курсовой проект / Термостабилизатор с цифровой индикацией

Введение

Задача курсового проекта: развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчетами конструирования изделий ЭАВТ.

Цель курсового проекта: разработать изделие «Термостабилизатор с цифровой индикацией», изложить и оформить соответствующую конструкторскую документацию в соответствии с системой государственных и отраслевых стандартов.

При разработке изделия решена задача противодействия климатическим, механическим воздействующим факторам, обеспечен тепловой режим работы отдельных элементов и устройства вцелом и обеспечена помехоустойчивость и нормальный режим работы, а также механическая прочность, надежность и безопасность работы изделия и нормальная работа при эксплуатации.

Разработанное изделие «Термостабилизатор с цифровой индикацией» соответствует конъюнктуре рынка, является конкурентоспособным с аналогичной продукцией данного класса, а по иным характеристикам и превосходит их.

Характерная особенность аналогичных термостабилизаторов - сравнительная простота схемотехнического решения и непрерывность в работе. Их недостатки - невысокая точность поддержания заданной температуры, необходимость использования дополнительного термометра при перестройке прибора и контроле его работы.

Предлагаемый термостабилизатор практически лишен таких недостатков и обеспечивает:

• поддержание температуры в ограниченном объеме окружающей среды;

• цифровую индикацию измеряемой температуры;

• возможность задания температуры путем программирования в двоичном коде.

Режим работы «Термостабилизатора с цифровой индикацией» дискретный: в течение 1с. происходит считывание температуры, затем 3с. работает нагреватель. При включении нагревателя индикатор высвечивает значение измеренной температуры. Для уменьшения потребляемой мощности в режиме терморегулирования предусмотрено отключение индикации температуры.

Расширенное техническое задание

Разработанное изделие «Термостабилизатор с цифровой индикацией» применяется для поддержания температуры в ограниченном объеме среды (например для поддержания заданной температуры в инкубаторе, в домашнем «овощехранилище» и т.д.) с цифровой индикацией температуры в этом объеме и возможностью задания температуры путем программирования в двоичном коде.

В состав изделия входит:

датчик (германиевый диод Д9Д), преобразователь(температура-частота)-счетчик, дешифратор, логическое устройство, табло индикатора, блок питания (стандартный, внешний).

Датчиком температуры служит германиевый диод VD6 [2, стр. 34], падение напряжения на котором используется для работы интегратора. Сильная температурная зависимость падения напряжения на p-n-переходе диода при фиксированном токе через него и малая нелинейность характеристики температура-частота обуславливают точность терморегулятора (в данном курсовом проекте датчик температуры не разрабатывается).

В качестве варианта исполнения датчика температуры можно предложить германиевого диода эпоксидной смолой в виде какой либо формы, которую при эксплуатации прибора помещают в замкнутый объем, в котором необходимо поддержать заданную температуру (соединение датчик-прибор осуществляется фторопластовым кабелем).

Для разработанного изделия IV категория условий эксплуатации (закрытые, отапливаемые и вентилируемые помещения).

Термостабилизатор с цифровой индикацией рассчитан для работы при следующих климатических условиях:

• температура окружающего воздуха, С° - 20

• атмосферное давление кПа (мм. рт. ст.) - 86-860 (650-860)

• относительная влажность, % - 45-75.

Изделие перевозить и хранить упакованным. Транспортировку производить любым видом транспорта (наземным, морским, воздушным) без ограничения расстояния.

Хранить в упакованном виде.

Основные технические требования к прибору:

Диапазон поддерживаемой (измеряемой) температуры,°С................0-99,9

Разрешающая способность,°С................................................................0,1

Точность поддержания (измерения) температуры,°С

• в диапазоне 10-90°С................................................................................0,1

• в диапазоне 0-10°С..................................................................................0,5

• в диапазоне 90-99,9°С..............................................................................0,3

Время считывания температуры, с...........................................................1

Время работы нагревателя, с....................................................................3

Для обеспечения безопасности эксплуатации при питании от сети с помощью блока питания необходимо предохранять корпус блока питания от воды. А также в холодный период времени, если термостабилизатор с цифровой индикацией находится при температуре ниже 0°С, до включения необходима его выдержка 2-3 часа при комнатной температуре. В летнее время при высокой температуре окружающего воздуха предохранять прибор от прямого воздействия солнечных лучей.

Режим работы термостабилизатора дискретный: в течение 1с. происходит считывание температуры, затем 3с. работает нагреватель (о чем сигнализирует элемент индикации АЛ307А(HL1)).При включении нагревателя индикаторы АЛС324А высвечивают значение измеренной температуры(для уменьшения потребляемой мощности в режиме терморегулирования предусмотрено отключение индикации температуры).

Задание необходимой температуры поддержания осуществляется путем программирования в двоичном коде.

Основа элементной базы - ИС, к дискретным элементам особых требований не предъявляется.

При конструировании прибора и подборе органов управления и индикации учтен ряд факторов, влияющих на общую эффективность действий оператора: размеры, форма, цвет, расположение, направление и усилия переключения, амплитуда и траектория перемещения органов управления, что соответствует принятым нормам, Устанавливаемым национальными стандартами.

Анализ технического задания, электрической схемы,

оценка элементной базы

Функционирование схемы

Прямое падение напряжения на диодном термодатчике преобразуется в импульсное напряжение соответствующей частоты. Выходной сигнал заполняют прямоугольные импульсы тактового генератора, из которых счетчик формирует двоичный код. Значение измеренной температуры в двоичном коде поступает на вход дешифратора и вход логического устройства. Дешифратор преобразует двоичный код в сигналы управления семисегментными индикаторами, высвечивающими численное значение температуры.

Логическое устройство сравнивает значение измеренной температуры, зашифрованное в двоичном коде, запрограммированной заранее необходимой температуры поддержания. Если измеренная температура меньше запрограммированной, то ключ включает нагревательный элемент, подключаемый к разъему Х1.

Через 3с. питание от нагревателя отключается, и в течение 1с. идет измерение температуры в среде. Если температура соответствует запрограммированной или превышает ее, то последующие 3с. нагреватель будет отключен. Таким образом, в течение 1с. идет измерение температуры среды, затем 3с. работает или не работает нагреватель в зависимости от состояния логического устройства.

Режим работы термостабилизатора дискретный: в течении 1с. происходит считывание температуры, затем 3с. работает нагреватель. При включении нагревателя индикатор высвечивает значение измеренной температуры. Для уменьшения потребляемой мощности в режиме терморегулирования предусмотрено отключение индикации температуры.

Датчиком температуры служит германиевый диод VD6 падение напряжения на котором используется для работы интегратора. Сильная температурная зависимость падения напряжения на p-n-переходе диода при фиксированном токе через него и слабая нелинейность характеристики температура-частота обеспечивают точность терморегулятора.

Интегратор собран на ОУ К574УД1Б (DA2) со скоростью нарастания напряжения 90В/мкс. Чем и достигаются высокие быстродействие процесса измерения температуры и точность . Как только конденсатор С3 зарядится до напряжения 10В, интегратор закрывается сигналом однопереходного транзистора VT2. Образцовое напряжение, определяющее порог срабатывания интегратора и стабилизирующее ток через датчик VD6, создают встречно-последовательно включенные стабилитроны VD4,VD5.

Выходное напряжение интегратора через дифференцирующую цепь С4, R15 и R16 поступает на токовый ключ, формирующий пакеты импульсов счета и индикации - транзистор VT3, на базе которого складываются сигналы преобразователя и генератора тактовых импульсов.

Генератор, собранный на ОУ К140УД8Б (DA1), обеспечивает выходное напряжения прямоугольной формы с периодом 4с. Скважность импульсов регулируют переменным резистором R2 так, чтобы отношение длительности импульса к паузе составляло 1:3. За время импульса, равное 1с., в счетчик DD2-DD4 вводится информация об измеренной температуре и происходит сравнение ее с заданным значением в логическом устройстве. В это время никакой информации на индикаторах HG1-HG3 нет, так как на выходе инвертора DD1.2 в течении 1с. (импульс генератора) формируется сигнал высокого уровня, который подается на входы к (гашение) дешифраторов DD5-DD7.

После подсчета числа импульсов, пропорционального измеряемой температуре, транзистор VT3 закрывается. Теперь на выходе элементов DD1.2 появляется сигнал нужного уровня, разрешающий свечение индикаторов.

Сигналы с информационных входов счетчика DD2-DD4, хранящих информацию об измеренной температуре, дешифратор DD5-DD7 преобразует в код управления индикаторами HG1-HG3, и они ровно 3с, высвечивают на табло численное значение температуры. В данном устройстве применяются индикаторы АЛС324А. Их основные параметры при Т=25°С

цвет свечения красный

число сегментов 8

ширина спектра излучения 650-670 нм

габаритные размеры: знака 4,9 Х 7,5

информационного поля 10,2 Х 19,5

угол обзора, град 45

угол наклона цифры, град 10

время готовности, с 1

сила света при I_пр = 20 мА, мккд: сегмента 1500

децимальной точки 50

разброс силы света, отн. ед. 3

температура окружающей среды, °С 60-70

Микросхемы К561ИП2 (DD8-DD10) логического устройства соединены между собой так, что обеспечивают сравнение двух трехзначных десятичных чисел А и В, зашифрованных в двоичном коде. Число А - это значение измеренной температуры, а В - программируемая температура поддержания. Если А>В, т.е. среда нагрелась, на входе логического устройства (выв. 12 DD10) формируется сигнал нужного уровня. Ключ, собранный на элементах DD1.3, DD1.4, транзистор VT5 и тиристор VS1 закрыт. Нагреватель выключен. Если, наоборот, А<В, т.е. произошло охлаждение среды, на выходе логического устройства формируется сигнал высокого уровня, ключ открывается и включает нагреватель. Двоичный код числа А поступает на входы А1-А4 микросхем DD8-DD10, а число В в двоичном коде программируется на их входах В1-В4. Младшие разряды десятичных чисел А и В приходятся соответственно на входы А1-А4 и В1-В4 микросхемы DD8, а старшие - на входы А1-А4 и В1-В4 микросхемы DD10.

Число В программируют выключателями SA2-SA13. Замкнутое положение их контактов означает подачу на соответствующие им входы В напряжение высокого уровня (лог. 1), разомкнутое - низкого уровня (лог. 0).

Программирование ведут для каждого разряда десятичного числа, начиная с входов В1 и заканчивая входами В4, читая код двоичного числа справа налево.

Для удобства при эксплуатации таблица перевода чисел десятичной системы в двоичную приведена на крышке корпуса прибора (для нанесения надписи принят шрифт журнальный рубленый нормальный).

Перевод чисел десятичной системы в двоичную

Десятичное число	Двоичное число
0	0000
1	0001
2	0010
3	0011
4	0100
5	0101
6	0110
7	0111
8	1000
9	1001

Предположим, необходимо поддерживать температуру 38,5°С. Значит, младший разряд десятичного числа 5 должен быть запрограммирован на микросхеме DD8, второй разряд 8 на микросхеме DD9, а старший разряд 3 - на микросхеме DD10. Пользуясь таблицей, приведенной на верхней крышке корпуса, числа десятичной системы переводим в двоичную: 5 - 0101, 8 - 1000, 3 - 0011. Для данного примера программирования необходимо замкнуть контакты переключателей: SA2, SA4, SA9, SA10 и SA11.

Элемент DD1.3 выполняет функцию клапана. На один из его входов поступает сигнал с выхода логического устройства, а на другой - сигнал с элемента DD1.1, который инвертирует импульсы тактового генератора, формируя на своем выходе сигнал высокого уровня во время паузы, равной 3с., и низкого уровня во время импульса генератора.

Инвертор DD1.3 блокирует ключ во время пересчета импульсов, когда возможны ложные срабатывания логического устройства. Вовремя пересчета на входе 8 элемента DD1.3 присутствует сигнал низкого уровня, поэтому на его выходе формируется сигнал высокого уровня, Соответственно на выходе инвертора DD1.4 подается напряжение низкого уровня, закрывающее транзисторный ключ VT5. Во время паузы в работе генератора, соответствующей 3с., на входе элемента DD1.3 появляется сигнал высокого уровня, разрешающий работу ключа. При появлении сигнала такого же уровня на обоих входах клапана DD1.4, на базу транзистора VT5 подается открывающее его напряжение. Одновременно открывается тиристор VS1 и на нагреватель подается питающее его напряжение сети - происходит нагревание контролируемой среды. Об этом сигнализирует светодиод HL1 (АЛ307А) со следующими световыми параметрами:

цвет свечения красный;

сила света не менее 0,15мкд;

длина волны излучения в максимуме спектральной плотности 0,667мкм;

[3, стр. 432].

В качестве переключателей используются переключатели типа П1Т и П2Т (они компактны и удобны[1, стр. 552]).

Блок питания - стандартный внешний.

Через VS1 и FU1 идет высокий ток, поэтому выбираем КУ202 и Д246Б (для них максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии - 10А), [2, стр. 64, 468].

Они обеспечивают работу устройства с любым нагревателем.

На ключе напряжение высокое (220В),поэтому целесообразно выполнение ключа в виде отдельного модуля. Связь между модулями осуществляется объемным монтажом.

Расчет параметров печатной платы.

Двусторонняя печатная плата размером 100х150мм выполнена

комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита

СФ-2Н-50Г-1 по четвертому классу точности. Толщина платы 1.5мм;

Максимальный ток Jmax=0,15A;толщина фольги hф = 0.05; макси-

мальная плотность тока j=38а/мм2; допустимое падение напряжения

Uд=0,2В; удельное сопротивление меди р=0,0175 мкОм/м.

Расчет ширины проводников.

Проводники рассчитываются по постоянному току. Ширина про-

водника цепи питания и заземления определяется следующим выраже-

нием :

bmin1=Jmax/(j * hф)

где Jmax- максимально допустимая плотность тока

j - максимально допустимая плотность тока.

bmin1=0.15/(0.05*38)=0.0789мм

Определим минимально допустимую ширину проводников исходя

из допустимого падения напряжения:

bmin2=(p * Jmax * l)/(hф * Uд)=

= (0.0175*0.15*105)/(50*0.2)=0.0275мм

где p - удельное сопротивление меди ( 0.0175 Ом * мм2 / м ).

Jmax - максимальный ток. l - длина самого длинного провод-

ника. hф - толщина фольги.

Исходя из технологических возможностей производства плат по

четвертому классу точности выбираем ширину проводника равной 0,15мм.

Это значение больше чем bmin1 и bmin2.

Рассчет диаметров контактных площадок монтажных отверстий.

1) Для танзисторов ( dвыв = 0.95 mm ) и резисторов

( dвыв = 0.9 mm)

Диаметр отверстия:

dотв = dвыв + дз = 0.95 + 0.1 = 1.05 mm

Dсв = dотв + (0.1 - 0.5) = 1.05+0.1=1.2 mm

где Dсв -диаметр сверла,

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

Dо мах = Dсв + дD = 1.2+0.02=1.22 ; дD =0.02...0.03

дD -погрешность, обусловленная биением и заточкой сверла

Минимальный диаметр контактной площадки:

D1min= 2(Bm + Dо мах/2 + @отв + @кп) =

= 2*(0.025+1.22/2+0.05+0.15)=1.7 mm

Минимальный диаметр контактной площадки с учетом резистивно-

го покрытия:

Dmin = D1min + 1.5*hг = 1.7+1.5*0.025=1.7375 mm

Максимальный диаметр контактной площадки:

Dmax = Dmin + @э = 1.7375+0.02=1.7575 mm

2) Для конденсаторов ( dвыв = 0.7 mm), светодиодов (dвыв = 0.5), диодов (dвыв = 0.6), стабилитронов (dвыв = 0.6) и микросхем (dвыв =0.5 mm)

Диаметр отверстия:

dотв = dвыв + дз = 0.7 + (0.1 - 0.5) = 0.9 mm

Dсв = dотв + (0.1 - 0.15) = 1.0 mm

где Dсв -диаметр сверла,

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

Dо мах = Dсв + дD = 1+0.02=1.02 ; дD =0.02...0.03

Минимальный диаметр контактной площадки:

D1min= 2(Bm + Dо мах/2 + @отв + @кп) =

= 2*(0.025+1.02/2+0.05+0.15)=1.5 mm

Минимальный диаметр контактной площадки с учетом резистивно-

го покрытия:

Dmin = D1min + 1.5*hг = 1.5+1.5*0.025=1.537 mm

Максимальный диаметр контактной площадки:

Dmax = Dmin + @э = 1.537+0.02=1.557 mm

Определим минимальное расстояние между двумя металлизирован-

ными отверстиями,необходимое для проведения между ними проводника

lmmin = 0.5D1max + 0.5D2max + 2@кп + (dmax + @d)Nл +

+ S(Nл + 1) = 1.557+2*0.15+(0.17+0.03)*1+0.15*2=2.357 mm < 2.5

где D1max -диаметры контактных площадок,

@кп -допуск на расположение контактных площадок

dmax -максимальная ширина проводника

@d -допуск на расположение проводников

Nл -номинальное расстояние между проводником и конта

тной площадкой.

lmmin меньше чем растояние между центрами отверстий под вы-

воды ИС, значит проводник проходит между КП ИС .

Дискретные элементы схем работают на невысокой частоте (менее 20кГц), поэтому расчет электрических параметров платы можно не проводить.