|
Читайте также: |
Целью данного курсового проекта является разработка конструкции печатного блока многофункциональных часов на основе микроконтроллера. Исходными данными для разработки конструкции являются электрическая принципиальная схема и перечень элементов, разработанные в ходе разработке курсового проекта по УД «Микропроцессоры и микропроцессорные системы».
Многофункциональные часы должны сохранять работоспособность при эксплуатации и хранении при следующих значениях температуры и влажности:
верхняя - +40 ºС,
нижняя - +1 ºС,
перепады температуры – не более 4 ºС в час,
влажность до 90% при 30 ºС.
Многофункциональные часы должны сохранять работоспособность при транспортировке в упаковке фирмы-изготовителя при следующих значениях температуры и влажности:
верхняя - +60 ºС,
нижняя - -40 ºС,
влажность от 10 до 92% при 30 ºС.
2.2 Виды конструкции
При разработке конструкции рассматривалось несколько вариантов:
1) Блок управления вместе с блоком питания на одной печатной плате.
Плюс: меньше меж платных соединений.
Минус: требуется больше места для расположения элементов и проводников.
Высоко вольтные и низковольтовые цепи расположены на одной печатной плате.
2) Блок управления и блок питания на разных платах
Плюс: можно использовать покупной блок питания. Сокращаются габариты печатной платы.
Минус: требуется больше меж платных соединений.
3 Описание конструкции
Из двух рассмотренных вариантов для дальнейшей разработки был выбран вариант с отдельным блоком питания.
Выбор типа печатной платы
Печатная плата(ПП) — изделие, состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями, пазами, вырезами и системой токопроводящих полосок металла (проводников), которое используют для установки и коммутации электрорадиоизделия (ЭРИ) и функциональных узлов.
По ГОСТ 23751—86 предусмотрены следующие основные типы печатных плат.
Односторонняя печатная плата(ОПП) — ПП, на одной стороне которой выполнены элементы проводящего рисунка. Они просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания и устройств техники связи.
Двусторонняя печатная плата(ДПП) — ПП, на обеих сторонах которой выполнены элементы проводящего рисунка и все требуемые соединения, в соответствии с электрической принципиальной схемой. Электрическая связь между сторонами осуществляется с помощью металлизированных отверстий. Размещать ЭРИ можно как на одной, так и на двух сторонах ПП. Двусторонние ПП используются в измерительной технике, системах управления, автоматического регулирования и др.
Многослойная печатная плата(МПП) — ПП, состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения. Электрическая связь между проводящими слоями может быть выполнена специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией отверстий. Многослойные ПП характеризуются повышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к климатическим и механическим воздействиям, уменьшенными размерами и меньшим числом контактов.
Таблица 1Наименьшие номинальные значения основных параметров для классов точности ПП
Примечание, t — наименьшая номинальная ширина проводника; S — наименьшее номинальное расстояние между проводниками; b — минимально допустимая ширина контактной площадки; d — номинальное значение диаметра наименьшего металлизированного отверстия; Н — толщина ПП; At — предельное отклонение ширины печатного проводника, контактной площадки, концевого печатного контакта и др.; Tl — позиционный допуск расположения печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего рисунка [1, стр. 25] первый и второй классы ПП применяют в случае малой насыщенности поверхности ПП дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции;
Третий класс ПП – для микросхем со штыревыми и планарными выводами при средней и высокой насыщенности поверхности ПП элементами; Четвертый и пятый классы точности используют при высокой и очень высокой насыщенности поверхности ПП элементами с выводами и без них.
На основании вышеизложенного материала мы остановим свой выбор на двухсторонней печатной плате (материал фольгированный стеклотекстолит, 3-й класс точности), шаг координатной сетки 2,54 мм, так как использовалась дюймовое расположение элементов на плате. Плата будет изготовлена методом химического травления (наиболее доступный и дешевый метод).
Схема конструкции двухслойной печатной платы
t – ширина проводника;
b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (поясок);
d – диаметр отверстия;
D – диаметр контактной площадки;
S – расстояние между проводниками;
Q – расстояние от края печатной платы, выреза, паза до элементов проводящего рисунка;
Hп – толщина ПП;
Hм – толщина материала основания ПП;
Hп.с. – суммарная толщина ПП с химическим или гальваническим покрытием
4 Описание элементной базы
Микросхема интегральная Pic16F84A выпускается в корпусах DIP и SOIC, в моём блоке будет использоваться 18-ти контактный DIP корпус. (Приложение А. Рисунок 3,4,5)
Корпуса:
18-ти – Pic16F84A
Рабочие напряжения
2,7 - 5,5 В
4,5 - 5,5 В
Рабочая частота
0 – 4 МГц
Активный ток
3 mA
Резисторы постоянные углеродные С1-4 (R1...R7 0.125Bт,) (Приложение А. Рисунок 6)
Кварцевый резонатор HC-49SM (Приложение А. Рисунок 7)
Кнопки TSS(Приложение А. Рисунок 8)
Конденсаторы К10-17(Приложение А. Рисунок 9)
Индикатор LM041L (Приложение А. Рисунок10)
5 Расчётная часть
5.1 Расчёт конструктивных параметров
5.1.1 Выбор типоразмера печатной платы
Расчет площади элементов производится с учётом минимального расстояния между элементами (+1мм к ширине элемента), длинна некоторых элементов взята с учётом шага координатной сетки печатной платы (2,54 мм), все данные сведены в таблицу 1.
Таблица 1 (типоразмер печатной платы)
| Наименование элемента | Длинна | Ширина (диаметр) | Площадь одного элемента | Колличество элементов | Общая площадь |
| Микроконтроллер Pic16F84A | 22,9 | 6,5 | 148,85 | 148,85 | |
| Резисторы 0,125 Вт | 3,3 | 36,3 | 254,1 | ||
| Кварцевый резонатор HC-49SM | 12,05 | 5,65 | 68,0825 | 68,0825 | |
| датчик температуры DS1820 | |||||
| стабилизатор напряжения ТО-220 | |||||
| Конденсаторы К10-17 | 7,8 | 5,6 | 43,68 | 174,72 | |
| дисплей LM041L(расположен на обратной стороне платы) | |||||
| Разъёмы | 3,4 | 10,2 | 61,2 | ||
| Кнопки TSS | |||||
| Общая площадь всех элементов | 5983,9525 | ||||
| Общая площадь печатной платы | 12951,858 | ||||
| Длина одной стороны | 133,98454 |
(1)
где:
Ss - площадь ПП
Syi - установочная площадь i-го ЭРИ;
ksΣ - коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации аппаратуры (ksΣ = 1-3);
На основании таблицы 1.3 [1 стр. 29] выбираем длинны сторон B= 120, A= 100.
5.1.2 Расчет диаметра монтажных отверстий
Для автоматизации выполнения данного расчета была создана электронная таблица Microsoft Exel (Приложение Б. Рисунок 1),данные сведены в таблицу 2
(2)
(расчет диаметра монтажных отверстий)
Таблица 2 (диаметр монтажных отверстий)
| Наименование элемента | Диаметр вывода | Диаметр монтажных отверстий мм |
| Микроконтроллер Pic16F84A | 0,7 | 1,1 |
| Резисторы 0,125 Вт | 0,8 | 1,2 |
| Кварцевый резонатор HC-49SM | 0,45 | 0,85 |
| Конденсаторы К10-17 | 0,8 | 1,2 |
| Разъёмы | 0.5 | 0,9 |
| Кнопки TSS | 0,9 | 1,4 |
| Дисплей LM041L | 0,7 | 1,1 |
| Датчик температуры DS1820 | 0,7 | 1,1 |
5.1.3 Расчёт диаметра контактных площадок
Для упрощения расчёта были разработаны электронные таблицы Microsoft Exel. (Приложение Б. Рисунок 2)
(3)
Таблица 3 (диаметр контактных площадок)
| Наименование элементов | d | d в.о | d тр | t в.o | T d | T D | b | t н.о | D |
| Микроконтроллер Pic16F84A | 1.1 | 0.7 | 0.15 | 0.15 | 0.25 | 0.3 | 0.15 | 1.8 | |
| Резисторы 0,125 Вт | 1.2 | 0.8 | 0.1 | 0.08 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 1.5 | |
| Кварцевый резонатор HC-49SM | 0.85 | 0.45 | 0.1 | 0.08 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 1.3 | |
| Конденсаторы К10-17 | 1.2 | 0.8 | 0.1 | 0.08 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 1.5 | |
| Разъёмы | 0.9 | 0.5 | 0.1 | 0.08 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 1.4 | |
| Датчик температуры DS1820 | 1.1 | 0.7 | 0.1 | 0.08 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 1.5 | |
| Дисплей LM041L | 1.1 | 0.7 | 0.15 | 0.15 | 0.25 | 0.4 | 0.16 | 1.9 |
5.1.4 Расчет расстояния Q2 от края паза, выреза до элементов проводящего рисунка
= 0,6 (4)
где:
q= 0,35 ширина ореола, скола в зависимости от толщины материала основания и класса точности ПП [1 таблица 3.18 стр 110].
k= 0,15 наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка (не менее 0,3 мм для 1-2 го класса точности, 0,15 для 3-4 го класса точности и 0,1 мм для 5 го класса точности)
TD = 0,15 позиционный допуск расположения центров контактных площадок [1 таблица 3.19 стр. 111].
Td = 0,08 позиционный допуск расположения осей отверстий в зависимости от размеров и класса точности ПП [1 таблица 3.20 стр. 111].
tв.о. = 0,05 верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции [1 таблица 1.1 стр. 26].
5.1.5 Расчёт ширины печатных проводников:
Ширина печатного проводника зависит от электрических, конструктивных и технологических требований.
Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t, мм, рассчитывают по следующей формуле [1 стр. 111]:
(5)
где:
t minD - минимально допустимая ширина проводника;
Δt н.о. - нижнее предельное отклонение размеров отклонения размеров ширины печатного проводника. (Приложение Б. Рисунок 3)
Минимальная ширина проводника по току равна 0,07 мм, но для повышения надёжности целесообразно выбрать ширину 0,25 мм (минимальная ширина для 3-го класса точности).
5.2 Расчёт вибропрочности
Под вибрацией понимают механические колебания элементов конструкции или конструкции в целом. Вибрация характеризуется виброперемещением, виброскоростью и виброускорением. Проводя проработку компоновки ячейки ЭА, конструктор должен обеспечить вибропрочность, виброустойчивость и отсутствие резонанса ЭРИ в рабочем диапазоне частот.
Вибропрочность – способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах после воздействия вибраций.
Виброустойчивость – способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах во время воздействия вибраций.
Целью расчета является определение действующих на ЭРИ и ПП перегрузок при действии вибраций, а также максимальных перегрузок и проверка этих ЭРИ и ПП на вибропрочность.
В нашем случае диапазон вибраций будет взят из условий ТЗ 
Гц, виброускорение 
Определим частоту собственных колебаний:
| 551 Гц |
| (6) |
где:
α = 120 мм - длина пластины
b = 100 мм- ширина пластины
D = 8, 926 - цилиндрическая жесткость
Ка = 30,9- коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины
М = 0,0769 кг – масса печатной платы с эри
Ка = 29,9 коэффициент зависящий от закрепления сторон печатной платы
Цилиндрическая жесткость:
(7)
где:
E= 3,02*1010 H/м2 - модуль упругости для материала платы
h= 1,5 мм – толщина платы
v= 0,22 – коэффициент Пуассона
Масса печатной платы с ЭРИ (данные сведены в таблицу 3):
М= Мпп + Мэри=0,0909кг
Мпп= p*hab = 2,05*103*1,5*10-3*100*10-3*120*10-3= 0,04 кг
Где p=2,05*103 кг/м3 – плотность материала платы
Таблица 3 (Масса ЭРИ):
| Наименование элемента | Количество элементов | Масса одного элемента г. | Масса всех элементов данной группы |
| микроконтроллер PIC16F84A | |||
| Резисторы 0,125 Вт | 0,5 | ||
| Кварцевый резонатор HC-49SM | 0,5 | 0,5 | |
| Конденсаторы К10-17 | |||
| Индикатор | |||
| LM041L | |||
| Разъёмы | |||
| Кнопки TSS | |||
| Общая масса элементов | 20,5 |
, 
. (8)
Где: к = 22,37, 
=1, 
= 
, 
=0,19 – коэффициенты закрепления сторон
Определим коэффициент динамичности:
(9)
Где 
= 0,01 – коэффициент затухания для стеклотекстолита
n – коэффициент расстройки n= fmax/f0 = 200/668 = 0,30
Амплитуда вибросмещения основания
| (10) |
| 1,241*10-5 м |
Определение виброускорения и вибросмещения эри
L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAp9gaFcUA AADbAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESPQWvCQBSE7wX/w/KEXkrdWEEkzUZEkIYiSBPr+ZF9 TYLZtzG7TdJ/3y0UPA4z8w2TbCfTioF611hWsFxEIIhLqxuuFJyLw/MGhPPIGlvLpOCHHGzT2UOC sbYjf9CQ+0oECLsYFdTed7GUrqzJoFvYjjh4X7Y36IPsK6l7HAPctPIlitbSYMNhocaO9jWV1/zb KBjL03Apjm/y9HTJLN+y2z7/fFfqcT7tXkF4mvw9/N/OtIL1Cv6+hB8g018AAAD//wMAUEsBAi0A FAAGAAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54 bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBl eG1sLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQCn2BoVxQAAANsAAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMv ZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAigMAAAAA " filled="f" stroked="f">
| , |
| = |
| = |
| = |
| E |
| a |
| x |
| x |
| (11) |
| (12) |
| ; |
| , |
| = |
| = |
| = |
| E |
| b |
| y |
| y |
Где x и y координаты элемента.
Коэффициент передачи по ускорению:
(13)
Где K1(x)= 1,29; K1(y)= 1,28 – коэффициенты формы колебаний
Определим виброускорение:
aв(x,y)=aо(x,y)g(x,y), aв(x,y)=19,6 · 1,2 = 23,5 м/с=23,5 /9,81=2,4g (14)
Определим виброперемещение:
Sв(x,y)=E0*g(x,y) = 1,241·10-5·1,2 = 1,5·10 (15)
Определение максимального прогиба ПП:
= |1,5·10-5 – 1,241·10-5| = 0,26·10-5м (16)
Допустимый прогиб ПП определяется по формуле
(17)
Где b сторона параллельно которой установлены эри
Допустимый прогиб равен:
SВ.доп = 0,003*75*10-3=0,000225=2,25*10-4
Условие выполнения вибропрочности:
δ=0,26·10-5м<2,25*10-4
Максимальный прогиб меньше допустимого, условие выполнено.
5.3 Расчёт ударопрочности
Ударопрочность – способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах после воздействия ударов.
Конструкция ЭА выполняет требования к ударопрочной, если перемещение и ускорение при ударе не превышает допустимых значений.
Исходные данные: масса печатная плата, геометрические размеры печатная плата, характеристики материала печатная плата (плотность материала пп, коэффициент Пуассона), длительность удара τ =5…10 мс, ускорение a = 100 м/с2, частота ударов v = 40...120 мин-1.
Определение условной частоты ударного импульса:
Определяем условную частоту ударного импульса для наихудшего случая (τ = 5 мс).
ω = π/ τ = 3,14/0,005 = 587,319 с-1 (18)
Определение коэффициента передачи при ударе
=0,3/0,935=0,32 (19)
Где v= 
= 0,149 (20)
f0 = 551 Гц
Определение ударного ускорения
Ударное ускорение рассчитывается по следующей формуле:
ау= а*Ку =100*0,32=32 м/с2=3,2g (21)
Определение максимального относительного перемещения
Максимальное относительное перемещение определяется так:
=1,8*10-6
(22)
где:
Kу – коэффициент передачи при ударе
a – амплитуда ускорения ударного импульса
f0 – частота собственных колебаний;
Проверка выполнения условий ударопрочность для ЭРИ.
Минимально допустимая ударная перегрузка для ЭРИ
aдоп = 20g
aдоп = 20g> ау=3,2g
Проверка выполнения условий ударопрочность для ПП с ЭРИ.
Zmax<0,003b
1,8*10-6<2,25*10-4
Оба условия выполнены
5.4 Расчет надёжности схемы
Все элементы на плате должны работать.
Данные расчетов сведены в таблицу 4
Интенсивность отказов элементов: 
i= 
ikai
где:
i- номинальная интенсивность отказа I элемента
k- поправочный коэффициент на условия эксплуатации
ai – поправочный коэффициент нагрузки
Среднее время наработки на отказ
(23)
Таблица 4 (расчёт надёжности схемы)
Дата добавления: 2015-10-24; просмотров: 71 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Анализ технического задания | | | Разработка технологического процесса изготовления |