Проектирование графического интерфейса пользователя на основе сенсорной панели для семейства микроконтроллеров PIC 24

Эта разновидность схем предназначена в основном для наиболее полного понимания всех процессов, происходящих в цепи или на участке цепи, а также для расчёта параметров компонентов.

3.2 Разработка алгоритма управляющей программы для устройства

Особенности разработки и отладки программ на MPLAB C для PIC24: Компилятор MPLAB C для PIC24 представляет собой эффективный программный инструмент разработки приложений для 16-битных микроконтроллеров фирмы Microchip, базирующийся на стандарте ANSI C.

Компилятор MPLAB C для PIC24 выполняет компиляцию файлов исходных текстов, создавая промежуточные ассемблерные и объектные файлы. Полученные объектные файлы затем компонуются с другими объектными файлами и библиотеками и собираются компоновщиком (линкером) в исполняемый файл программы.

Кроме того, объектные файлы в формате COFF или ELF можно использовать

Рисунок 3.1 - электрическая принципиальная схема

при создании библиотек, либо загрузить в отладчик среды MPLAB IDE для дальнейшего тестирования и отладки. С помощью утилиты преобразования форматов можно преобразовать COFF или ELF-файл в формат HEX-файла, пригодный для загрузки в память программ целевой системы. На практической стороне разработки. Везде, где это нужно, будет даваться краткое пояснение работы того или иного элемента языка.

Практическое знакомство с MPLAB C для PIC24 начнем с разработки и отладки простого приложения на Си для микроконтроллера PIC24FJ128GA010.

Для этого с помощью мастера приложений создадим новый проект точно так же, как это делали для программы на ассемблере. Компилятор MPLAB C для PIC24 включает средства оптимизации программ при трансляции стандартных ANSI C программ в ассемблерный код микроконтроллера PIC24.

В компилятор включены многочисленные расширения, позволяющие эффективно работать с периферийными модулями микроконтроллеров, а также дополнительные библиотеки с готовыми функциями для работы с периферией. При разработке демонстрационных программ этой книги мы будем использовать среду разработки MPLAB IDE фирмы Microchip и студенческую версию компилятора С30.

В этом разделе практические аспекты разработки программ для PIC24, в частности, отладки программ с помощью симулятора MPLAB SIM. Отладчик MPLAB SIM предоставляет намного больше возможностей для отладки и трассировки Си-программ по сравнению с приложениями на ассемблере, что позволяет успешно разрабатывать и тестировать довольно сложные приложения, написанные на языке Си. Задержка между переключениями формируется функцией Delay, а величина этой задержки определяется значением счетчика cnt в самой функции.

Поскольку мы будем выполнять отладку в программном симуляторе MPLAB SIM, то начальное значение cnt можно выбрать достаточно большим, чтобы можно было наблюдать изменения состояния бита 0 порта А визуально. Компиляцию программы нужно выполнить в режиме Debug, а для наблюдением за состоянием порта А, вернее, его младшего бита в раскрывающемся списке окна просмотра переменных следует выбрать PORTA.

Изменения состояния бита 0 лучше всего наблюдать в режиме Animate отладчика, хотя можно запустить программу и в режиме Run, а затем остановить и запустить ее несколько раз для анализа состояния бита. Также можно использовать пошаговое выполнение программы, хотя это потребует больше времени. Это далеко не самая сложная программа, поэтому процесс отладки довольно очевиден. Намного сложнее протестировать программу, которая должна работать с внешними прерываниями или, например, с точными временными интервалами.

Методы тестирования и отладки подобных программ предполагают хорошие знания аппаратно-программной архитектуры микроконтроллера и возможностей программного симулятора MPLAB SIM. Создадим в MPLAB IDE проект, в котором приложение будет переключать тот же бит 0 порта А, но уже в обработчике прерывания Таймера 1. В микроконтроллерах PIC24F имеется несколько таймеров, но мы будем использовать 16-битный Таймер 1 (его часто называют таймером А-типа).

При превышении значения PR1 устанавливается флаг прерывания _T1IF, и если разрешено прерывание Таймера 1, то вызывается функция-обработчик этого прерывания. В начало этой программы включен макрос _CONFIG2, который определяет параметры источника тактового сигнала микроконтроллера. При отладке программы в симуляторе MPLAB SIM этот макрос можно не использовать, поскольку все необходимые настройки производятся в самом симуляторе.

При работе с реальным оборудованием, в зависимости от аппаратного решения, выбранного для тактирования устройства, следует правильно указать константы этого макроса. Смысл констант, используемых для настройки источника тактового сигнала, описан в заголовочном файле устройства. Программа должна переключать бит 0 порта А в противоположное состояние каждые 3 с, для чего мы используем прерывание Таймера 1 микроконтроллера PIC24FJ128GA010. Каждые 3 с инициируется прерывание Таймера 1, и управление передается функции-обработчику _T1Interrupt.

В режиме Animate изменения состояния переменных и регистров можно наблюдать в окне просмотра переменных в процессе выполнения программы, однако следует помнить, что в этом случае программа будет выполняться далеко не в режиме реального времени. Промежуточные состояния переменных можно наблюдать, установив в определенных местах программы точки прерывания или же перейдя в пошаговый режим работы.

Еще одно замечание: точность временных интервалов в режиме Run зависит от производительности процессора персонального компьютера, его загрузки и выбранной в окне настройки тактовой частоты микроконтроллера. Тем не менее, не следует полагать, что если в отладчике установить определенную частоту процессора, то все команды программы и временные зависимости будут точно соответствовать этой частоте.

Но в любом случае, временные соотношения между интервалами выполнения команд, вызовы и обработка прерываний и т.д. будут выполняться по возможности максимально точно. Если процессор персонального компьютера загружен выполнением других программ, то отклонения от реального режима при отладке программы в режиме Run будут больше. Вернемся к отладке нашей программы.

Что же касается регистра W3, то в него помещается адрес метки J2, который зависит от настроек компилятора и компоновщика, выполняющего сборку программы.

Для разработки сложных программ намного больше возможностей предоставляет компилятор языка Си фирмы Microchip, известный под названием MPLAB C для PIC24. Весь последующий материал этой книги будет опираться на методы разработки и отладки программного обеспечения на языке Си. В следующем разделе мы коснемся основных методов разработки и отладки программного обеспечения с использованием данного компилятора.

3.3 Технология изготовления печатной платы устройства

Печатная плата (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) - пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Материал

Это заготовка внутреннего слоя многослойной печатной платы. Диэлектрический материал, например текстолит, ламинированный медной фольгой. Толщина меди обычно составляет от 0,018 мм до 0,07 мм.

Ламинирование фоторезтстом

Следующий этап - нанесение пластичного фоточувствительного материала на заготовку. Заготовка очищается и приготавливается к нанесению фоторезиста. Этот этап проходит в чистой комнате с желтым освещением. Резист светочувствителен (обычно к ультрафиолету) и при долгом не использовании разрушается.

Размещение фотошаблона

На заготовке размещается фотошаблон. На рисунке изображена только его малая часть. Круг, часть которого изображена, в последствии будет соединением с внутренним слоем. Изображение на фотошаблоне негативное по отношению к будущей схеме. Под темными участками фотошаблона медь не будет удалена.

Экспонирование фоторезиста

Участки поверхности незащищенные фотошаблоном засвечиваются. Фотошаблон снимается. После этого засвеченные участки могут быть удалены химически.

Обработка резиста

Засвеченные участки резиста удаляются, оставляя резист только в тех областях, где будут проходить дорожки платы. Назначение резиста -защитить медь под ним от воздействия травителя на следующем этапе.

Травление

Заготовка травится для удаления ненужной меди. Резист, оставшийся на поверхности предохраняет медь под ним от травления. Вся незащищенная медь удаляется, оставляя диэлектрическую подложку. После травления дорожки схемы созданы и внутренний слой имеет требуемый рисунок.

Удаление фоторезиста

Резист удаляется, открывая невытравленную медь. Теперь заготовка представляет собой полностью готовый внутренний слой. В нашем примере она будет вторым и третьим слоями будущей платы. На следующем этапе на нее наносятся верхний (первый) и нижний (четвертый) слои платы.

Ламинирование печатной платы

На этом этапе внутренний слой является центром многослойной платы. Слои одностороннего текстолита добавляются сверху и снизу внутреннего слоя. Затем соединенные слои ламинируются под прессом при высокой температуре и давлении. Скрепление происходит путем адгезии текстолита к внутреннему слою.

Сверловка

Плата сверлится там где требуется металлизация отверстий. В нашем примере отверстие просверлено сквозь площадку на втором слое. В то же время пересечения с рисунком третьего слоя нет. Взаиморасположение просверленных отверстий с рисунком слоев существенно.

Осаждение меди

Этот этап служит для покрытия отверстия тонким слоем металла. Проблемам в том, что поверхность отверстия непроводящая. Для металлизации плата помещается в ванну, где плата полностью покрывается тонким слоем меди. Сущность процесса химическая и в результате покрываются как диэлектрические, так и металлические поверхности.

Нанесение резиста

Далее плата покрывается резистом, резист засвечивается через фотошаблон, засвеченные участки удаляются. Эти этапы аналогичны описанным ранее с одним отличием: резист удаляется с участков, где будет наносится медь. Следовательно, изображение на фотошаблоне должно быть позитивным.

Электролитическое нанесение меди

Медь наносится на поверхность отверстия до толщины 0,25мм. Медь, осажденная ранее на поверхность отверстия достаточно толстая, чтобы проводить ток, необходимый для электоролитического осаждения меди. Это необходимо для надежного электрического соединения сторон и внутренних слоев платы.

Оловянно-свинцовое покрытие

Оловянно-свинцовое электролитическое покрытие выполняет две важные функции. Во-первых, оловянно-свинцовая смесь выступает резистом для последующего травления. Во-вторых, она защищает медь от окисления. Если плата производится не по процессу SMOBC, тогда эта смесь может быть расплавлена в печи для лужения дорожек.

Удаление резиста

Резист удаляется, оставляя оловянно-свинцовую смесь (припой) и нанесенную медь. Медь, покрытая припоем, выдержит процесс травления и образует собой рисунок платы.

Травление меди

На этом этапе припой используется как резист для травления. Незащищенная медь удаляется, оставляя на плате рисунок будущей схемы.

Удаление припоя

Припой удаляется с поверхности меди и плата очищается. Это начало процесса, называемого SMOBC (solder mask over bare copper - маска поверх необработанной меди). В других процессах, оловянно-свинцовая смесь расплавляется для дальнейшего использования (лужение).

Нанесение маски

Для защиты поверхности платы, где в дальнейшем не потребуется пайка, наносится маска. Существует несколько типов масок и методов ее нанесения. Фоточувствительная маска наносится тем же способом, что и фоторезист и обеспечивает высокую точность процесса. Шелкографический способ нанесения не обладает такой точностью, но материал маски более пластичен.

НAL (Hot Air Leveling - выравнивание горячим воздухом)

Припой наплавляется на незащищенную маской медь, сохраняя ее от окисления. В отличие от других процессов, под маской припоя не остается. Плата SMOBC готова для заключительных этапов: нанесения надписей (шелкография), резки, тестирования и упаковки.

3.4 Конструкторский расчет печатной платы устройства

Прежде, чем проводить расчет компоновочных параметров, определим размер печатной платы устройства. Площадь печатной платы рассчитаем, исходя из площади установочной поверхности элементов. Площади установочных поверхностей приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Площади установочной поверхности элементов

Элементы	Площадь одного элемента, мм2	Количество элементов	Общая площадь, мм2
Микросхема DD1 Микросхема DD2-DD4 Конденсаторы С1- C3 Конденсатор С4 Резисторы R1-R7 Диоды VD1-VD9	146,25 150 60,125 225 22 23,75	1 3 3 1 7 9	146,25 450 180,375 225 154 213,75
Транзистор VT1 Транзистор VT2 Кварцевый резонатор ZQ1	69,498 21,84 172,8	1 1 1	69,498 21,84 172,8

Общую площадь печатной платы найдем, используя следующую формулу:

S= SDD+ SC+SR+SVD+SVT+SZQ,

где SDD - площадь, необходимая для установки микросхем на ПП;

SC - площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;

SR - площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;

SVD - площадь, необходимая для установки диодов на ПП;

SVT - площадь, необходимая для установки транзисторов на ПП;

SZQ - площадь, необходимая для установки кварцевого резонатора на ПП.

Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:

Sобщ.=(146,25+450)+(180,375+225)+154+213,75+(69,498+21,84)+172,8= =1633,513мм2.

Площадь печатной платы рассчитаем по формуле:

SПП = Sобщ / 0,6 = 1633,513 / 0,6 =2722,5 мм2.

Было рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы (60·80, 60·60, 60·80), но выбран размер 6080 мм по ГОСТ10317-79.

Объем печатной платы определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина основания ПП (высота кварцевого резонатора ZQ1, равная 25,7 мм, плюс толщины платы, равная 1,5 мм). То есть полный объем платы:

Vп.п=608027,7=132960 мм3.

Расчет печатного монтажа

1) Выбор метода изготовления и класса точности печатной платы

Для соединения элементов электрической схемы автосторожа между собой в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плата размером 6080 выполненную комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита фольгированного СФ-2Н-50Г-1,5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности.

2) Расчёт печатного монтажа

Исходные данные:

толщина платы, мм 1,5;

максимальный ток, протекающий в проводнике, Imax, мА 200;

толщина фольги h, мм 0,05;

допустимая плотность тока iдоп, А/мм2 38;

удельное сопротивление печатного проводника , Оммм2/м 0,0175;

максимальная длина печатного проводника ?, м 0,07;

напряжение питания для микросхем Uп, В 6;

шаг координатной сетки, мм 1,25.

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

минимальное значение номинальной ширины проводника t1min, мм 0,15;

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

допуск на расположение отверстий d, мм 0,05;

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

гарантийный поясок bм на наружном слое, мм 0,05;

номинальное расстояние между проводниками S, мм 0,15;

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

допуск на отверстие d с металлизацией, Двыв?1 мм ;

то же, Двыв>1 мм ;

допуск на отверстие d без металлизации, Двыв?1 мм ±0,05;

то же, Двыв>1 мм ±0,01.

Расчет по постоянному и переменному току.

Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где Imax - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

iдоп - допустимая плотность тока, А/мм2;

h - толщина проводника, мм.

Минимальная ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где - удельное сопротивление, Оммм2/м;

? - длина проводника, м;

Uдоп - допустимое падение напряжения, В.

Uдоп не должно превышать 5% питающего напряжения микросхем, следовательно: Uдоп =Un•5%=6•0,05=0,3В.

Значения минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления bmin1 и минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем bmin2 по ГОСТ 2375-86 не должны быть меньше рассчитанных значений. Исходя из технических особенностей производства плат по 4 классу точности, выбираем ширину проводника равную 0,15 мм. Это значение больше чем bmin1 и bmin2.При данной ширине проводника печатная плата будет работать стабильно.

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты работы схемы, т.е. влиянием паразитных емкостей и индуктивностей проводников можно пренебречь.

Конструктивно-технологический расчет.

1) Номинальное минимальное значение диаметров монтажных отверстий определяется по формуле:

Дmin=Двыв+dн.о.+з,

где Двыв - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

dн.о - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия. Для 4-го класса точности печатных плат при диаметре отверстия, меньшем либо равно 1мм, d=0,1 мм.

з - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1..0,4 мм. Примем з=0,25 мм.

Отверстия для выводов транзисторов КТ502Б, КТ342А (VT1 и VT2) и микросхемы К561ЛА7 (DD1) при Двыв= 0,5 мм:

Дmin1?=0,5+0,1+0,1=0,7 мм.

Отверстия для выводов диодов КД522Б (VD1-VD9) при Двыв= 0,588 мм:

Дmin2?=0,588+0,1+0,1=0,788 мм.

Отверстия для выводов микросхем К561ИЕ10, К561ИЕ8 (DD2, DD3-DD4)

при Двыв= 0,59 мм:

Дmin3?=0,59+0,1+0,1=0,79 мм.

Отверстия для выводов резисторов МЛТ-0,125 (R1-R7) , конденсаторов К52-1А, К53-4А (С1-C2, C3) при Двыв=0,7 мм:

Дmin4?=0,7+0,1+0,1=0,9 мм.

Отверстие для выводов конденсатора К50-6 (C4) при Двыв=0,9 мм:

Дmin5?=0,9+0,1+0,1=1,1 мм.

Отверстие для кварцевого резонатора РК124А-32768 Гц (ZQ1) при Двыв=1,3мм и d=0,15 мм (т.к. диаметр отверстия больше 1мм):

Дmin6?=1,3+0,15+0,1=1,55 мм.

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий полученные значения диаметров необходимо округлить. Тогда, выбирая из ряда предпочтительных размеров, получим следующий набор диаметров - Дmin1=Дmin2=Дmin3=0,8мм; Дmin4=1мм; Дmin5=1,3мм; Дmin6=1,8мм.

2) Номинальное максимальное значение диаметров монтажных отверстий:

Дmax=Дmin+d+(0,1..0,15)

Вычислим номинальные максимальные значения диаметров монтажных отверстий для минимальных диаметром 0,8; 1; 1,3; 1,8 мм:

Дmax1=0,8+0,05+0,1=0,95 (мм);

Дmax2= 1+0,05+0,1=1,15 (мм);

Дmax3= 1,3+0,1+0,1=1,5 (мм);

Дmax4= 1,8+0,1+0,1=2 (мм).

3) Минимальный диаметр металлизированных переходных отверстий найдём из условия:

Дмmin ? Hрасч?н,

где Hрасч - расчётная толщина платы (Hрасч =1,5 мм);

н - отношение диаметра отверстия к толщине платы, н ?0,33.

Следовательно:

Дмmin?= 1,5?0,33 =0,495 мм.

С учетом требования минимизации количества различных отверстий сводим рассчитанное значение к значению из ряда предпочтительных размеров.

Дмmin= 0,8 мм (данное значение должно быть не больше половины расчётной ширины платы, т.е. не больше 0,8 мм).

2.3 Расчёт диаметров контактных площадок

1) Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий вычисляется по формуле:

где bм - гарантийный поясок, мм;

d и p - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

Дmax - максимальный диаметр просверленного отверстия:

Вычислим значения эффективных минимальных диаметров контактных площадок для монтажных отверстий с максимальными значениями диаметров 0,95; 1,15; 1,5; 2,0 мм:

(мм);

(мм);

(мм);

(мм).

2) Минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий при оплавляемом покрытии олово - свинец вычисляется по формуле:

где hг - толщина гальванической меди. По поверхности проводников плат средних размеров hг =0,05мм;

ДminКП - эффективный минимальный диаметр контактной площадки.

Вычислим значения минимальных диаметров контактных площадок при оплавляемом покрытии олово - свинец для отверстий с эффективными минимальными значениями диаметров контактных площадок 1,45; 1,65; 2,0; 2,5мм:

(мм);

(мм);

(мм);

(мм).

3) Максимальный диаметр контактной площадки определим по формуле:

ДmaxКП=Дmin1+0,05.

Вычислим значения максимальных диаметров контактных площадок для отверстий со значениями минимальных диаметров контактных площадок при покрытии олово - свинец 1,525; 1,725; 2,075; 2,575 мм:

ДmaxКП1?=1,525+0,05=1,575 (мм);

ДmaxКП2?=1,725+0,05=1,775 (мм);

ДmaxКП3?=2,075+0,05=2,125 (мм);

ДmaxКП3?=2,575+0,05=2,625 (мм).

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров отверстий полученные значения диаметров сведём к значениям из ряда предпочтительных размеров:

ДmaxКП1=1,6 мм;

ДmaxКП2=2,0 мм;

ДmaxКП3=2,3 мм;

ДmaxКП4=2,7 мм;

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.2

Таблица 3.2

ЭРЭ	Двыв, мм	Дmin?, мм	Дmin, мм	Дmax, мм	ДminКП, мм	Дmin1, мм	ДmaxКП?, мм	ДmaxКП, мм
VT1-VT2 DD1	0,5	0,7	0,8	0,95	1,45	1,525	1,575	1,6
VD1-VD9	0,588	0,788
DD2-DD4	0,59	0,79
R1-R7 С1-C3	0,7	0,9	1,0	1,15	1,65	1,725	1,775	2,0
С4	0,9	1,1	1,3	1,5	2,0	2,075	2,125	2,3
ZQ1	1,3	1,55	1,8	2,0	2,5	2,575	2,625	2,7

Минимальная ширина сигнального проводника:

tmin=t1 min+1,5hг+t,

где t1min - минимальная эффективная ширина проводника (0,15 мм);

t - допуск на ширину проводника без покрытия (0,03 мм).

tmin=0,15+1,5?0,05+0,03=0,255 мм

Максимальная ширина проводника:

tmax=tmin+0,02;

tmax=0,255+0,02=0,275?0,3 мм.

Расчёт элементов проводящего рисунка

1) Минимальный зазор между сигнальным проводником и контактной площадкой:

где Lэ - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

l - допуск на расположение проводника, мм.

Вычислим значение для контактной площадки диаметром , равными 1,6 мм, при Lэ=1,25мм:

(мм).

Для , равными 2,0; 2,3; 2,7 мм, при Lэ=2,5мм:

(мм);

(мм);

(мм).

Результаты расчета показывают, что, минимальное расстояние между любыми из используемых сигнальным проводником и контактной площадкой диаметром 1,6 мм, должно быть больше или равно 1,25 мм, а при контактных площадках диаметрами 2,0; 2,3; 2,7 мм, минимальное расстояние должно быть не меньше 2,5 мм.

2) Минимальный зазор между двумя проводниками равен:

S2min=LЭ-(tmax+21).

При Lэ=1,25мм:

S2min=1,25-(0,3+20,03)=0,89(мм).

Таким образом, любые два (из используемых) проводника могут быть проведены на расстоянии 1,25 мм

3) Минимальный зазор между двумя контактными площадками:

S3min=LЭ -(DmaxКП+2P).

Вычислим значения S3min для диаметров , равных 1,6; 2,0; 2,3; 2,7 мм, при Lэ=2,5мм:

S3min1=2,5-(1,6+20,15)=0,6 (мм);

S3min2=2,5-(2,0+20,15)=0,2 (мм);

S3min3=2,5-(2,3+20,15)=-0,1 (мм) > S3min3=3,75-(2,3+20,15)=1,15 (мм);

S3min4=2,5-(2,7+20,15)=-0,5 (мм) > S3min4=3,75-(2,7+20,15)=0,75 (мм).

Из выше написанного расчета видно, что на расстоянии 2,5 мм могут находиться лишь отверстия с диаметром контактной площадки не выше 2,0мм. При диаметре контактных площадок отверстий, равном 2,3; 2,7 мм, расстояние между контактными площадками должно быть не менее 3,75мм.

Таким образом, расчет показывает, что расстояние между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимого значения и параметры печатного монтажа отвечают требованиям четвертого класса точности.

Выводы по разделу

Была выбрана конструкция печатной платы разрабатываемого устройства - односторонняя печатная плата, и метод изготовления печатной платы устройства - комбинированный, как удовлетворяющий конструктивно-технологическим требованиям к разрабатываемому устройству. Был проведен необходимый расчет конструктивных элементов печатного рисунка платы.



4 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЕКТА

4.1 Маркетинговое исследование

На отечественном рынке сенсорные технологии практически появились к началу 2000 года. В основном это были сенсорные информационные киоски на базе зарубежной техники, предназначенные для установки на вокзалах, в гостиницах, музеях, банкоматах и т.п.

В нашей стране также ведутся работы в области создания сенсорных устройств ввода информации. В отечественной практике предпочтение отдается оптическим системам на ИК-лучах, в меньшей степени емкостным и резистивным системам. Известны отдельные разработки сенсорных многофункциональных клавиатур и экранов. Однако отечественные разработки в области сенсорного экранного ввода заметно отстают от зарубежного уровня.

4.2 Расчет себестоимости на разработку устройства

Разработку декоративной системы освещения для жилого помещения условно можно разделить на этапы и работы конструкторской подготовки производства, представленные в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Перечень основных этапов ОКР

Этап	Содержание работ, входящих в этап	Вид, отчетности по законченной работе	Кол-во исполнителей, чел.	Должность	Продолжительность работы, дни
Подготовитель ный	1.Ознакомление с заданием на проектирование		1	Руководитель, техник	2
	2.Подбор и изучение научно-технической литературы	Пояснитель ная записка	2	Техник	2
	3.Анализ состояния вопроса по этой теме	Лит. обзор	2	Техник	2
	4.Разработка и согласование технического задания	Техническое задание	3	Руководитель, техник	3
Эскиз ный	1.Анализ и разработка структурной схемы	Структурная схема	2	Техник	2
	2.Проработка конструкции изделия в целом	Эскиз	1	Техник	1
	3.Разработка алгоритма управляющей программы	Блок-схема алгоритма	2	Техник	1
	4.Составление пояснительной записки к эскизному проекту	Пояснительная записка	2	Техник	3
Технический проект	1.Разработка принципиальной схемы	Принципиальная схема	3	Техник	3
	2.Разработка конструкции печатной платы	Чертеж платы	2	Техник	3
	3.Составление перечня	Перечень	2	Техник	4
	4.Разработка кода управляющей программы	Код программы	2	Техник	1
	5.Составление пояснительной записки к техническому проекту	Пояснительная записка	2	Техник	2
Изготовление опытного образца	1.Обеспечение опытного производства необходимыми материалами и комплектующими изделиями	Составление сметы	2	Техник	4
	2.Изготовление опытного образца	Опытный образец	2	Техник	2
	3.Проверка функционирования опытного образца	Акт проверки	2	Техник	4
Приемка	Передача опытного образца заказчику	Акт передачи	2	Руководитель, техник	1
		Акт передачи	1	Руководитель, техник	4
	Итого				44

На основании данных, представленных в таблице 4.1, рассчитываем смету затрат на ОКР по следующим статьям затрат:

Материалы, использующиеся при выполнении ОКР.

Основная заработная плата разработчиков изделия.

Дополнительная заработная плата (20% от основной заработной платы).

Отчисления на социальные нужды (30% от суммы основной и дополнительной заработной платы).

Накладные расходы (18% от размера основной и дополнительной заработной платы).

Арендная плата за использование помещения, оборудованного для изготовления печатных плат.

В таблице 4.2 представлен расчет заработной платы работников, участвующих в разработке изделия.



Таблица 4.2 Расчет заработной платы работников

Должность	Оклад, руб./ме с.	Оплата, руб./день	Продолжительность работ, дни	Итого
Техник	9500	431	44	18964
Руководитель	14150,4	643,2	10	6432
Итого	25396
Дополнительная заработная плата (20% от основной зарплаты)	5079,2
Основная и дополнительная заработная плата	30475,2
Отчисления на социальные нужды (30% от основной и дополнительной зарплаты)	9142,56

Опираясь на данные, полученные при расчете, в таблице 4.2 можно произвести условный расчет сметы на опытно-конструкторскую разработку изделия.

Затраты на материалы составляют ориентировочно 1300 руб.

Расчет затрат на основную заработную плату разработчиков 25396 рублей.

Расчет затрат на дополнительную заработную плату работников 5079,2 рублей

Отчисления на социальные нужды 9142,56 рублей

Накладные расходы 5485 рубль.

Полученные при расчёте данные следует внести в итоговую таблицу.

Таблица 4.3 - Смета затрат на ОКР устройства.

№ п/п	Затраты по элементам	Сумма, руб.
1	Материалы	1300,00
2	Основная заработная плата разработчиков	25396
3	Дополнительная заработная плата	5079,2
4	Отчисления на социальные нужды	9142,56
5	Накладные расходы
6	Арендная плата	4758
Итого	51161,26

Рисунок 4.1 График основных этапов ОКР

4.3 Расчет себестоимости производства опытного образца

Расчёт себестоимости опытного образца можно разделить на следующие этапы:

основные и вспомогательные материалы;

комплектующие изделия;

основная заработная плата производственных рабочих;

отчисления на социальные нужды;

расходы на аренду помещения, оборудованного для изготовления печатных плат;

прочие расходы.

Затраты на основные и вспомогательные материалы.

В данную статью расходов включаются материалы (основные и вспомогательные), расходуемые на изготовление нестандартных деталей и узлов проектируемого изделия согласно его конструкции, разработка которой представлена в предыдущих главах данного дипломного проекта. Данные, полученные в результате расчёта затрат на основные и вспомогательные материалы, используемые при разработке и производстве опытного образца декоративной системы освещения, представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Расчёт затрат на основные и вспомогательные материалы на одну плату

№ п/п	Наименование и характеристика материалов	Единица измерения	Цена, руб.	Количество	Сумма, руб.
1	Стеклотекстолит СФ1-35Г ГОСТ 10316-78	м2	330	0,13	42,9
2	Припой ПОС-61	кг	730	0,03	21,9
	ГОСТ 21931-76
3	Хлорное железо	кг	240	0,1	24
	ГОСТ 11159-85
4	Спиртобензиновая смесь	л	305	0,1	30,5
5	Флюс паяльный ЛТИ-120	л	495	0,01	4,95
Итого: Основные материалы	124,25
Вспомогательные материалы (25% от основных)	31,06
Итого: основные и вспомогательные материалы	155,31
Транспортно-заготовительные расходы (20% от основных и вспомогательных материалов)	31,06
Всего затрат на основные и вспомогательные материалы	186,37

Затраты на комплектующие материалы на одно изделие определяются согласно ведомости спецификации. Результаты расчёта заносим в таблицу 4.5.

Таблица 4.5 - Расчёт затрат на комплектующие материалы на одно изделие

№	Наименование и характеристика изделий	Единица измерения	Цена, руб.	Кол-во	Сумма, руб.
1	ИМС микроконтроллера	шт	50	1	50
2	Диод	шт	4,3	5	21,5
3	Катушка индуктивности	шт	27,56	3	82,69
4	Резистор	шт	2,9	12	34,8
5	Конденсатор	шт	3,8	15	57
6	Транзистор	шт	13,2	3	39,6
7	Сенсорная панель	шт	73,8	1	73,8
8	ЖКИ	шт	157,3	1	157,3
9	Резонатор	шт	32,5	1	32,5
10	Кнопки	шт	12	4	48
11	Операционный усилитель	шт	37	1	37
	Итого				634,19

Расчёт заработной платы производственных рабочих опытного производства, занятых изготовлением опытного образца.

Таблица 4.6 - Расчёт заработной платы производственных рабочих.

Виды работ	Вид операции	Разряд работы	Трудоемкость, ч	Часовая тарифная ставка, руб./ч	Итого зарплата, руб.
Изготовление печатной платы	Сверловка, нанесение рисунка, травление	3	5	45	225
Монтаж ЭРИ	Пайка	3	3	45	135
Регулировка изделия	Регулировка	5	4	55	220
Итого тарифная заработная плата	580
Доплата (50% от тарифной заработной платы)	290
Итого основная заработная плата	870
Дополнительная зарплата (18% от основной зарплаты)	156,6
Основная и дополнительная заработная плата	1026,6
Отчисления на социальные нужды (30% от основной и дополнительной заработной платы)	307,98

Расчет себестоимости опытного образца проектируемого изделия и прочих расходов

Если количество деталей, узлов и блоков разрабатываемого изделия велико и детально не разработаны технология изготовления и конструкция, допускается расчет себестоимости единицы изделия укрупненным методом. На практике используется укрупненный метод калькулирования величины накладных расходов.

Калькуляцией себестоимости называется исчисление себестоимости единицы продукции.Себестоимость опытного образца рассчитывается по следующей формуле:

Спол = Мосн + Мпок + Зэ + Зосн + Здоп + Ссоц.осн + Знакл. + КР (4.9)

где Мосн - затраты на основные материалы, руб.;

Мпок - затраты на покупные, комплектующие изделия, руб.;

Зэ - расчета затрат на электроэнергию, руб;

Зосн - основная заработная плата производственных рабочих, руб.;

Здоп - дополнительная заработная плата производственных рабочих, руб.;

Ссоц.осн. - отчисления на социальное страхование с заработной платы производственных рабочих, руб.;

Знакл. - накладные расходы;

А - амортизация спецоборудования;

КР - коммерческие (внепроизводственные) расходы.

Данные по материальным затратам, по расходам по заработной плате (основной и дополнительной), по социальным отчислениям берутся из таблиц 4.2 - 4.6 соответственно.

Табл. 4.7 Форма расчета затрат на электроэнергию.

Наименование прибора или оборудования	Количество, шт.	Потребляемая мощность, кВт	Часы работы	Тариф за 1 кВт-час, руб.	Стоимость электроэнергии, руб.
Паяльник	1	0,3	5	4,5	6,75
Компьютер	1	0,7	10	4,5	31,5
Дрель	1	0,5	0,9	4,5	2,02
Итого:	40,27

Накладные расходы представляют собой расходы предприятия, связанные с организацией, управлением производством, а также все общехозяйственные расходы; рассчитывается в % от основной заработной платы производственных рабочих.

Величина накладных расходов принимаются по данным завода, на котором предполагается изготовление новой аппаратуры или производится аналогичная аппаратура. Если завод-изготовитель неизвестен, то размер накладных расходов принимается 200-250 %. В данном проекте 230%.

Знакл = % Зпосн. (2.10)

Знакл = 2,3·870=1362,75 руб.

Коммерческие расходы это расходы, связанные с реализацией продукции.

Величина коммерческих расходов принимаются по данным завода, на котором предполагается изготовление новой аппаратуры или производится аналогичная аппаратура. Если завод-изготовитель неизвестен, то размер коммерческих расходов принимается 5-15%. В данном проекте 7% от производственной себестоимости:

(186,37+634,19+40,27+870+156,6+307,98+1362,75) ·8% = 284,59руб.

Полная производственная себестоимость составит:

186,37+634,19+40,27+870+156,6+307,98+1362,75+240,53 = 3842,75 руб.

Полная себестоимость разрабатываемого образца - 3842,75руб.

Таблица 4.7 Калькуляция себестоимости опытного образца

№ п/п	Наименование статей затрат	Опытный образец (сумма, руб)
1	Основные и вспомогательные материалы	186,37
2	Комплектующие изделия	634,19
3	Основная заработная плата основных производственных рабочих	870
4	Дополнительная заработная плата производственных рабочих	156,6
5	Отчисления на социальные нужды	307,98
6	Арендная плата	4758
7	Накладные расходы	1362,75
8	Коммерческие расходы	284,59
	Полная себестоимость	3842,75

4.4 Расчёт цены единицы продукции

В случае возможной продажи устройства рассчитаем цену продукции.

Цена изделия = себестоимость полная + прибыль (4.1)

Прибыль устанавливается от планируемой рентабельности производства.

Рентабельность - важный показатель экономической эффективности производства на предприятии, объединении, отраслях экономики.

Рентабельность = прибыль/себестоимость · 100% (4.2)

Средняя рентабельность в электротехнической промышленности - свыше 15%.

Рентабельность нашего изделия - 25%.

Прибыль, получаемая от реализации нашего изделия - 25%.

Прибыль = 0,25·себестоимость изделия

Цена изделия = 3842,75+ 3842,75·0,25 = 4803руб (4.3)

Таким образом, цена нашего образца - 4803 руб

Рассчитаем количество продукции, при котором возместятся затраты (единовременные):

(4.4)

где Q - количество продукции;

Ц - цена изделия;

Зединоврем. - единовременные затраты;

Себест - себестоимость изделия;

(4.5)

Таким образом, необходимо реализовать 47 штук изделий, чтобы окупить затраты, связанные с опытно-конcтрукторскими работами.Произведем поверку расчёта точки безубыточности графическим методом (Рисунок 4.1).

Таблица 4.10 Основные технико-экономические показатели

№	Показатели	Единица измерения	Значения
1	Единовременные затраты (ОКР)	руб	51161,26
2	Себестоимость собранного опытного образца	руб.	3842,75
3	Цена опытного образца	руб.	4803
4	Прибыль	руб.	960,68
5	Рентабельность	%	25
6	Количество изделий, которое необходимо пропроизвести, чтобы добиться безубыточности	шт	53

Рисунок 4.2 График расчета точки безубыточности

Выводы по разделу

В данном дипломном проекте проведен расчет на проектирование и создание устройства. Полная себестоимость продукта при сборке составила 3842,75 рублей.

Цена прибора будет составлять 4803 рублей что на 20% дешевле аналогов по таким же характеристикам, рентабельность- 25% . При продаже 53 шт образца окупятся затраты, связанные с опытно -конструкторской разработкой.



5 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ

В данном дипломном проекте разработан графический интерфейс пользователя для определения взаимодействия с пользователем на уровне визуализированной информации. При разработке устройства необходимо провести анализ неблагоприятных факторов, воздействующих на окружающую среду и людей непосредственно связанных с его изготовлением, а также устранению или снижение этих факторов.

В этом разделе будут рассмотрены следующие вопросы: выявление и анализ опасных и вредных факторов, возникающих при производстве радиоэлектронной аппаратуры; описание и обоснование мероприятий для устранений вредных факторов при изготовлении радиоэлектронных устройств; проведена характеристика параметров рабочего помещения; расчет заземления, вентиляции и расчет искусственного освещения, а также основные мероприятия по пожарной безопасности для рабочего помещения. Так как в процессе изготовления радиоэлектронной аппаратуры возникает вероятность выделение вредных паров при пайке, был проведен расчет валовых выбросов свинца и оксида олова.

5.1 Характеристика объекта разработки и рабочего помещения

Разработанное устройство представляет собой радиоэлектронный блок, предназначенный для определения взаимодействия с пользователем на уровне визуализированной информации. При возникновении аварийных режимов диагностические инструменты должны позволять сохранять полный набор информации, необходимой разработчику для идентификации проблемы (снимки экранов, текущее состояние памяти, файловой системы).. При этом отображение режимов работы осуществляется LCD экран, параметры сети передаются через интерфейс RS-485 в систему верхнего уровня. Все управление осуществлено на базе микроконтроллера. Напряжение питания для УЗИП составляет 5 В при токе 25 мА.

Типовое рабочее место монтажника радиоаппаратуры и устройств в критериях единичного мелкосерийного производства содержит в себе: однотумбовый стол и кресло; регулируемый по высоте и по горизонтали осветительный прибор; ящик для отходов, крепящийся на шарнирах; ввод для электропаяльника и промышленного фена; газоприемник местного отсоса; панель для включения контрольно-измерительных устройств с клеммой для заземления. Верхняя крышка стола покрывается жаропрочным пластиком. По мере необходимости регулирования температуры нагрева электропаяльника и промышленного фена рабочее место оснащается автотрансформатором либо автоматическим устройством для регулирования температуры жала электропаяльника. Искусственное освещение предусматривает освещенность в рабочей зоне 300-400 лк. Клеммы ввода электроэнергии к рабочему месту ограждаются во избежание случайного прикосновения. Локальный климат в производственном помещении поддерживает механическая общеобменная вентиляция. В прохладный и переходный периоды года температура в рабочей зоне составляет 18-20°С, относительная влажность воздуха - 60-40%, скорость движения воздуха - 0,2 м/с; в теплый период года: температура 22-25° С, относительная влажность воздуха - 60-40%, скорость движения воздуха - 0,3 м/с. Пол под ногами радиомонтажника всегда сухой и изолированный от железных частей. Напряжение питания электропаяльника, промышленного фена и контрольно-измерительной аппаратуры составляет 220 В.

Все неподсоединенные к полосам заземления предметы (инструменты, компактные приборы, комплектующие изделия в железной антистатической таре либо без нее и пр.) размещены на заземленной металлической пластинке на рабочем столе.

При работе с полупроводниковыми устройствами и микросхемами необходимо помнить о заземлении: рук радиомонтажника с помощью браслета; корпуса электропаяльника; корпуса автоматических установок, созданных для монтажа полупроводниковых устройств и микросхем; корпуса измерительной и иной аппаратуры.

Рациональное размещение инструментов содействует правильной планировке рабочего места, устранению лишних движений, уменьшению утомляемости, что уменьшает утраты рабочего времени и наращивает, таким образом, производительность труда.

5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Опасным производственным фактором называется такой фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. Вредным производственным фактором называют такой фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению трудоспособности.

К основным вредным и опасным факторам, что влияют на людей, занятых на производстве радиоэлектронной аппаратуры, можно отнести :

плохая освещенность рабочей зоны;

опасность поражения электрическим током;

неудовлетворительные параметры микроклимата рабочей зоны в производственных помещениях;

содержание в воздухе рабочей зоны вредных веществ разного характера влияния в концентрациях, превышающих предельно допустимые концентрации.

В качестве информации, получаемой через зрительный канал, во многом зависит от освещения. Неудовлетворительное освещение может исказить информацию; кроме того, оно утомляет не только зрение, но вызывает утомление организма в целом. Неправильное освещение может также являться причиной травматизма: плохо освещенные опасные зоны, слепящие лампы и блики от них, резкие тени ухудшают или вызывают полную потерю ориентации у работающих.

Естественное освещение должно предусматриваться, как правило, в помещениях с постоянным пребыванием людей.

Искусственное освещение предусматривается для освещения производственных, жилых, общественных, складских и вспомогательных зданий; площадок предприятий и мест производства работ вне зданий; улиц, дорог и площадей в городах, поселках и сельских населенных пунктах; некоторых помещений и производственных участков в зданиях различного назначения.

Совмещенное освещение помещений производственных зданий допускается предусматривать:

а) для производственных помещений, в которых выполняются работы I и II разрядов;

б) для производственных и других помещений в случаях, когда по условиям технологии, организации производства или климата в месте строительства требуются объемно-планировочные решения, которые не позволяют обеспечить нормированные значения коэффициента естественной освещенности;

в) в соответствии с нормативными документами по строительному проектированию зданий и сооружений отдельных отраслей промышленности, утвержденными в установленном порядке.

Разработанное устройство относится к классу радиоэлектронного оборудования, принцип действия которых основан на использовании радиотехнических устройств, электронных и полупроводниковых приборов.

В процессе изготовления и монтажа проектируемого изделия монтажнику требуется паяльник, питание которого осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220В, вследствие чего возникает вероятность соприкосновения человека с токоведущими частями паяльника.

Организация и проведение работ по пайке изделий должны соответствовать требованиям Правил и действующих нормативных актов, содержащих государственные нормативные требования охраны труда .

На работников, занятых пайкой изделий, возможно воздействие следующих опасных и вредных производственных факторов:

повышенная загазованность воздуха рабочей зоны парами вредных химических веществ;

повышенная температура поверхности изделия, оборудования, инструмента, расплавов припоев и солей;

повышенная температура воздуха рабочей зоны.

При производстве печатных плат радиоэлектронной аппаратуры широко используется сплав олово-свинец - при пайке и лужении. Так как процесс изготовления происходит при повышенных температурах, следует опасаться выделяемых

в атмосферу тяжелых паров, свинца, вызывающих раздражение слизистых оболочек, а при больших концентрациях - рак кожи и дыхательных путей. При сверлении монтажных и технологических отверстий в платах образуется пыль, которая при попадании в дыхательные пути человека, может вызвать раздражение.

5.3 Мероприятия по устранению или уменьшению влияния опасных и вредных производственных факторов

Для обеспечения производственного освещения примем следующие меры:

освещенность на рабочих местах должна соответствоват...