Разработка радиотехнического устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Данная работа посвящена разработке радиотехнического устройства и подготовки технической документации для производства этого устройства.

В ходе работы был произведен анализ технического задания и технические требования к конструкции. Выбраны типы элементов и технологии исполнения конечного продукта с учетом эксплуатационных, технических и прочих особенностей разрабатываемого прибора. Выбрана конструкция устройства и обоснован конкретный выбор конструкторского решения, основанный на современных методах конструктивного исполнения РЭС.

Выбран материал, форм-фактор, и дизайн корпуса устройства, выполнен эскиз корпуса, сборочный чертеж печатного узла. Разработана топология трассировки печатной платы, выбраны технологии сборки и отладки устройства. Выбран материал и тип печатной платы, технология ее изготовления, учитывая экономический, потребительский, конструктивный фактор, а так же факторы надежности и безотказности.

Произведен анализ получившихся результатов и сравнение их с заданием на курсовое проектирование.

Разработана графическая и текстовая часть конструкторской документации, включающая в себя спецификацию и перечень элементов, чертеж печатной платы, сборочный чертеж печатного узла и эскиз корпуса устройства.



Введение

Для разработки устройства за мною была выбрана схема автомобильного противоугонного устройства основанного на использовании электронного ключа, использующего технологию IButton. Данную схему я разработал в своей радиолюбительской практике и собранное согласно ей устройство эксплуатируется и сейчас день. Схема представлена на рис. 1. Она же имеется в большем разрешении в приложении 1. Структурная схема представлена на рис. 1а.

Рис. 1 Схема противоугонного устройства использующего технологию IButton



бортовая сеть

К коммутируемым цепям

Рис. 1а. Структурная схема устройства

Для того, чтобы оценить технические факторы, которые стоит учитывать при конструировании устройства необходимо понять как работает данное устройство.

Основой прибора является микроконтроллер семейства AVR, которые питается через стабилизирующую цепочку VD3, C9, C8, C7, C5, DA1. Контроллер имеет цифровой вход (вывод 6 согласно схеме), который через защитную цепочку VD2, R4, R5 соединен с клеммой, к которой в свою очередь подключается гнездо электронного ключа, находящееся в любом скрытом месте автомобиля. Частота тактирования задающего генератора контроллера тактируется с помощью кварцевого резонатора ZQ1. Отключить устройство можно при помощи замыкания на массу автомобиля (или отключением от массы) клеммы «Отключение». Резистор R3 является токоограничивающим для защиты порта микроконтроллера от перегрузки, а резистор R2 подтягивающим относительно массы вывода 5 контроллера. Это позволяет избежать ложных отключений устройства из-за помех.

При подаче питания на устройство оно переходит в режим активной защиты, о котором сигнализирует красны мигающий светодиод , в это время на выводе 10 микроконтроллера наблюдается низкий логический уровень, затвор транзистора VT2 подтянут в массе через резистор R10, соответственно между его истоком и затвором положительный потенциал отсутствует, транзистор закрыт. Реле, подключенное к соответствующим клеммам, отключено. Если прикоснуться электронным ключом с соответствующим индивидуальным кодом к гнезду ключа - прозвучит звуковой сигнал зуммера и свечение светодиода сменится непрерывным зеленым, устройство отключит режим защиты и подаст положительный потенциал на затвор транзистора VT2, он откроется, замкнув катушку реле на массу. Произойдет включение цепи зажигания автомобиля. Для записи новых ключей в случае утери предусмотрена внутрисхемная перемычка «запись ключа», которую нужно замкнуть одновременно подав питание на устройство и подключив новый ключ. Перемычка выполнена скрытой, внутри корпуса устройства, для защиты от грабителей. Если же попытаться разблокировать устройство ключом с неправильным кодом - прозвучит прерывистый звуковой сигнал и сигнализирующий светодиод пример ярко-оранжевую окраску. Для повторной попытки использования необходимо подождать 7 сек.



Техническое задание

Сформулируем техническое задание (ТЗ).

Автомобильное противоугонное устройство выполняется виде малогабаритного прибора, устанавливаемого в удобном скрытом месте автомобиля. Все подключения к нему производятся при помощи внешних клемм, расположенных на корпусе. Для удобства контроля устройства предусматривается зуммер и сигнальный светодиод. При защитном режиме работы светодиод должен мигать красным цветом с частотой 1 Гц. При переходе в режим работы автомобиля цвет светодиода должен меняться на зеленый, а прерывистые мигания - на постоянное свечение. В случае подключения не авторизированного ключа устройство должно переходить в аварийно-сигнализирующий режим, при этом зуммер должен издавать громкие прерывистые звуковые сигналы, а светодиод мигать ярко-оранжевым цветом. Сигнализирующий светодиод выводится либо на корпус устройства, либо на панель автомобиля. Зуммер располагается в удобном для пользователя месте. Питание прибора осуществляется от бортовой сети автомобиля 12В постоянного тока. Реле, используемое совместно с устройством - стандартное автомобильное низкоточное реле, с током потребления не более 100 мА.

Анализ технического задания

Так, как устройство будет эксплуатироваться в автомобиле, среда, окружающая устройство будет очень агрессивной. Большие перепады температур, вибрационные нагрузки, возможное попадание влаги - будут сопутствовать эксплуатации.

Для защиты от перепадов температур необходимо использовать электролитические конденсаторы специальных серий, чья рабочая температура в отрицательной области составляет до -45°С. Микроконтроллер и прочие элементы схемы сохраняют свою работоспособность при температурах от -45 до +85°С, т.е. удовлетворяют поставленным задачам.

Для защиты от вибраций предлагаю использовать в схеме только SMD компоненты, так, как их масса гораздо меньше выводных компонентой, к тому же они не имеют длинных выводов, на которые могли бы действовать вибрации. К тому же подобное решение значительно снижает стоимость изготовления печатной платы и монтажа элементов, так как возможно проведение автоматизированного монтажа и пайки радиокомпонентов.

Так же от вибраций поможет защитить заливка печатной платы полимерным компаундом, одновременно она даст полную гидроизоляцию изделия. Так же предлагаю использовать резиновые уплотнительные прокладки при сборке корпуса и влагоустойчивые оксидированные клеммы.

Печатная плата будет выполнена из стеклотекстолита марки FR4, он максимально хорошо отвечает соотношению цена-качество, позволяет изготавливать печатные платы с достаточным уровнем точности. Плату предлагаю изготавливать односторонней, так как цена имеет решающее значение в выборе соотношения цена/компактность. Металлизацию отверстий под провода или клеммы предлагаю не производить, так как это значительно увеличит цену на печатный узел, но из соображений использования фиксирующего компаунда металлизация должного эффекта не даст.

Резисторы, диоды, конденсаторы предлагаю использовать типоразмера 0805, так как цена за такие элементы наиболее оптимальные, и они дают необходимую плотность монтажа. Электролитические конденсаторы применяются A и B типа. Транзисторы VT1 VT2 имеют корпуса SO-23, стабилизатор напряжения 7805 корпус SO-8. Этого вполне достаточно, так как ток, потребляемый контроллером, не превышает 20 мА, падание напряжения составляет порядка 7-8 вольт, соответственно выделяемая мощность составит 3,2 мВт. По данным производителя данные стабилизаторы без отвода тепла могут выдерживать до 15Вт мощности.

Поэтому использование данного корпуса является наиболее удобным.

Транзисторы используются с низким сопротивлением канала, режим работы - ключевой.

Рабочее напряжение у них до 30 вольт, номинальный ток - 1,2А, пиковый максимальный ток - 7,2 А. В нашем случае транзисторы коммутируют гораздо меньшие нагрузки, соответственно полностью подходят под наши цели.

Анализ устройства и сравнение с аналогами

Устройство не является принципиально новой новаторской разработкой с применением каких-либо новых технологий, однако сопоставимых по цене и возможностям прямых конкурентов нет. Так как прибор позиционируется как альтернатива классической «секретки» (т.е. размыкателя цепей зажигания автомобиля, место нахождения которого известно только водителю), то во многом он ее превосходит. Технология iButton подразумевает индивидуальный 48 битный код, что дает надежную защиту. Возможность перезаписи ключа была предусмотрена в пробной версии прибора, в серийной версии эта функция будет возможна только при перепрограммировании контроллера в сервисном центре. Сам разъем для подключения электронного ключа можно так же, как «секретку» спрятать в малозаметное место автомобиля или замаскировать под деталь интерьера (например, под прикуриватель). Сам электронный блок с печатной платой и клеммами можно разместить в приборной панели автомобиля, что надежно защитит его от рук грабителя. Преимущество над «секретками» заключается в том, что, даже обнаружив прибор, грабитель не сможет его деактивировать без индивидуального ключа.

Так же аналогом являются электронные карты доступа к автомобилю и прочие радиометки , работающие по технологии RFID. Однако такие устройства достаточно чувствительны к электромагнитным помехам, источниками которых в автомобиле могут служить катушки зажигания, электрические форсунки, всевозможные сервоприводы и электрические исполнительные устройства.

Тем не менее, в сочетании с подобными устройствами мой прибор может повысить надежность защиты автомобиля.

Так же, достоинством является простота установки. Все предлагаемые защитные устройства, не являющиеся сигнализациями (иммобилайзеры и прочее), за частую требуют подключения их к блоку управления двигателем, а предлагаемый прибор может быть смонтировано в разрыв цепи бензонасоса без вмешательств проводку автомобиля. Схема такого варианта представлена на рисунке.

Рис.2 Возможный вариант подключения устройства



Настройки пользователем как таковой устройство не требует, что так же является положительным фактором.

На рис. 2а представлена цоколевка прибора.

1. Uпит. + 12-15в

2. Масса

3. К обмотке реле

4. К обмотке реле

5. Светодиод зел.

6. Светодиод кр.

7. Светодиод общ.

8. К разъему электронного ключа

1 2 3 4

5 6 7 8

Рис. 2а Цоколевка разъема прибора

Расчет печатной платы

Данное устройство не является высокочастотным, высоковольтным и не подразумевает использования многослойных технологий топологии платы или 2 стороннего монтажа, по этому в качестве материала для печатной платы был выбран фольгированный стеклотекстолит марки FR3, который является аналогом СФ-35Г и подобных.

Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка, расположенные на наружном слое печатной платы, приведены в таблице 1.



Таблица 1

Расстояние между элементами проводящего рисунка S, мм	Значение рабочего напряжения, В
	ГФ	СФ
0,1 < S ? 0,2	-	25
0,2 < S ? 0,3	30	50
0,3 < S ? 0,4	100	150
0,4 < S ? 0,7	150	300
0,7 < S ? 1,2	300	400
1,2 < S ? 2,0	400	600

Так как напряжение питания составляет от 11 до 15 вольт, минимальное расстояние между проводниками может составлять 0,1-0,2 мм. Но для уменьшения стоимости производства примем минимальное расстояние между печатными проводниками 0,45мм, это обуславливается тем, что данная величина соответствует 2 классу точности.

Таблица 2

Условное обозначение	Номинальное значение основных параметров для класса точности
	1	2	3	4	5
t, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
S, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
b, мм	0,30	0,20	0,10	0,05	0,025
? *	0,40	0,40	0,33	0,25	0,20

* ? - отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы

Электрические параметры:

t - ширина печатного проводника;

S - расстояние между печатными проводниками;

b - радиальная ширина контактной площадки;

R - сопротивление печатного проводника;

C - емкость печатного проводника;

L - индуктивность печатного проводника.

Выбрав материал печатной платы, определяем ширину печатного проводника по формуле (мм):

где: I - ток, А, протекающий по проводнику;

h - толщина фольги, мм;

j - плотность тока, А/мм2.

Максимально допустимая плотность тока для печатных проводников следующая:

30 А/мм2 для внешних слоев печатной платы бытовой аппаратуры;

20 А/мм2 для внешних слоев печатной платы специальной аппаратуры;

15 А/мм2 для внутренних слоев многослойной печатной платы.

Таким образом, приняв максимальные значения тока, которые могут протекать в устройстве (например при зарядке сглаживающих конденсаторов по питанию) равным I = 0,2А, плотность тока j =30А/мм2, толщину фольги h=1мм получим минимальную толщину печатного проводника равной t = 0,13мм. Для упрощения изготовления и увеличения надежности примем толщину проводника равной 0,5мм.

Исходя из полученных данных, всем требованиям удовлетворяет 2 класс точности.

Для выбора размеров печатной платы необходимо определить ее площадь. Площадь можно определить как

где: FЭРЭ - площадь, занимаемая электрорадиоэлементами (ЭРЭ);

FТО - площадь, занимаемая технологическими и/или крепежными отверстиями;

FСВ - площадь, которую не должны занимать электрорадиоэлементы по конструктивным соображениям;

КЗ - коэффициент заполнения печатной платы, обычно берется в пределах 0,3-0,8.

Площадь, занимаемая ЭРЭ, определяется по установочным размерам электрорадиоэлементов

FЭРЭ = 139 мм2

FСВ = 180 мм2

FТО = 4,7 мм2

КЗ = 0,6

Согласно ГОСТ 10 317-79 оптимальная площадь печатной платы будет составлять 750 мм2. Площадь реальной печатной платы составляет 615 мм2.

Габаритные размеры А = 41мм, В = 15мм.

Реальный коэффициент заполнения рассчитывается по формуле:

где А и В - размеры печатной платы. Кз = 0,53. Такой низкий коэффициент заполнения вызван применением безвыводных SMD компонентов.

Особенностью конструкции платы является малое число технологических отверстий. Поэтому примем диаметр отверстия равным 1мм для облегчения монтажа компонентов с диаметром вывода 0,65мм, а диаметр контактной площадки 2мм. Расчеты по этому поводу проводить нецелесообразно в виду малого количества таких отверстий и ручного монтажа выводных элементов.

Металлизация отверстий нецелесообразна.

Печатная плата разрабатывалась в САПР Sprint LayOut 6.0. Результат трассировки представлен на рис. 3. На рис. 3а представлено расположение элементов на печатной плате.

Рис. 3 Топология печатной платы

Рис.3а расположение элементов на плате.

Разработка конструктивного исполнения устройства

Так как устройство будет эксплуатироваться в автомобиле, и располагаться в скрытой области необходимо предусмотреть удобные крепления, чтобы не вызывать неудобств у конечного пользователя.

Корпус должен надежно защищать устройства от влаги, пыли и конденсата. Так как предполагается, что плата будет покрываться силиконовым компаундом, герметизация корпуса не столь актуальна. По этой причине монтаж нижней крышки корпуса выполняется на термодиактивируемый клей.

Так же на компаунд отрицательно влияет ультрафиолетовая составляющая дневного света. Несмотря на то, что, скорее всего, устройство будет монтироваться в скрытой, мало освещенной области, необходимо предусмотреть защиту поверхности платы от солнечного света.

Сделать это можно по средствам закрытого светонепроницаемого корпуса.

Клеммы-разъемы предлагаю использовать стандартные автомобильные, т.е. типа «нож», изображение которых приведено на рис. 4.

Рис. 4 Клеммы-разъемы типа «нож»

Монтированные в общую стандартизированную колодку такие клеммы достаточно удобны и надежны.

Для крепления платы к корпусу необходимо предусмотреть в нем приливы с отверстиями и резьбой. Для противодействия взлому корпуса заднюю крышку предлагаю соединять при помощи термодиактивируемого клея - герметика.

Корпус выполняется из пластика типа ABS черного цвета. Плата размещается параллельно главному виду корпуса на чертеже, т.е. горизонтально. Реле, подключаемое к устройству, может быть размещено на общей колодке реле и предохранителей или в скрытой области .

Применение автомобильного реле обусловлено повышенной ремонтопригодностью устройства, так как это единственный элемент, имеющий механические части и в случае его поломки или выхода из строя ремонт будет заключаться лишь подключении нового реле, в то время как реле, предназначенные для монтажа на печатной плате, требуют перепайки в случае поломки.

Дизайн корпуса не требует художественных изысков, так как пользователь будет контактировать только с разъемом электронного ключа, который находится на удаленном расстоянии от корпуса устройства.

Технология сборки устройства

Технология изготовления печатной платы.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита марки FR3 толщиной 1,5мм методом химического травления. Фольгированная сторона покрывается светочувствительным защитным составом «фоторезист» предохраняющим фольгу от травления различными химическими составами. Для формирования дорожек на плате делается трафарет из светопроницаемого полимера с нанесенным на него рисунком дорожек, не пропускающим ультрафиолетовую составляющую. Затем данный трафарет прикрепляется к заготовке платы и помещается под мощное ультрафиолетовое излучение. Таким образом, фоточувствительный состав на печатной плате засвечивается в местах отсутствия дорожек на трафарете, из-за чего теряет свои защитные свойства. Далее плата помещается в раствор с химикатами, которыми производится химическое травление платы. Получившуюся заготовку необходимо промыть нейтрализующим составом и высушить, после чего произвести нанесение защитной маски зеленого цвета и лужение контактных площадок.

Сверление всех технологических отверстий производится автоматически на станке с программным числовым управлением.

Технология сборки печатной платы.

Все SMD компоненты схемы запаиваются на автоматизированной монтажной линии при помощи бессмывной паяльной пасты. Пайка производится в специальной печи с формированием термопрофиля указанного на рис. 5. Пайка производится последовательным подогревом платы с элементами с последующим кратковременным нагревом при помощи инфракрасной вспышки.

Рис. 5 Термопрофиль пайки

Выводные компоненты, а именно PLS разъем, перемычки, провода припаиваются в ручном режиме. Особенностью является тот факт, что под все провода, подключаемые к плате, припаиваются согласно рис. 5 поверх контактной площадки.

Технология настройки.

Устройство комплектуется индивидуальным электронным ключом iButton. Настройка сводится к первичному программированию прибора под его индивидуальный ключ. Производится это в следующем порядке: устанавливается перемычка SA1 в положение «замкнуто», питание подается на устройство, дождавшись мигающего сигнала светодиода ключ необходимо плотно приложить к разъему и удерживать до изменения цвета светодиода на зеленый и соответствующего звукового сигнала. После чего питание необходимо отключить, а перемычку перевести в положение «разомкнуто».

Технология сборки.

Плата размещается в корпусе, позиционируется по резьбовым отверстиям, расположенным на специальных монтажных приливах. Она крепится 4 винтами М2,5?12 мм со сферической шляпкой под шлицевую отвертку. Электрические соединения с клеммами и реле производится медными проводами сечением 0,25мм2. Колодка с клеммами позиционируется в корпусе и прикручивается 2 шурупами. После установки и крепления всех сборочных единиц в корпус при помощи специального термо клея производится фиксация задней крышки.



Заключение

Разработанное устройство соответствует требованиям, поставленным в техническом задании. Печатная плата защищена от механических и климатических воздействий несколькими степенями защиты.

Во-первых, от воздействий окружающей среды и механических повреждений плату защищает прочный герметичный пластиковый корпус.

Во-вторых, от вибрации и попадания конденсированной из-за перепадов температур и влажности влаги, плата защищена специальным силиконовым компаундом. Эта мера полностью изолирует плату от воздуха, влаги и т.д.

Устройство просто и удобно в эксплуатации, легко устанавливается и подключается. Так же сохранен фактор универсальности, что позволяет использовать разработанный прибор не только на автомобиле или мотоцикле, но и в отраслях народного хозяйства.

Особенностями прибора является миниатюрный размер и легкий вес. Это позволяет и легко установить и замаскировать устройство в любой скрытой области автомобиля, что дополнительно повышает надежность на взлом и деактивацию устройства.

Новизна заключается в том, что впервые применена технология iButton в данной сфере. Все аналоги используют радиочастотный интерфейс типа RFID и подобные, что снижает устойчивость к электромагнитным помехам, источниками которых в автомобили являются многие механические и электронные узлы.

печатный плата противоугонный электронный



Список литературы

1. Жеребцов И. П. «Основы электроники»

2. Угрюмов Е. «Цифровая схемотехника»

3. В.А. Шахнов «Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры»

4. Г.С. Иванова «Основы программирования»

5. Г.С. Иванова «Объектно-ориентированное программирование»

6. Г.С. Иванова «Технология программирования»

7. В.Я. Хартов «Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих»

Размещено на Allbest.ur

...