Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

USB - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Объектом исследования является изучение методов и способов контроля измерения напряжения, количество импульсов и частоту USB - измерительным прибором.

Цель работы - разработка USB - измерительного прибора.

В процессе работы проводились экспериментальные исследования USB - измерительного прибора, который позволяет измерять 4 напряжения с точностью до 0,002 В, два периода по переднему фронту, две длительности высокого уровня и подсчитать количество импульсов. Точность измерения времени 0,001 секунды. Измерять частоту с точностью до 10 Гц.

В результате исследования был создан USB - измерительный прибор.

Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: высокая точность измерения напряжения и точность измерения частоты.

Эффективность измерителя определяется малой ценой устройства, ремонтопригодностью, современной и доступной элементной базой. Установка может применяться в лаборатории различных учебных заведений, радиотехнических организациях, у радиолюбителей и военных частях.



Содержание

Задание на выпускную квалификационную работу

Реферат

Введение

1. Техническая часть

1.1 Анализ технического задания

1.2 Патентный поиск

1.3 Назначение и принцип действия

2. Конструкторская часть

2.1 Обоснование и выбор элементной базы

2.1.1 Выбор конденсаторов

2.1.2 Выбор резисторов

2.1.3 Выбор диодов

2.1.4 Выбор разъемов

2.1.5 Выбор кварцевого резонатора

2.1.6 Выбор микросхем

2.2 Расчет печатной платы

2.3 Расчет надежности

2.4 Описание конструкции

3. Технологическая часть

3.1 Анализ и расчет технологичности конструкции

3.2 Выбор и обоснование сборочно-монтажного оборудования

3.3 Выбор технологического оборудования

4. Экономическая часть

4.1 Расчет нормы времени на операции сборки

4.2 Расчет численности исполнителей и их фондов оплаты труда

4.3 Расчет стоимости основных материалов и покупных комплектующих изделий

4.4 Расчет затрат по содержанию и эксплуатации оборудования и общепроизводственных расходов

4.5 Расчет себестоимости изготовления USB-измерительного прибора

4.6 Технико-экономические показатели участка сборки и регулировки изделия

4.7 Оценка рынка сбыта

5. Охрана труда

5.1 Виды излучений

5.2 Воздействие ионизирующих излучений на организм человека

5.3 Методы защиты от ионизирующих излучений

Заключение

Список литературы

Приложение А Гарантийные обязательства



Введение

Измерение -- совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой всеми участниками за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений -- мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей [1].

Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства. При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используются различные физические величины, число которых достигает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные. При реализации любого процесса измерения необходимы технические средства, осуществляющие восприятие, преобразование и представление числового значения физических величин [2].

В настоящее время иметься большое число различных измерительных приборов в том числе и вольтметрах. Однако, эти измерительные приборы имеют сравнительно высокую стоимость и определённые габаритные размеры и в некоторых случаях нет необходимости использовать эти измерительные приборы.

В настоящее время вместо отдельных измерительных приборов можно использовать любой персональные компьютеры которые имеются практически в любой фильме и потому где нет необходимости использовать дорогостоящий вольтметр можно применить сравнительно простую приставку к компьютеру [3].

Исходя из выше изложенного, целью данной выпускной квалификационной работы являлась разработка приставки - вольтметра которая подключается к компьютеру при помощи USB разъёма. Особенностью этой приставки является, то что в ней используется микроконтроллер, благодаря которому эта приставка имеет небольшие габаритные размеры и сравнительно невысокую стоимость [4].



1. Техническая часть

компьютер вольтметр приставка регулировка

1.1 Анализ технического задания

Существует большой круг измерительных приборов, применяемых для каких-то конкретных работ: измерения параметров питающей сети, обслуживания телефонных и вычислительных сетей, тестирования проводных линий и многое другое. Все они прекрасно подходят для выполнения специфических измерений, но не более того. Поэтому ремонт и обслуживание различного оборудования невозможны без универсальных измерительных приборов: мультиметров, осциллографов, универсальных генераторов, частотомеров, логических анализаторов.

В настоящее время большинство из этих устройств производится в различных модификациях: носимой, переносной и стационарной.

А принципиальные отличия различных приборов заключаются, пожалуй, в классе точности и функциональности. Носимые модификации обычно попроще в плане набора сервисных функций и точность имеют похуже, но для бытовых областей применения их вполне хватает.

При выборе конкретной модели, в каких-то особых случаях, следует учитывать некоторые важные моменты:

- электрическая защита входов. Слишком часто приборы приходят в негодность из-за неправильного подключения.

- простота измерений. Существуют приборы с очень сложной системой меню, в которой надо разбираться. Что конечно же не очень подходит для бытового применения.

- комплектность. В комплект прибора уважающей себя фирмы обязательно должны входить необходимые аксессуары (щупы, зажимы, делители, шнуры и т.п.).

Разработанное устройство обладает следующими функциональными возможностями:

- наличие функции измерение частоты;

- умножение показаний (при применении внешнего делителя частоты);

- удержание показаний, запись одного значения частоты в энергонезависимую память и возможность последующего считывания.

Устройство обладает следующими техническими характеристиками:

- диапазон измерения напряжения, мВ 0 до 22046;

- диапазон измерения частоты, МГц от 0 до 3;

- диапазон измерения счётчика импульсов от 0 до 65535;

- диапазон измерения периода, мс от 0 до 16777215;

- диапазон измерения длительности высокого уровня, мс от 0 до 16777215;

- напряжение питания, В 5;

- потребляемый ток, А 0,5;

- время измерения, с 0,1; 1.

Разработанное по своим техническим характеристикам практически не уступает аналогичным устройством выпускаемой промышленностью. Однако в связи с ведением микроконтроллеров данное устройство имеет небольшие габаритные размеры, довольно высокую точность измерений и имеет сравнительно не высокую стоимость.

Для выполнения поставленных условий необходимо:

- провести возможные схемотехнические решения;

- исследовать доступную элементную базу и произвести её выбор;

- рассчитать параметры печатной платы;

- сделать вывод о надёжности устройства.



1.2 Патентный поиск

Патентный поиск - это процесс отбора соответствующих запросу документов или сведений по одному или нескольким признакам из массива патентных документов или данных. При этом осуществляется процесс поиска из множества документов и текстов только тех, которые соответствуют теме или предмету запроса.

Патентный поиск осуществляется посредством информационно-поисковой системы и выполняется вручную или с использованием соответствующих компьютерных программ, а также с привлечением соответствующих экспертов.

Предмет поиска определяют исходя из конкретных задач патентных исследований категории объекта (устройство, способ, вещество), а также из того, какие его элементы, параметры, свойства и другие характеристики предполагается исследовать.

При патентном поиске сравниваются выражения смыслового содержания информационного запроса и содержания документа.

Среди основных целей патентного поиска можно выделить [5]:

- проверка уникальности изобретения;

- определение особенностей нового продукта;

- определение других сфер применения нового продукта;

- поиск изобретателей или компании, получивших патенты на изобретения в той же области;

- поиск патентов на какой-либо продукт;

- найти последние новинки в исследуемой области;

- поиск патентов на изобретения в смежных областях;

- определение состояния исследований в интересуемом технологическом поле;

- выяснить, не посягает ли ваше изобретение на чужую интеллектуальную собственность;

- получить информацию о частных лицах, имеющих патенты на схожие изобретения;

- поиск потенциальных лицензиаров;

- поиск дополнительных информационных материалов.

Информационно-поисковая система - это логическая система, предназначенная для нахождения и выдачи информации, в том числе при патентном поиске, в документальном или ином виде и представляющая собой совокупность информационно-поискового языка, правил переводов текстов на этот язык, общих правил поиска и критерия смыслового соответствия содержания текста информационному запросу [5].

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ [6]



УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ПО ДВУМ УРОВНЯМ [7].



ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ПОККЕЛЬСА [8].

В ходе выполнения патентного поиска установлено, что в области электроизмерительных приборов существуют авторские разработки, поэтому в качестве базового изделия выбран патент «ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ» № 2517783 авторов Заводсков Сергей Дмитриевич (RU), Гулин Юрий Юрьевич (RU), Коваленко Дмитрий Андреевич (RU) и Мокрова Юлия Игоревна (RU).

1.3 Назначение и принцип действия

USB - измерительный прибор предназначен для измерения напряжений с высокой степенью точности до 0,0002 В. Кроме того он позволяет измерять интервалы времени с точностью до 0,001 секунды и частоту колебаний с точностью 10 Гц.

USB - измерительный прибор состоит из блоков:

- микроконтроллер;

- генератор тактовых импульсов;

- стабилизатор напряжения;

- блок индикации;

- интерфейс.

Микроконтроллер служит для преобразования аналоговой информации в дискретную, обработки информации и передачи ее в эфир. Генератор тактовой частоты служит для формирования тактовых импульсов, служащих для синхронизации работы микропроцессорного устройства (МПУ).

Стабилизатор напряжения формирует напряжение постоянного тока 5В с точностью в 2%. Блок индикации служит для отображения режима работы модуля. Интерфейс служит для подключения внешнего программатора.

Основой прибора является микроконтроллер DD1 PIC18F2685 и UART-USB интерфейс DD2 FT232RL. Микроконтроллер DD1 можно запрограммировать, подключив к разъёму X4 внутрисхемный программатор MPLAB ICD 2 или MPLAB ICD 3. Принудительная возможность сбросить микроконтроллер во время работы отсутствует, R13 подключен к NMCLR выводу микроконтроллера. Генератор тактовой частоты для микроконтроллера DD1 собран на кварцевом резонаторе ZQ1 и стабилизирующих конденсаторах C1 и C2.

К разъёму X1, X2 и X3 подключены резисторы R1…R12 для рассеивания электрической энергии из-за возможного замыкания выводов между собой или с питанием. Источник опорного напряжения DA2 LM4040C20ILPE3 подключен последовательно с резистором R17 и даёт для 10-ти битного АЦП микроконтроллера 2,048В.

Питаться прибор может во время программирования через разъём X4 (в настройках интегрированной среды MPLAB IDE нужно этот способ указать). Подключить через разъём X6 блок питания (способного давать переменный или постоянный ток 0,5A и напряжение 9…15В). Полярность можно не соблюдать, всё равно диодный мост VD3 выпрямит ток. Интегральный линейный стабилизатор напряжения DA1 L7805ACV стабилизирует напряжение 5В с точностью в 2%. Развязка напряжения между источниками питания подключенными к разъёмам X5 и X6 выполнена на диодах Шоттки VD1 и VD2. Питание прибора блокируется фильтрующими конденсаторами C3...C12.

Светодиоды HL1...HL3 информируют о питании, работе и трафике данных прибора.

Собрав и запрограммировав устройство можно подключить к компьютеру через USB разъём X5.Устанавливаем специальный драйвер. Программное обеспечение работает с такими операционными системами как Windows XP,7 и 8.

Открыть ПO AYK-USB. Затем убедившись, что компьютер распознает прибор можно нажать на кнопку «Connect and run». Кнопка «Connect and run» изображена рисунке 1.

Рисунок 1

Если программа не нашла прибор, тогда появляется сообщение об ошибке. Как изображено на рисунке 2.

Рисунок 2

При грамотном подключении программа выглядит, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Чтобы в поле «Data» отобразить напряжение, частоту, количество импульсов или время с размерностью нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на нужном поле.

Для запуска секундомера нужно выполнить любое из двух условий:

1) Выбрав А и для начала отсчета времени подать высокий логический уровень на выход lnA. Пока происходит удержание высокого уровня на выходе lnA, секундомер работает значит можно производит измерения периода (интервала времени между двумя физическими событиями) или время удержания высокого уровня (длительность конкретного физического события) на выходе lnB.

2) Выбрать С и для начала отсчёта времени установить высокий логический уровень на выходе OutC. Секундомер работает, пока на выходе OutC установлен высокий логический уровень.

На рисунок 4 изображена диаграмма измерения времени импульсов на выходе lnA. В данном режиме аналогичным образом можно измерить время импульсов на выходе lnB.

При работе программа в одной директории формирует отчет в файле report.csv параллельно ходу измерения, отчет можно открыть в блокноте изображенном на рисунке 5.

Для загрузки CSV-файла в электронную таблицу нужно установить Open Office.

Рисунок 4

Рисунок 5

На рисунке 6 показана электронная таблица, импортированная из файла report.csv. Можно провести необходимые расчёты и построить график.

Для разрыва связи компьютера с прибором нужно нажать на кнопку «Disconnect».

Рисунок 6



2. Конструкторская часть

2.1 Обоснование и выбор элементной базы

Обоснование выбора элементной базы является весьма ответственным этапом в работе конструктора, т.к. выбор элементов определяет важнейшие показатели проектируемого изделия [9]:

- надежность;

- стоимость.

Исходными данными для выбора того или иного элемента являются:

- назначение элемента (назначение цепи, в которой он находится);

- режим цепи, в которую включен элемент (рабочая частота, параметры импульсов, ток, напряжение);

- электрический номинал элемента и основные его параметры (величина сопротивления, номинальная рассеиваемая мощность, величина емкости и т. д.);

- условия эксплуатации проектируемого прибора (температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность окружающего воздуха, параметры механических воздействий).

При обосновании выбора того или иного элемента конструктор должен руководствоваться следующими критериями:

- электрические параметры выбираемого элемента должны соответствовать режиму цепи и номиналу, указанному на схеме;

- технические условия (ТУ) на выбранный элемент должны соответствовать условиям эксплуатации проектируемого изделия, указанным в техническом задании на разработку;

- конструкция выбираемого элемента должна обеспечивать удобство его установки;

- коммутационные изделия, установленные на передней панели должны удовлетворять требованиям технической эстетики;

- при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать более миниатюрным элементам;

- надежность выбираемого элемента должна быть максимальной;

- стоимость выбираемого элемента должна быть минимальной.

Следует подчеркнуть, что последние два критерия являются противоречивыми. Как правило, наиболее надежными элементами являются наиболее дорогие. Поэтому при выборе элементов необходимо ориентироваться либо на обеспечение заданной надежности, либо на обеспечение так называемой оптимальной надежности.

2.1.1 Выбор конденсаторов

Конденсатор - двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом.

Исходными данными для выбора конденсаторов являются:

- номинальная величина ёмкости, указанная на схеме и допуск на величину ёмкости;

- назначение цепи, в которой стоит конденсатор;

- режим цепи (постоянный ток, перемены ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов);

- условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора (температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки);

- желательно конструктивное оформление конденсатора.

Для данного устройства необходимы конденсаторы емкостью 22 и 220 пкФ; 0,1 и 100 мкФ.

Для конденсаторов с емкостью 22пкФ среди К10-17А, К10-17Б было решено использовать керамический конденсатор К10-17А из-за надёжности и доступности.

Параметры К73-17А [10]:

– номинальная емкость, мкФ 22;

– допуск номинала, % 10;

– рабочая температура, ⁰С от минус 60 до плюс125;

– выводы/корпус радиальные/проводной;

– длина корпуса L, мм 6,8;

– ширина корпуса W, мм5,6;

– толщина корпуса T, мм 4,6;

– расстояние между выводами A, мм 2,5.

Корпус керамического конденсатора К73-17А представлен на рисунке 7.

Рисунок 7

Для конденсатора с емкостью 220 мкФ среди К50-35 мини, К50-35 и К50-29 было решено использовать электролитический алюминиевый конденсатор К50-35 из-за его доступности и низкой цены.

Параметры К50-35:

– номинальная емкость, мкФ 220;

– рабочее напряжение, В 25;

– допуск номинала, % 20;

– рабочая температура, ⁰С от минус 55 до плюс 105;

– выводы/корпус радиальные/проводной;

– диаметр корпуса D, мм 8;

– длина корпуса L, мм 11;

– расстояние между выводами F, мм 2,5;

– диаметр вывода d,мм 0,5.

Корпус электролитического алюминиевого конденсатора К50-35 представлен на рисунке 8.

Рисунок 8

Для конденсаторов с емкостью 0,1мкФ среди КД2, К10-17, К10-7Б, К73-17 было решено использовать металлоплёночный конденсатор К73-17 из-за их доступности и низкой цены.

Параметры К73-17:

– номинальная емкость, мкФ 0,1;

– допуск номинала, % 10;

– рабочая температура, ⁰С от минус 55 до плюс 100;

– расстояние между выводами P, мм 5;

– высота корпуса H, мм 6,5;

– толщина корпуса T, мм 2,5;

– ширина корпуса W, мм 7,2.

Корпус металлоплёночного конденсатора К73-17 представлен на рисунке 9.

Рисунок 9

Для конденсаторов с емкостью 100 мкФ среди К50-35 мини, К50-35, К50-29 было решено использовать электролитический алюминиевый миниатюрный конденсатор К50-35 мини из-за надёжности и доступности.

Параметры К50-35 [11]:

– номинальная емкость, мкФ 100;

– допуск номинала, % 20;

– рабочая температура, ⁰С от минус 40 до плюс 85;

– выводы/корпус радиальные/проводной;

– диаметр корпуса D, мм 5;

– длина корпуса L, мм 7;

– расстояние между выводами F, мм 2;

– диаметр вывода d,мм 0,5.

Корпус электролитического алюминиевого миниатюрного конденсатора К50-35 представлена на рисунке 10.



Рисунок 10

2.1.2 Выбор резисторов

Резистор - пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току, проходящему через него.

При выборе постоянных резисторов исходными данными являются [6]:

- номинальная величина сопротивления, указанная на схеме и допуск на величину сопротивления;

- мощность рассеивания;

- назначение цепи, в которой установлен резистор;

- режим цепи (постоянный ток, перемены ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов);

- температурный коэффициент сопротивления.

Во всех случаях надо помнить об экономической стороне, то есть при прочих равных условиях предпочтение отдают более дешевому резистору.

Резисторы подразделяются на следующие виды: тонкослойные углеродистые, композиционные объемные, тонкослойные металлизированные, композиционные пленочные резисторы.

В устройстве необходимы резисторы сопротивлением 200 и 270 Ом, 1 и 10 кОм. Среди всех вариантов С2-23, SMD0805, SMD0603 из-за небольших габаритов, удобства работы, распространенности и цены было решено использовать SMD-резисторы типоразмера 0805 [12].

Параметры резисторов:

– монтаж smd 0805;

– номинальное сопротивление от 20Ом до 30кОм;

– точность, % 1;

– номинальная мощность, Вт 0,125;

– максимальное рабочее напряжение, В 150;

– длина корпуса L, мм 2;

– ширина корпуса W, мм 1,25.

Корпус SMD-резистора размера 0805 показан на рисунке 11.

Рисунок 11

2.1.3 Выбор диодов

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов) [13].

В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:

- выпрямительные;

- универсальные;

- импульсные;

- сверхвысокочастотные;

- стабилитроны;

- варикапы;

- туннельные;

- обращенные;

- фотодиоды;

- светоизлучающие диоды;

- генераторы шума;

- магнитодиоды.

По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. В плоскостных диодах электрический переход имеет линейные размеры значительно большие толщины самого перехода. К точечным относят диоды, у которых размеры электрического перехода, определяющие его площадь, меньше толщины области объемного заряда.

В устройстве необходимы диоды Шоттки. Среди всех вариантов SS24, SS26 из-за небольших габаритов, удобства работы, распространенности и цены было решено использовать SS24.

Параметры диоды SS24:

- максимальное постоянное обратное напряжение, В 40;

- максимальное импульсное обратное напряжение, В 40;

- максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А 2;

- максимально допустимый прямой импульсный ток, А 50;

- максимальный обратный ток, мкА 25гр 400;

- максимальное прямое напряжение, В 0,5;

- рабочая температура, С от минус 65 до плюс 150.

Корпус DO-201 диода SS24 показан на рисунке 12.

Рисунок 12

Из диодных мостов марок КЦ402А, КЦ405А, КЦ412А, КЦ407А было решено использовать диодный мост КЦ407А из-за их доступности минимальных габаритных размеров.

Параметры диодного моста КЦ407А:

- максимальное постоянное обратное напряжение, В 400;

- максимальное импульсное обратное напряжение, В 400;

- максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А 0,5;

- максимально допустимый прямой импульсный ток, А 2;

- максимальный обратный ток, мкА 5;

- максимальное прямое напряжение, В 2,5;

- рабочая температура, С от минус 60 до плюс 85.

Корпус диодного моста КЦ407А показан на рисунке 13.



Рисунок 13

При выборе светодиодов необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых: принципиальной схемой, частотой и величиной входного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки и т.д.

Тип светодиода необходимо выбирать исходя из цвета свечения, а также с учетом режимов эксплуатации и габаритных размеров. В разработанном устройстве используются светодиоды красного, синего и зелёного цвета свечения. В качестве светодиодов красного, синего и зелёного цвета свечения можно использовать L-53SRD-E, L-1593SRT-D, АЛ307БМ, FYL-5013SRT1С, FYL-10013SRT1A, 5WR4MC, 5WB4NC, 5WPG4MC и др. Выбираем светодиоды красный - 5WR4MC,синий -5WB4NC и зелёный - 5WPG4MC, так как они имеют небольшие габаритные размеры и его эксплуатационные характеристики соответствуют техническим требованиям к разработанному устройству.

Технические параметры светодиодов 5WR4MC, 5WB4NC, 5WPG4MC (рисунок 14):

- длина волны, нм 650…675;

- сила света, мКд 0,9;

- цвет линзы красный матовый;

- форма линзы круглая;

- максимальное прямое напряжение, В 2;

- максимальное обратное напряжение, В 2;

- постоянный прямой ток, мА 10;

- постоянный максимальный прямой ток, мА 22;

- рабочая температура, ⁰С от минус 40 до плюс 85.

Рисунок 14

2.1.4 Выбор разъемов

Разъём - электромеханическое устройство для осуществления соединения электрических проводников. Обычно состоит из штекера (вилки) и соответствующего ему гнезда (розетки).

Конструктивно разъём состоит, как правило, из корпуса и контактной группы.

Характеристики разъемов:

- число контактов;

- допустимые токи и напряжения;

- контактное давление;

- контактное сопротивление;

- электрическая прочность;

- сопротивление межконтактной изоляции;

- диапазон рабочих частот;

- габариты;

- допустимые климатические и механические условия эксплуатации;

- гарантированное кол-во циклов коммутации.

Для подключения к измерительному прибору испытуемых объектов используется штыревые разъемы CTBP9508/3AO(на 3 вывода), CTBP9508/5AO(на 5 выводов), CTBP9558/6(на 6 выводов) которые обладают номинальным напряжением - 300В, номинальным током - 15А, улучшенной конструкцией, гарантирующей легкое соединение/рассоединение и высокую надежность [18]. Корпус данных разъёмов показан на рисунке 15.

Рисунок 15

Для подключения программатора для данного измерительного прибора предусмотрена розетка TJ6P6C, которая обладает улучшенной конструкцией, гарантирующей легкое соединение/рассоединение и высокую надежность. Корпус розетки TJ6P6C показан на рисунке 16.



Рисунок 16

Для подключения измерительного прибора к компьютеру предусмотрена розетка USBB-1J которая обладает улучшенной конструкцией, гарантирующей легкое соединение/рассоединение и высокую надежность. Корпус розетки USBB-1J показан на рисунке 17

Рисунок 17

Для подключения питания к измерительному прибору предусмотрено гнездо DS-261B который обладает улучшенной конструкцией, гарантирующей легкое соединение/рассоединение и высокую надежность. Корпус гнезда питания DS-261B показан на рисунке 18.



Рисунок 18

2.1.5 Выбор кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор -- прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы [14].

Рассмотрим следующие типы кварцевых резонаторов: RV-26, RV-38, NX2520SA и HC-49U. Выбирается кварцевый резонатор типа HC-49U, так как его частота до 10 МГц, совпадает с рабочей частотой микроконтроллера. Параметры кварцевых резонаторов типа HC-49U:

- частота, МГц 10;

- рабочий температурный диапазон, ^оС от минус 20 до плюс 70;

- ёмкость нагрузки, пФ 32;

- шунтирующая емкость, пФ 7;

- сопротивление изоляции, МОм 500;

- длина корпуса L, мм 13,5;

- диаметр (ширина) корпуса D (W), мм 11,5.

Корпус кварцевого резонатора HC-49U представлен на рисунке 19.



Рисунок 19

2.1.6 Выбор микросхем

Основными критериями при выборе используемых серий микросхем является их номенклатура, представленная в данной серии. Кроме того, учитываются параметры:

- назначение;

- напряжение питания;

- способ монтажа;

- ток потребления;

- входные и выходные уровни напряжений и токов.

Микросхемы можно разделить на три условные группы - логические, аналоговые и специализированные. Специализированные микросхемы заменить другим типом нельзя, так как при этом потребуется изменять построение схемы.

Выбор аналоговых микросхем из серии стабилизаторов напряжения (STU) достаточно широк, но при этом необходимо учитывать разные параметры, в зависимости от конкретной схемы, в которой они применяется.

Выбор стабилизатора напряжения

При выборе стабилизатора напряжения необходимо учитывать следующие данные:

- номинальное значение выходного напряжения U_вых;

- пределы регулирования выходного напряжения U_выхmin, U_выхmax;

- максимальный и минимальный токи нагрузки I_нmax, I_нmin;

- нестабильность входного напряжения;

- нестабильность выходного напряжения K_u=?U_вых/U_вых;

- коэффициент пульсаций выходного напряжения К_п;

- коэффициент стабилизации напряжения K_CT=?/K_u;

- внутреннее сопротивление стабилизатора R_вн;

- температурный коэффициент.

Выбор микросхемы производится по заданным U_вых, I_{вых max}, К_ст, R_вн. При этом следует отдавать предпочтение тем микросхемам, которые работают с меньшим количеством внешних элементов. При этом должны быть выполнены условия:

U_{вых имс} U_вых; I_{вых max имс} I_{н max}; К_{ст имс}>К_ст.

Исходя из вышеизложенного, выбираем микросхему L7805ABV. Данный стабилизатор не дорогой и прост в применении, что позволяет облегчить проектирование радиоэлектронных схем со значительным числом печатных плат, к которым подается нестабилизированное постоянное напряжение, и на каждой плате отдельно монтируется свой стабилизатор.

Микросхема - стабилизатор L7805ABV имеет тепловую защиту, а также встроенную систему предохраняющую стабилизатор от перегрузки по току [15].

Микросхема L7805ABV имеет следующие технические параметры:

- входное напряжение, В 35;

- выходное напряжение, В 5;

- максимальный ток нагрузки, А 1;

- ток потребления, мА 5,5;

- число регуляторов в корпусе 1;

- рабочая температура, ⁰С от минус 40 до плюс 125;

- корпус ТO-220.

Корпус стабилизатора L7805ABV представлен на рисунке 19.

1 - выход; 2 - общий; 3 - выход

Рисунок 19

Источник опорного напряжения (ИОН) -- базовый электронный узел, поддерживающий на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение. ИОН применяются для задания величины выходного напряжения стабилизированных источников электропитания, шкал цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Точности измерения, преобразования и стабильность этих устройств определяются точностными параметрами используемых в них ИОН.

Выбираем микросхему LM4040C20ILP так как она является не дорогой и проста в применении.

Микросхема - источник опорного напряжения LM4040C20ILP имеет низкий температурный коэффициент для обеспечения стабильного выходного напряжения в широком диапазоне рабочих токов и температур. Стабилен со всеми емкостными нагрузками, не требуется выходной конденсатор, низкий уровень шума на выходе, широкий диапазон рабочих токов.

Микросхема LM4040C20ILP имеет следующие технические параметры:

- рабочая температура, ⁰С от минус 40 до плюс 85;

- опорное напряжение, В 2,048;

- номинальная точность, % 0,5;

- корпус ТO-226AA.

Корпус источника опорного напряжения LM4040C20ILP представлен на рисунке 20.

1 - выход; 2 - общий; 3 - выход

Рисунок 20

PIC18FXX - это 8-pазpядные микроконтроллеры с RISC архитектурой, производимые фирмой Microchip Technology. Это семейство микроконтроллеров отличается низкой ценой, низким энергопотреблением и высокой скоростью. Микpоконтpоллеpы имеют встроенное ЭППЗУ программы, ОЗУ данных и выпускаются в 8 выводных корпусах.

PIC OTP - это однократно программируемые пользователем контроллеры, предназначенные для полностью оттестированных и законченных изделий, в которых не будет происходить дальнейших изменений кода. Эти контроллеры выпускаются в дешевых пластиковых корпусах с предварительно заданным типом внешнего генератора - кварцевым или RC.

Для отладки программ и макетирования выпускается вариант контроллеров с ультрафиолетовым стиранием. Эти контроллеры допускают большое число циклов записи/стирания и имеют очень малое время стирания - обычно 1…2 минуты. Однако цена таких контроллеров существенно выше, чем однократно программируемых, поэтому их невыгодно устанавливать в серийную продукцию.

Для изделий, программа которых может меняться, либо содержит какие-либо переменные части, таблицы, параметры калибровки, ключи и т.д., выпускается электрически стираемый и перепрограммируемый контроллер PIC18F2685. Он также содержит электрически перепрограммируемое ПЗУ данных.

Поэтому микроконтроллер PIC18F2685 выбран для реализации разрабатываемого устройства. Микроконтроллер конструктивно представляет собой корпус SOIC-28 [16].

Микроконтроллер PIC18F2685 имеет следующие характеристики:

– простой набор команд 33 (12 бит);

– 2-х уровневый аппаратный стек;

– 1 (8-битный) регистр выбора файла;

– наименьший форм-фактор;

– программируемый сброс сброса (BOR);

– программируемое обнаружение низкого напряжения;

– сброс при включении питания (POR);

– внутренний генератор с частотой от 32 кГц до 8 МГц;

– наблюдение за таймером собаки (WDT);

– один 8-разрядный цифровой таймер;

– три 16-разрядных цифровых таймера;

– 1x Capture / Compare / PWM (CCP);

– контроллер сети (CAN);

– локальная сеть межсоединений (LIN);

– встроенное последовательное программирование ™ (ICSP ™);

– 1024 байта памяти данных EEPROM.

PIC18F2685 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Этот продукт использует 12-битное программное слово и обеспечивает необходимое количество функций, включая размер адресной программной памяти 96 Кбайт, 3328 байт объема памяти данных, 25 универсальных контактов ввода / вывода, 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой (A / D). Это устройство работает на максимальной частоте рабочего напряжения 40 МГц и работает от 2 до 5,5 В.

Назначение выводов микроконтроллера PIC18F2685 приведена на рисунке 21.

Корпус микроконтроллера PIC18F2685 представлен на рисунке 22.

Рисунок 21



Рисунок 22

Преобразователь позволяет создать соединение на любом компьютере имеющем USB разъем. Преобразователь FT232RL выбран для реализации разрабатываемого устройства. Периферия выхода/входа последовательная. Микроконтроллер конструктивно представляет собой корпус SSOP-28. Микроконтроллер FT232RL имеет следующие характеристики [17]:

- напряжение питания, В от 3.3 до 5.25;

- ток потребления, А 0,015;

- рабочая температура, ⁰С от минус 40 до плюс 85.

Назначение выводов FT232RL приведена на рисунке 23.

Корпус преобразователя FT232RL представлен на рисунке 24.



Рисунок 23

Рисунок 24



2.2 Расчет печатной платы

В качестве материала для печатной платы электронного стетоскопа используется стеклотекстолит, т.к. он имеет следующие преимущества по сравнению с гетинаксом [18]:

- большая механическая стойкость;

- большая влагостойкость;

- большая термостойкость;

- лучшая адгезия фольги со стеклотекстолитом;

- при сверлении отверстий дает меньшую шероховатость поверхности.

Выбираем материал СТФ1-18-1,5. Толщина фольги 35 мм ток, протекающий по проводникам равен 0,5 А.

При расчете печатной платы рассчитываются электрические и конструктивные параметры. К электрическим параметрам относятся [19]:

- t - ширина печатного проводника;

- S - расстояние между печатными проводниками;

- C - емкость печатного проводника;

- l - индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам относятся:

- размер печатной платы;

- диаметр и количество монтажных отверстий;

- диаметр контактных площадок;

- минимальное расстояние между центрами двух отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Рассчитываем ширину печатного проводника по формуле (1):

(1)

где I - протекающий ток, А;

j - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина фольги, мм.

Исходные данные для расчета:

- ток, протекающий по проводнику I складывается из токов всех видов активных элементов схемы, А 0,5;

- толщина фольги h, мм 35;

- плотность тока j выбирается по справочнику, исходя из того что изделие относится к бытовой РА, А/мм² 30.

Принимаем t = 0,75 мм.

Т.к. рабочее напряжение + 5 В, то по ГОСТ 23.751-86 берем расстояние между двумя проводниками S = 0,75 мм для 1 класса изготовления печатной платы.

Плата двухслойная, изготавливается комбинированным позитивным методом (полуаддитивный метод).

Определение конструктивных параметров

Для выбора размеров печатной платы определяется ее площадь по
формуле:

где F_эрэ - площадь, занимаемая электрорадиоэлементами (ЭРЭ);

F_то - площадь технологических или крепежных отверстий;

F_св - площадь, которая не должна заниматься ЭРЭ по конструктивным соображениям;

F_м.о. - площадь монтажных отверстий;

К_з - коэффициент заполнения.

F_эрэ определяется по установочным размерам, в случаях если выводы элементов за пределами корпуса, или по площади корпуса, если выводы под корпусом.

Исходные данные для расчета площади, занимаемой электрорадиоэлементами, приводятся в таблице 1.

Таблица 1

Тип элемента	Кол-во	Площадь установочная одного элемента, мм2	?F, мм2
Конденсаторы:
К73-17А	2	31,28	62,56
К50-35	1	18	126
К73-17	7	5	10
К50-35 мини	2	8	8
Резисторы:
SMD0805	17	2,73	46,41
Диоды: SS24 КЦ407А	2 1	15,30 58,5	30,6 58,5
Светодиоды	3	28,27	28,27
Разъемы:
CTBP9508/3AO	1	281,58	281,58
CTBP9508/5AO CTBP9558/6 TJ6P6C USBB-1J DS-261B	1 1 1 1 1	142,451 356,48 175,68 202,24 127,8	142,451 356,48 175,68 202,24 127,8
Кварцевый резонатор	1	52,17	52,17
Микросхемы:
L7805ABV	1	13,65	13,65
LM4040C20ILP PIC18F2685 FT232RL	1 1 1	15,24 177 79,56	15,24 177 79,56
Итого:			1993,35

Определяем площадь под технологические (крепежные) отверстия по формуле:

где d - диаметр отверстия, 0,8 мм;

n - количество отверстий, 2.

F_св = 0, т.к. нет мест которые нельзя занимать по конструктивным соображениям.

Выбираем коэффициент заполнения печатной платы, который обычно выражается в пределах от 0,3 до 0,8.

К_з = 0,49.

Отсюда площадь печатной платы:

Длина стороны печатной платы по ГОСТ 10317-79 должна заканчиваться 0 или 5. Далее подбираем размеры платы из неравенства:

Из реальных размеров разведенной платы длина сторон 60 и 80 мм, т.е. А = 60 мм, В = 80 мм:



Рассчитываем реальный коэффициент заполнения по формуле:

Отсюда следует:

Рассчитываем сопротивление проводника по формуле:

где с - удельное сопротивление медной фольги, 0,0175 Ом·мм²/м;

l - длина проводника, 50мм (измеряем самый длинный проводник на печатной плате).

2.3 Расчет надежности

Надежность - это свойство изделия сохранять работоспособность в течение заданного времени в заданных условиях эксплуатации [20].

Расчет надежности необходим для определения гарантийного срока службы изделия, на основе которого выдают гарантийные обязательства [21].

Расчет надежности проводится практически на всех этапах проектирования, начиная с технического задания. Различают три метода расчета надежности:

- прикидочный расчет - проводится в тех случаях, когда происходит проверка требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании;

- ориентировочный расчет - проводится на этапе эскизного проектирования после разработки принципиальной электрической схемы и выбора элементной базы;

- окончательный расчет - проводится на этапе технического проектирования, когда просчитана электрическая схема, т.е. известны режимы работы элементов.

В данном случае проводится окончательный расчет. Он дает наибольшую точность, т.к. учитывает все выбранные элементы, их режимы работы, температуру внутри блока и условия эксплуатации.

Для упрощения расчета применяют два допущения:

- элементы имеют основное соединение;

- отказы носят случайный и независимый характер.

В этом случае интенсивность отказов рассчитывается по формуле:

,

где - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации изделия;

- поправочный коэффициент, учитывающий режим работы элементов и температуру внутри блока;

- интенсивность отказа элемента, работающего в номинальном режиме при нормальных условиях эксплуатации;

- количество однотипных элементов, работающих в одном режиме при одинаковых температурах.

Так как изделие эксплуатируется в лабораторных условиях, то поправочный коэффициент будет равен 2.

Таким образом, интенсивность отказа равна:

(1/ч).

Исходные данные для расчета интенсивности отказов устройства сведены в таблицу 2.

Для расчета надежности в качестве элементов взяты российские аналоги.

Таблица 2

Тип элемента	Кол-во	, 1/ч	Режим работы		, 1/ч	, 1/ч
			Кн	t,oС
Конденсаторы:
К73-17А	2	0,15	0,7	40	0,35	0,0525	0,105
К73-17 К50-35	7 3	0,2 0,24	0,7 0,7	40 40	0,35 0,35	0,07 0,084	0,49 0,252
Резисторы	17	0,02	0,6	40	0,7	0,014	0,238
Стабилизатор	1	0,1	-	40	1	0,1	0,1
Источник опорного напряжения	1	0,1	-	40	1	0,1	0,1
Микроконтроллер	1	0,15	-	40	1	0,15	0,15
Преобразователь	1	0,15	-	40	1,3	0,15	0,15
Диоды	2	0,2	0,5	40	1,3	0,26	1,04
Диодный мост	1	0,2	0,5	40	1,3	0,26	0,52
Светодиоды	3	1,8	0,5	40	1,3	2,34	7,02
HC-49U	1	2,7	1	40	1	2,7	2,7
Разъемы CTBP9508/3AO CTBP9508/5AO CTBP9558/6 TJ6P6C USBB-1J DS-261B	1 1 1 1 1 1	0,31 0,186 0,372 0,372 0,248 0,186	0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8	40 40 40 40 40 40	1 1 1 1 1 1	0,31 0,31 0,37 0,37 0,248 0,186	0,31 0,31 0,37 0,37 0,248 0,186
Плата	1	0,7	-	-	1	0,7	0,7
Пайка	156	0,01	-	-	1	0,01	1,56
Итого:	16,919

Средняя наработка на отказ Т_ср определяется по формуле:

,

Таким образом, средняя наработка на отказ равна ч.

Вероятность безотказной работы определяется по формуле:

Если интенсивность отказов устройства < 0,1, то с достаточной степенью точности вероятность безотказной работы можно определить по формуле:

,

где t - время работы.

Результаты расчета вероятности безотказной работы от времени сведены в таблицу 3.

Таблица 3

t, час	0	10	100	1000	10000	295524
л·t	0	0,0003383	0,003383	0,03383	0,3383	0,999033122
P(t)	1	0,9996	0,996	0,96	0,6	0,36935

По результатам расчета строится график, представленный на рисунке 25.

Рисунок 1

Гарантийный срок службы определяется на уровне 0,7.

При этом: .

Отсюда гарантийный срок службы равен 295524 ч. Исходя из 16 часового рабочего дня и 247 рабочих дней в году, на измерительный прибор дается 1,1 года гарантии.

По результатам расчета можно определить, какой элемент является самым ненадежным. В данном случае это разъёмы и резонатор кварцевый.

Требуемая надежность задается в технических требованиях на разрабатываемое изделие. Обеспечивается она рациональной схемой и конструкцией, оптимальным выбором элементной базы с учетом условий эксплуатации, выбором оптимального технологического процесса, а также соблюдением инструкции по эксплуатации.

Методы повышения надежности условно подразделяются на:

- общие;

- специальные.

Общие методы повышения надежности могут рассматриваться как на этапе проектирования, так и на этапе производства [20].

2.4 Описание конструкции

Разработанное устройство является малогабаритным и эргономичным.

Напряжение питания 9…15В, потребляемый ток 0,5 А.

Изделие имеет законченное конструктивное исполнение и заключено в корпус, состоящий из двух частей - основания и крышки, соединенных винтами. Основание и крышка изготавливаются из ударопрочного полистирола УПМ-061211-06, черного цвета ОСТ 6-05-406-80 или из полистирола УПС-825Д-16, цвет черный, сорт 1, ТУ 6-05-1901-81 методом литья под давлением. Внутри корпуса при штамповки формируется две стойки с отверстиями под саморезы к которым крепиться плата.

По углам корпуса также имеется два отверстия под саморезы для крапления крышки корпуса 2,6 мм.

Печатная плата размером (60 Ч 80) мм изготавливается из одностороннего фольгированного стеклотекстолита марки СФ1-18-1,5 ГОСТ 10316-78. Точность изготовления: 3 класс. Способ изготовления печатной платы: комбинированный позитивный метод (полуаддитивный метод). Этот метод наиболее удобный для данной разработки. Кроме того, этот способ изготовления позволяет широко использовать автоматизацию и механизацию в процессе изготовления платы.

На верхней панели имеются при отверстия для светодиодов HL1...HL3 которые в свою очередь информируют о питании, работе и трафике данных прибора, с одного бока расположены разъемы X1…X3для снятия измерения показателей, с противоположной стороны расположены разъемы X4…X6 для подключения питания и передачи данных к компьютеру.



3 Технологическая часть

3.1 Анализ и расчет технологичности конструкции

Технологичность - это свойство изделия, которое заключается в минимальных затратах материалах средств и времени на его проектирование, техническую подготовку, производство и изготовление, эксплуатацию и ремонт.

В процессе проектирование данного устройства были прияты следующие условия:

использовать унифицированные и стандартизованные электрорадио элементы;

– автоматизация процессов проектирования;

– автоматизация и механизация процессов производства;

– использование прогрессивных методов формообразования изделий;

– ограничение и сокращение номенклатуры материалов, используемых в составных частях изделия.

Следовательно, изделие должно быть технологично.

Для подтверждения этого проводится количественная оценка технологичности согласно ОСТ4ГО.091.219. Этим стандартом рекомендуется из всего многообразия выбрать семь базовых показателей технологичности изделия, которые наиболее значительны.

Основным показателем, используемым для оценки технологичности конструкции, является комплексный показатель технологичности, который определятся с помощью базовых показателей по формуле:

где K_i - значение частных показателей технологичности;

i - порядковый номер показателя в ранжированной последовательности;

n - общее количество частых показателей;

ц_i - функция, нормирующая весовую значимость коэффициента.

Комплексный показатель технологичности сравнивается с нормативным для данной группы изделий. Изделие считается технологичным, если выполняется следующее условие (2):

(2)

Базовые показатели технологичности:

- коэффициент использования микросхем;

- коэффициент автоматизации и механизации монтажа;

- коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов (ЭРЭ) к монтажу;

- коэффициент автоматизации и механизации контроля и настройки;

- коэффициент повторяемости ЭРЭ;

- коэффициент применяемости ЭРЭ;

- коэффициент прогрессивного формообразования;

Данные расчета коэффициента технологичности изделия сведены в таблицу.

Коэффициент использования микросхем и микросборок:

где - количество микросхем в изделии;

- общее количество ЭРЭ, шт.

К ЭРЭ относятся транзисторы, резисторы, диоды, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы.

Исходные данные необходимые для расчета коэффициента технологичности занесены в таблицу 4.

Таблица 4.

Наименование показателя	Обозначение	Значение
Количество монтажных соединений, которые осуществляются автоматизированным или механизированным способом	НАМ	119
Общее количество монтажных соединений	НМ	163
Общее количество ЭРЭ	НЭРЭ	47
Количество ЭРЭ, подготовка которых осуществляется механизированным способом	НМПЭРЭ	47
Количество операций контроля и настройки, которые можно осуществлять механизированным способом	НМКН	1
Общее количество операций контроля и настройки	НКН	1
Общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии	НТЭРЭ	12
Общее количество типоразмеров ИМС в изделии	НТМС	2
Число деталей, полученных прогрессивными методами формообразования	ДПР	1
Общее число деталей	Д	1
Число интегральных микросхем	НМС	4
Количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ	НТОРЭРЭ	0

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия:

где Н_АМ - количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом;

Н_М - общее количество монтажных соединений.

Коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу. В число ЭРЭ включается ЭРЭ, не требующие специальной подготовки к монтажу:

где - количество ЭРЭ, шт., подготовка которых к монтажу осуществляется автоматизированным способом.

Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки электрических параметров:

где - количество операций контроля и настройки, которые осуществляется автоматизированным способом. В число таких операций включается операции средств механизации;

-общее количество операций контроля и настройки.

Коэффициент повторяемости микросхем и микросборок:

где - количество типоразмеров корпусов микросхем и микросборок в изделии.

Коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов:

где - общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии.

Под типоразмером электрорадиоэлемента понимается габаритный размер (без учёта номинальных значений).

Коэффициент применяемости электрорадиоэлементов:

где - количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии.

Коэффициент прогрессивности формообразования:

где - количество деталей, шт., которые получены прогрессивными методами формообразования (штампов...