t).

Рабочие условия эксплуатации прибора заданы в ТЗ. В соответствии с ними выбираются поправочные коэффициенты.

Коэффициенты влияния механических воздействий при лабораторных условиях:

коэффициент, зависящий от вибрации ;

коэффициент, зависящий от ударных нагрузок .

Поправочный коэффициент влияния влажности и температуры:

при и относительной влажности воздуха (45-80)%.

Коэффициент, зависящий от давления:

при атмосферном давлении (84.0-106.7)кПа.

Таблица 5.1 - Интенсивность отказов элементов.

Наименование элемента
Микроконтроллер Atmega 64	1	0.042	0.042
Микросхема REF195GS	1	0.04	0.04
Микросхема TES2N-0511	1	0.03	0.03
USB6B1	1	0.02	0.02
CP2102GM	1	0.4	0.4
Микросхема MAX232CSE	1	0.0036	0.0036
Микросхема ADuM3442CRWZ	1	0.1	0.1
Микросхема SN74LS257DM	1	0.02	0.02
Светодиод L305S-R	3	0.01	0.03
Джампер MJ-C-6.47	2	0.0005	0.001
Индуктивность LQM21NNR68K	2	0.02	0.04
Резистор 0805-0.125-10 кОм±5%	2	0.015	0.03
Резистор 0805-0.125-680 Ом±5%	1	0.015	0.015
Резистор 0805-0.125-3 кОм±5%	2	0.015	0.03
Резистор 0805-0.125-680 Ом±5%	1	0.015	0.015
Резистор 0805-0.125-2.2 кОм±5%	2	0.015	0.03
Конденсатор 0805-X7R-50В-0.1мкФ±10%	1	0.01	0.01
Конденсатор танталовый 16В - 100 мкФ	4	0.01	0.04
Конденсатор 0805-X7R-50В-47 пФ±10%	2	0.01	0.02
Конденсатор 0805-X7R-50В-0.1мкФ±10%	19	0.01	0.19
Конденсатор 0805-X7R-50В-1 мкФ±10%	1	0.01	0.01
Конденсатор 0805-X7R-50В-0.47 мкФ±10%	1	0.01	0.01
Конденсатор 0805-X7R-50В-22 пФ±10%	2	0.01	0.02
Конденсатор танталовый 16В - 47 мкФ	2	0.01	0.02
Стабилитрон BZV55-5V6	1	0.1	0.1
Вилка CWF-8	2	0.011	0.022
Вилка IDC-10MS	1	0.011	0.011
Вилка ГРПМШ-1-61ШУ2-В	1	0.011	0.011

Таким образом, согласно (5.5) общая интенсивность отказов при номинальных условиях будет равна:

С учётом условий эксплуатации согласно (5.8):



С учётом влияния паек (5.9):

Среднее время работы до отказа будет равно (5.10):

Теперь с помощь пакета для математических расчётов MathCAD построим график зависимости P(t) согласно (5.11).

Рисунок 5.17 - Вероятность безотказной работы БУ системы АКМ



6. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

В рамках данного дипломного проекта было написано программное обеспечение для микроконтроллера. Общий алгоритм работы устройства, приведенный на рисунке 6.1, включает в себя следующие этапы:

1. Запрет прерываний. Ограждает работу микроконтроллера от внешних управляющих сигналов до завершения инициализации периферии.

2. Отключение всех источников опорных напряжения перед началом работы устройства.

3. Инициализация микроконтролера.

4. Разрешение прерываний. Разрешает взаимодействие микро-контроллера с ПЭВМ и АЦП.

5. Установка начальных значений, обнуление флагов и таймеров.

6. Ожидание команды от ПЭВМ

7. Вызов подпрограммы «проверка».

8. Передача полученного результата на ПЭВМ для дальнейшего анализа.

8. Повторение пунктов 6, 7 и 8.

9. Завершение работы устройства.

Подпрограмма «проверка» анализирует принятую команду с ПЭВМ и выполняет соответствующие каждой команде действие (рисунок 6.2). Доступно 4 команды: Режим проверки целостности монтажа напряжением 5В по четырех проводной системе; Режим проверки целостности монтажа напряжением 5В по двух проводной системе; Режим проверки сопротивления изоляции напряжением 100В; Отключение всех режимов.

На рисунках 6.3, 6.4 и 6.5 представлены алгоритмы работы каждого из режимов. Текст программы приведен в приложении А.



Рисунок 6.1 - Общий алгоритм работы устройства.

Рисунок 6.2 - Алгоритм работы подпрограммы «Проверка»



Рисунок 6.3 - Алгоритм работы подпрограммы «Проверка напряжением 5В по 4x проводной системе»



Рисунок 6.4 - Алгоритм работы подпрограммы «Проверка напряжением 5В по 2x проводной системе»



Рисунок 6.5 - Алгоритм работы подпрограммы «Проверка напряжением 100В»

7. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОБЩЕГО ВИДА УСТРОЙСТВА

7.1 Конструирование печатной платы

Для дальнейшей разработки системы нужно разработать печатную плату, для чего необходимо по известным параметрам выбрать наиболее подходящий тип электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Таким образом при выборе типов электрорадиоэлементов исходят из требований ТЗ и принципов работы схемы, из которых определяющими являются:

номинальные значения, мощность, рабочее напряжение элементов, приведенных в схеме;

условия эксплуатации изделия;

технические требования к конструкции изделия;

требования стандартизации;

экономичность конструкции.

На основе данных требований следует придерживаться следующих рекомендаций.

Необходимо применять в первую очередь стандартные и унифицированные элементы, а также другие изделия массового или серийного производства. Стандартные элементы выбираются по данным официальных справочников.

Выбор ЭРЭ производится путем сопоставления технических условий на них с условиями применения элементов в изделии. При выборе элементов следует придерживаться предельных значений параметров окружающей среды. При предельных температурах не должны происходить необратимые изменения параметров элементов, а также сами материалы ЭРЭ не должны разрушаться.

После выбора элементы и материалы изменяются, крепятся и соединяются в необходимые последовательности по заранее запланированному алгоритму. Сложный комплекс действий оборудования и исполнителей по преобразованию исходных материалов в готовое изделие называется технологическим процессом (ТП) изготовления радиоаппаратуры. Построение технологического процесса предприятия и его оснащенность определяются количеством выпускаемых изделий. В зависимости от количества выпускаемых изделий различают единичное, серийное и массовое производство.

Обычно разработку единичных ТП сборки и монтажа нового изделия сводят к поиску классификационного типа, к которому это изделие можно отнести, и выбору необходимого числа и рациональной последовательности типовых операций из имеющегося состава. При этом может возникнуть необходимость в разработке оригинальных операций, отсутствующих в типовом ТП. Эти операции должны постоянно пополнять банк известных технологических решений.

При единичном производстве стремятся к максимальной интеграции производственного процесса, так чтобы как можно большее количество операций производилось на одном рабочем месте при использовании труда высококвалифицированных рабочих.

Сборку печатных узлов системы проверки монтажа будет производить высококвалифицированный монтажник, т.к. применение автоматизированной сборки неприемлемо в условиях данного типа производства. Установка ЭРЭ будет производиться по сборочному чертежу печатной платы.

В данном дипломном проекте разрабатывается плата управления. Конструирование печатной платы производится по ранее разработанной принципиальной схеме в программе P-CAD.

Первым этапом является создание элементов принципиальной схемы в Symbol Editor и Pattern Editor на основе информации из справочников. Затем необходимо при помощи Library Executive скомпоновать соответствующие элементы из Symbol и Pattern Editor. В PCB компоненты соединяются в соответствии со схемой, и производится трассировка. [18]

При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя, критерий числа слоев, критерий материала основания. Помимо главных критериев, должны учитываться вспомогательные, которые служат для проверки и уточнения, с несложной коррекцией конструкции, выбранных по главным критериям решений. К вспомогательным критериям относятся электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоемкости изготовления, по безотказности, ремонтопригодности и др.

Выбор габаритов печатной платы (длина, ширина) связан с разбиением печатной платы на функционально законченные части. Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ10317-79, который предъявляет следующие требования к печатным платам:

- необходимо разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы с отношением сторон не более 3:1 и размерами любой стороны не более 470 мм;

- увеличение размеров печатной платы ведет к повышению погрешностей при их изготовлении. Отклонение от прямоугольной формы, и наличие вырезов увеличивают трудоемкость изготовления;

- коробление печатных плат происходит вследствие слоистой структуры основания, содержащего диэлектрические и проводящие слои, расширение которых при нагревании и сжатие при охлаждении различно. Чем больше длина платы, тем коробление значительнее, т.е. больше опасность обрыва проводников, замыкания, отрыва паяных контактов при температурных деформациях. Температурные деформации относятся к медленно действующим механическим деформациям. Динамические деформации в результате вибрационных и ударных перегрузок и линейных ускорений, передаваемых на печатную плату от объекта, на котором установлено изделие, также уменьшаются с уменьшением размера печатной платы;

- ухудшение теплоотвода из центра платы, протекающего по механизму теплопроводности, наблюдается с увеличением размеров печатной платы. [20]

С учетом выше изложенных соображений, была произведена компоновка схемы. На рисунке 7.1 представлен сборочный чертёж платы управления, а на рисунках 7.2 и 7.3 - верхний и нижний слои печатных проводников.

Рисунок 7.1 - Сборочный чертёж платы

Рисунок 7.2 - Верхний слой печатных проводников



Рисунок 7.3 - Нижний слой печатных проводников

7.2 Конструирование общего вида прибора

Конструирование - это процесс выбора и отражения в технических документах структуры, размеров и формы, материалов и внутренних связей проектируемого устройства. Именно от конструкции устройства в значительной степени зависит качество и эффективность использования аппаратуры, ее надежность и функциональные возможности, стоимость производства и эксплуатации.

При проектировании данного устройства, которым будет управлять оператор, необходимо учитывать комплекс требований, отражающих особенности человека-оператора. Этот комплекс включает в себя:

антропометрические показатели (определяют соответствие изделия форме и размерам тела человека);

физиологические показатели (определяют соответствие изделия основным силовым, скоростным, зрительным и другим возможностям человека);

психологические показатели (определяют возможности человека по восприятию и переработке информации);

гигиенические показатели (определяют внешние условия, в которых работает оператор - освещенность рабочего места, температура, шумы, вибрация и другие).

Выбор материала для деталей является важной задачей, так как в большинстве случаев детали можно создать либо из различных материалов, либо из сложных совокупностей.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов:

материал является основой конструкции, то есть определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических факторов;

материал определяет технологические характеристики детали, так как обрабатывается определенными технологическими методами;

материал влияет на габариты и массу прибора. Использование алюминиевых сплавов может дать сокращение массы в 3-5 раза при полном удовлетворении требований к прочности и жесткости;

материал оказывает влияние на эксплутационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность. Детали, выполненные из стойких к окислению материалов, в определенных условиях могут эксплуатироваться годами.

Основными материалами для создания конструкции данного устройства в условиях мелкосерийного и единичного производства являются стали и алюминиевые сплавы. Применение пластмасс в мелкосерийном производстве экономически не оправдано из-за сложности и высокой стоимости изготовления прессформ, а так же из-за необходимости заземления корпуса устройства. В качестве материала, из которого изготовлен корпус устройства, возьмем материал, обеспечивающий статическую прочность, сталь марки СТ0, которая находит широкое применение при изготовлении оборудования. В конструкции устройства отсутствуют элементы, изготовленные из легко воспламеняющихся и токсичных материалов.

По мере усложнения аппаратуры возрастает роль дизайна в конструкции: он не только позволяет создать эстетически совершенное, удобное, экономичное и эффективное в потреблении устройство, но и непосредственно связан с его эксплуатационной надежностью.

Теоретическую основу дизайна составляет техническая эстетика, а практической реализацией является художественное конструирование изделий, обладающих эстетическими свойствами и предназначенных для непосредственного использования человеком.

Подгруппа эргономики (ГОСТ 16035-81) характеризует систему человек - машина и содержит два основных требования: антропометрические и психофизиологические. Психофизиологические требования характеризуют соответствие конструкции физиологическим свойствам человека.

Эстетическая подгруппа требований (ГОСТ 23852-79) включает в себя четыре основных требования к внешнему виду конструкции устройства: выразительность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство производственного исполнения.

При цветовом оформлении устройства учтено его назначение и климатические условия в соответствии с требованиями технической этики, предъявляемые к аппаратуре в целом.

Общее число различных по цвету надписей и символов на лицевых панелях не превышает трех. Надписи выполнены максимально кратко без искажения информации в соответствии с ОСТ4ГО.054.205У1. Основной цвет надписей черный, что обеспечивает выразительность и гармоничность цветового решения. Основные и вспомогательные надписи выполняются прямым шрифтом. Надписи и символы выполняются офсетной печатью, шелкографией. Для устранения возможности неправильного подключения кабелей все разъемы имеют специальную маркировку согласно схеме подключения.

Лицевая панель устройства является не только средством технического взаимодействия человека с аппаратурой, но и объектом эстетического восприятия. [19]

На лицевой панели системы располагаются четыре разъёма «X1», «X1» и «X3», «X4» для подключения проверяемого изделия и кнопка включения питания. Лицевая панель системы представлена на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 - Лицевая панель прибора

Вид сверху со снятой крышкой представлен на рисунке 7.5. Конструктивно система выполнена в виде прибора настольного типа. Его габаритные размеры 483450175 (длинаширинавысота).



Рисунок 7.5 - Вид сверху



8. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

В данном дипломном проекте разрабатывается автоматизированная система проверки монтажа разъемов корпуса изделия, то есть прибор, позволяющий автоматизировать действия человека. С одной стороны, это сократит затраты времени на контроль монтажа изделия, но, с другой стороны, сделает неизбежным влияние вредных и опасных факторов, как на стадии проектирования прибора, так в процессе его использования. Поэтому необходимо учитывать влияние этих негативных воздействий при организации труда. Задачи охраны труда необходимо решать наравне с производственными задачами, уделяя им большое внимание. Организация и улучшение условий труда на рабочем месте является одним из важнейших резервов роста производительности труда, а также важным резервом развития самого человека.

В рамках представленного дипломного проекта будет рассмотрена нормализация микроклимата в помещении при работе оборудования (реализации проектируемой технологии).

8.1 Анализ условий труда на рабочем месте оператора ПЭВМ

Анализ условий труда заключается в определении явлений, по разному влияющих на человека: благоприятно, не создавая угрозы здоровью, и неблагоприятно, когда такая угроза возникает. Неблагоприятные условия отожествляются с опасностью. Потенциальная опасность является одним из качеств любой деятельности.

По данным исследований труд пользователей ПЭВМ и видеодисплейных терминалов (ВДТ) относится к психическим формам труда с высокой степенью нагрузки. Данный вид деятельности помимо напряжённого нервно-эмоционального характера, повышенного воздействия на зрительный анализатор, недостатка подвижности и физической активности сопровождается влиянием на оператора ПЭВМ большого количества опасных и вредных факторов. Для оптимизации условий труда

пользователя с целью сохранения его здоровья и работоспособности необходимо выявить опасные и вредные факторы применительно к конкретной обстановке, оценить их значимость и возможные неблагоприятные последствия с учётом условий эксплуатации ПЭВМ и вида выполняемой работы.

В настоящее время общепринятой является классификация опасных и вредных факторов, которые согласно ГОСТ 12.0.003-74* по характерным видам воздействий, оказываемых на организм человека, подразделяются на:

физические;

химические;

биологические;

психофизиологические.

Физические факторы - это повышенные уровни переменного электромагнитного и электростатического полей; повышенный уровень статического электричества; повышенный уровень низкоэнергетического (мягкого рентгеновского) ионизирующего излучения; повышенные уровни ультрафиолетового и инфракрасного излучения; слабая освещённость рабочей зоны; нестабильность изображения; повышенный уровень шума; ненормальные температура и влажность.

К группе химических опасных и вредных факторов относится ряд веществ и соединений, которые могут оказывать разнообразные негативные воздействия на организм человека. Наличие химических факторов в помещениях с ПЭВМ в основном обусловлено широким применением полимерных и синтетических материалов. Кроме того, технология производства ПЭВМ предусматривает применение покрытий на основе лаков, красок, пластиков. При работе ПЭВМ нагреваются, что способствует увеличению концентрации в воздухе таких вредных веществ как формальдегид, фенол, аммиак, двуокись углерода, озон.

К биологическим вредным факторам, которые могут привести к заболеванию или ухудшению состояния здоровья пользователя, относится повышенное содержание в воздухе рабочей зоны патогенных микроорганизмов (бактерий, вирусов), большое количество рабочего персонала в маленьком помещении, недостаточная вентиляция и т.д.

Психофизиологические вредные факторы - это неудобная поза пользователя, нервно-психические перегрузки, умственное перенапряжение, монотонность труда, эмоциональные и информационные перегрузки, набор большого количества знаков, перегрузка пальцев, кистей рук, дискомфорт (совокупность физических неудобств пользователя), отсутствие перерывов, большое количество информации, усталость, стрессы, отвлекающие факторы, пульсация светового излучения экрана, низкая частота регенерации экрана и т.п.

Для противодействия опасным и вредным факторам организм использует адаптационно-компенсационные реакции своих функциональных систем, затрачивая при этом жизненную энергию. Основными факторами, воздействию которых подвергается организм человека при работе с ПЭВМ, являются:

опасность поражения электрическим током;

освещённость рабочего места;

уровень шума;

электромагнитные поля и излучения;

параметры микроклимата;

пожарная опасность;

психофизиологические факторы.

Потенциальные резервы организма и его адаптационные возможности ограничены. Поэтому были введены ограничения на диапазоны значений параметров отдельных факторов, отражённые в требованиях и ГОСТах (табл. 8.1).



Таблица 8.1 - Нормативные документы

ГОСТ 12.1.004-91	Пожарная безопасность. Общие требования.
ГОСТ 12.1.019-79*	Электробезопасность. Общие требования.
ГОСТ 12.1.038-82*	ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов.
ГОСТ Р 50923-96	Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения.
ГОСТ Р 50948-01	Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности.
ГОСТ Р 50949-01	Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерений и оценки эргономических параметров безопасности.
СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03	Гигиенические требования к ПЭВМ и организации работы.
СанПиН 2.2.4.548-96	Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
СН 2.2.4/2.1.8.562-96	Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.
СНиП 23-05-95	Естественное и искусственное освещение.

8.2 Опасность поражения электрическим током

Современные технические средства вычислительной техники питаются от трёхфазной сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 В с глухозаземлённой нейтралью источника. Повышение напряжения в электрической цепи может быть опасно для жизни человека, если замыкание цепи происходит через его тело. При этом электрический ток производит термическое, электролитное и биологическое воздействия на организм.

Электрические установки представляют для человека большую потенциальную опасность, поскольку органы чувств человека не могут на расстоянии обнаружить наличие тока. Действие электрического тока может приводить к местным электротравмам и электрическим ударам. Наиболее опасен переменный ток с частотой от 20 до 100 Гц.

Основными причинами электротравм при работе с ПЭВМ являются случайное прикосновение человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением, и прикосновение к металлическим нетоковедущим частям (корпусу, элементам), которые могут оказаться под напряжением случайно при повреждении изоляции. Применяемые меры и средства электробезопасности должны обеспечивать безусловное выполнение требований ГОСТ 12.1.038-82*, определяющего предельно допустимые значения напряжения прикосновения Uпд=2.0 В и протекающего через тело человека тока Iпд=0.3 мА при продолжительности воздействия не более 10 минут в сутки.

Для защиты человека от поражения электрическим током согласно ГОСТ 12.1.019-79* необходимо применять технические меры, которые для повышения уровня безопасности целесообразно использовать в сочетании друг с другом, учитывая вид и параметры сети, условия эксплуатации аппаратуры, а также указания мер безопасности и технические требования, задаваемые изготовителем.

Технические меры защиты человека от поражения электрическим током:

наличие в рабочем помещение устройств автоматического контроля и сигнализации;

зануление;

автоматическое отключение;

изолирующие устройства и покрытия;

наличие предохранительных устройств;

знаки безопасности.

К организационным мероприятиям относят:

допуск к работе лиц прошедших инструктаж;

назначение лиц, ответственных за организацию и производство работ;

проверка отсутствия напряжения, надзор во время работы и другие.



8.3 Освещённость помещения

Работа на ПЭВМ может осуществляться при наличии естественного и искусственного освещения. Величина коэффициента естественной освещённости (КЕО) должна соответствовать нормативным уровням по СНиП 23.05-95 «Естественное и искусственное освещение». Для III светового климатического пояса КЕО должен быть не ниже 1.2 % в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1.5 % на остальной территории страны. Рекомендуется рабочие места по отношению к световым проёмам располагать так, чтобы естественный свет падал сбоку слева, но допускается и правостороннее расположение окон. Чистку оконных стёкол и светильников в помещениях с ПЭВМ следует производить не реже двух раз в год. Окна должны быть снабжены светорассеивающими шторами. В соответствии со СНиП 23-05-95, в светлое время суток окна должны быть завешаны шторами.

Искусственное освещение в помещениях с ПЭВМ следует осуществлять системой общего равномерного освещения.

Для предотвращения прямой и отраженной блескости экранов ПЭВМ светильники общего освещения должны располагаться между рядами рабочих мест или зон с достаточным боковым смещением. При этом линии светильников располагаются параллельно окнам. Они не должны создавать слепящих бликов на клавиатуре и других частях, а также на экране монитора в направлении глаз пользователя.

Недостаточная освещенность рабочей зоны обычно бывает вызвана неправильным размещением на рабочем месте осветительных приборов. Это приводит к быстрой утомляемости, снижению производительностью труда и заболеваниям органов зрения. Постоянная работа в подобных условиях может привести к потере зрения.

Согласно СанПин 2.2.2/2.4.1340-03 к освещению предъявляются следующие требования:

освещенность рабочего места оператора ЭВМ на рабочем столе в горизонтальной плоскости от общего искусственного освещения должна быть от 300 до 500 лк;

освещенность на пюпитре вертикальной плоскости должна быть не менее 300 лк;

для освещения зоны расположения документов допускается установка светильников местного освещения;

в поле зрения оператора должны отсутствовать прямая и отражённая блескость.

Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20.

Условия деятельности операторов в системе «человек - машина» связаны с явным преобладанием зрительной информации - до 90% общего объема, поэтому освещение помещения является важным фактором в обеспечении безопасности и высокопроизводительности труда. К системе производственного освещения предъявляются следующие требования:

соответствие уровня освещенности рабочих мест характеру выполняемой зрительной работы;

равномерное распределение яркости на рабочих поверхностях и в окружающем пространстве;

отсутствие резких теней, прямой и отраженной блескости;

постоянство освещенности во времени;

оптимальная направленность излучаемого осветительными приборами светового потока;

долговечность, экономичность, электро- и пожаробезопасность, эстетичность, удобство и простота эксплуатации.

Правильное освещение обеспечивает высокий уровень работоспособности, оказывает положительное психологическое воздействие на работающих, уменьшается количество ошибок оператора ЭВМ.

8.4 Уровень шума

Шум является нежелательным звуком, воспринимаемым органами слуха человека. Он оказывает вредное влияние на весь организм человека, и, в первую очередь, на органы слуха, центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. При этом ослабляется внимание, замедляется скорость реакции, что может привести к несчастному случаю. При длительном воздействии и большой интенсивности шума возможно ухудшение слуха и глухота. Допустимые значения параметров шума регламентируются СНиП 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» и устанавливаются в зависимости от назначения помещений или территорий и от времени суток (от 7 до 23 ч - дневное время, от 23 до 7 ч - ночное время). При этом приводятся также максимально допустимые уровни звука. При выполнении основной работы на ВДТ и ПЭВМ уровень шума на рабочем месте не должен превышать 50 дБА. Уровень шума на рабочем месте, измеренный с помощью шумомера типа ВШВ-003 М2, составил 46,8 дБА. Следовательно, дополнительных мер по снижению уровня шума не требуется.

8.5 Электромагнитные поля и излучения

В конструкции современных электронно-лучевых мониторов не используется никаких радиоактивных веществ, а особенно - вредных для человеческого здоровья. Теоретически некоторую опасность могут представлять излучаемые кинескопом электромагнитные поля, однако в последние годы было принято немало эргономических стандартов, таких как TCO'99 и MPRII, регулирующих эту величину и обязующих разработчиков выпускать мониторы, в которых данные показатели снижены до безопасного минимума. Фактически, на расстоянии 30 см от поверхности экрана уже не наблюдается никаких потенциально вредных излучений.

Жидкокристаллические мониторы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронно-лучевой технологией: во-первых, они фактически не излучают электромагнитных полей, и потому безвредны для организма, во вторых, поверхность экрана LCD-дисплея абсолютно плоская, вследствие чего на ней отсутствуют присущие всем без исключения CRT-экранам оптические искажения, в третьих, изображение, получаемое на жидкокристаллическом мониторе, более четкое и контрастное, оно практически не мерцает, и потому глаза пользователя при работе с таким монитором меньше устают. Следует отметить, что жидкокристаллические дисплеи потребляют мощность на 70% меньше, чем их электронно-лучевые собратья. Жидкокристаллические мониторы применяются в конструкции портативных компьютеров (ноутбуков), также существует множество моделей LCD-дисплеев для настольных ПК.

Временные допустимые уровни ЭМП, создаваемые ПЭВМ на рабочих местах пользователей, а также в помещениях оборудованных мониторами, допустимые визуальные параметры устройств отображения информации следующие:

- напряженность электрического поля:

в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц 25 В/м;

в диапазоне частот 2 кГц- 400 кГц 2,5 В/м;

- плотность магнитного потока:

в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц 250 нТл;

в диапазоне частот 2 кГц- 400 кГц 25 нТл;

- напряженность электростатического поля 15 кВ/м;

Также обязательно проведение инструментального контроля и гигиенической оценки уровней электромагнитных полей на рабочих местах.

1. Инструментальный контроль электромагнитной обстановки на рабочих местах пользователей ПЭВМ производится:

- при вводе ПЭВМ в эксплуатацию и организации новых и реорганизации рабочих мест;

- после проведения организационно-технических мероприятий, направленных на нормализацию электромагнитной обстановки;

- при аттестации рабочих мест по условиям труда;

- по заявкам предприятий и организаций.

2. Инструментальный контроль уровней ЭМП должен осуществляться приборами с допускаемой основной относительной погрешностью измерений 20%, включенными в Государственный реестр средств измерения и имеющими действующие свидетельства о прохождении Государственной поверки.

3. Измерение уровней переменных электрических и магнитных полей, статических электрических полей на рабочем месте, оборудованном ПЭВМ, производится на расстоянии 50 см от экрана на трех уровнях на высоте 0.5 м, 1.0 м и 1.5 м.

4. Гигиеническая оценка результатов измерений должна осуществляться с учетом погрешности используемого средства метрологического контроля.

Если на обследуемом рабочем месте, оборудованном ПЭВМ, интенсивность электрического и магнитного поля в диапазоне 5 - 2000 Гц превышает допустимые значения, следует проводить измерения фоновых уровней ЭМП промышленной частоты (при выключенном оборудовании). Фоновый уровень электрического поля частотой 50 Гц не должен превышать 500 В/м.

8.6 Нормализация микроклимата в помещении при работе оборудования

При работе пользователей с ПЭВМ возможны факторы нарушения параметров воздушной среды и микроклимата, среди которых следует выделить:

-тепловыделения: от работающих ПЭВМ и мониторов, тепловыделения от дополнительного оборудования, установленного в помещении (источники освещения, обогреватели и т.д.), тепловыделения от персонала, находящегося в помещении, тепловыделения от конструкций здания;

- повышение содержания уровней ионов в воздухе, вызванное ухудшением электромагнитной обстановки при работе ПЭВМ;

-увеличение содержания вредных химических веществ в помещении;

-изменение влажности воздуха.

Для снижения влияния указанных факторов в помещении при работе с ПЭВМ следует соблюдать требования по достижению оптимальных параметров воздушной среды и микроклимата, регламентированных в СанПиН 2.2.4.548-96.

Нормализация микроклимата проводится в помещении, в котором располагается рабочее место оператора ЭВМ. С учетом специфики планировки помещения, количества рабочих мест и их взаимного расположения методы и средства нормализации микроклимата могут различаться, но должен быть соблюден ряд требований для всех видов помещений, размещающих ПЭВМ:

В производственных помещениях, в которых работа на ПЭВМ является основной (диспетчерские, операторские, расчетные, кабины и посты управления, залы вычислительной техники и др.), должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата.

Для повышения влажности воздуха в помещениях с ПЭВМ следует применять увлажнители воздуха Boneco7135, Air-O-Swiss U7146, Fanline Aqva GS398-B, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой.

Уровни положительных и отрицательных аэроионов в воздухе помещений с ПЭВМ должны соответствовать нормам.

Содержание вредных химических веществ в производственных помещениях, работа на ПЭВМ в которых является основной (диспетчерские, операторские, расчетные, кабины и посты управления, залы вычислительной техники и др.), не должно превышать "Предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест".

Эксплуатация разрабатываемого в дипломном проекте программного продукта предусматривает работу оператора в помещении, в котором работа на ПЭВМ является основной. Все виды работ, выполняемые при эксплуатации программы являются работами категорий 1а, поэтому оптимальные параметры микроклимата при указанных условиях определяются в соответствии с таблицей 8.2.

Таблица 8.2 - Оптимальные параметры микроклимата

Период года	Категории работ	Температура воздуха, гр.С. не более	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	легкая-1а	22-24	40-60	0,1
Теплый	легкая-1а	23-25	40-60	0,1

8.7 Расчет системы кондиционирования помещения

Рассмотрим системы кондиционирования воздуха в помещении с ПЭВМ.

При расчете системы кондиционирования необходимо:

-выбрать схему кондиционирования;

-выбрать тип кондиционера;

-провести расчет числа кондиционеров и проверить соответствие количества наружного воздуха санитарным нормам.

Приведем расчет системы кондиционирования в помещении, где установлена одна ПЭВМ типа IBM PC класса Pentium IV со следующими параметрами:

-потребляемая мощность системного блока составляет 350 Вт;

-ПЭВМ оснащена монитором с диагональю экрана 17 дюймов.

Выбор системы кондиционирования основан на учете тепловых нагрузок в помещении, требований к физико-химическому составу воздуха, его запыленности, габаритов ЭВМ и друхих.

Для рассматриваемого помещения, в котором установлены ПЭВМ, используются бытовые кондиционеры.

Проведем расчет числа кондиционеров с учетом того, что максимально в помещении может находиться два человека.

При расчете числа кондиционеров необходимо знать тепловыделения от работающего персонала, тепловыделения от системных блоков ПЭВМ и мониторов, тепловыделения от источников освещения.

Тепловыделение Qчел одного человека можно принять равным 75 Вт. Усредненные мощности тепловыделений компонентов ПЭВМ приведены в таблице 8.3.

Таблица 8.3 - Мощность тепловыделений Компонентов ПЭВМ

Размер экрана	Постоянно вкл. Вт	Спящий режим, Вт
17 дюймов	70	0

Тепловыделения от источников освещения принимают равными их паспортной мощности. Т. к. в данном помещении установлены лампы ЛСП13-2x65, то тепловыделение от одного источника Qосв1=2•65=135 Bт.

С учетом вышеизложенного суммарные тепловыделения составят:

Q=Qcucml+QM+Qчел1+2•Qocв1= 270 + 75 + 150 = 495 Bт.

При установке кондиционеров в помещении необходимо, чтобы минимально допустимое количество наружного воздуха соответствовало санитарным нормам подачи воздуха на одного человека. Норма подачи воздуха принимается равной 30 кг/ч. Тогда минимально необходимое количество наружного воздуха Gnmin=30n, где n - число людей в помещении. Применительно к рассматриваемому помещению