Введение

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

Цель курсового проекта: разработать устройство ,,Цифровой велоприбор” изложить и оформить соответствующую конструкторскую документацию в соответствии с системой государственных и отраслевых стандартов.

1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Назначение:

Разрабатываемый цифровой велоприбор предназначен для определения скорости движения велосипеда и пройденного пути. Цифровой велоприбор осуществляет преобразование частоты вращения колеса велосипеда в цифровой сигнал скорости движения и пройденного пути, выводит информацию на цифровой индикатор.

Устройство состоит из двух модулей:

Модуля индикации и основного модуля.

Основные технические характеристики:

Номинальное напряжение питания от микромощного стабилизатора напряжения, В 3,5

Потребляемая мощность от микромощного стабилизатора, не более, мВт 0,1

Пределы измерения скорости км/ч

1) максимальное 100

2) точность измерения 1

Пределы измерения пройденного пути км

1) максимальное 100

2) точность измерения 1

Интервал выдачи результата с 1,91

Изделие предназначено для работы при следующих климатических условиях:

температура окружающего воздуха, С° +5 - +50;

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

относительная влажность, % 45-95.

Требования по надежности:

наработка на отказ 10-15 тыс. часов;

интенсивность отказов 10^-7-10^-9 ч^-1;

5.Конструктивные требования.

Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы. Цифровой велоприбор относится к группе транспортируемой радиоэлектронной аппаратуре, предназначенной для работы на открытом воздухе.

Конструкция цифрового велоприбора должна предусматривать работу с ним без применения специальных мер безопасности. Прибор выполнить в пластмассовом или металлическом корпусе, предусмотреть защиту от пыли и воздействия атмосферных осадков. Использовать интегральную и дискретную элементную базу, печатный и объемный монтаж.

Органы управления и индикации вынести на переднюю панель. Конструктивные размеры прибора определить в процессе разработки.

6.Конструкторская документация

Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

• сборочный чертеж;

• схема электрическая принципиальная;

• печатная плата;

2 Анализ технического задания, электрической схемы, оценка элементной базы.

2.1 Сравнительный анализ аналогов

При проведении поиска аналогов по литературе было обнаружено несколько устройств, выполняющих подобную функцию:

Условно всех их можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые

2.2 Описание работы устройства по электрической схеме

Датчиком частоты вращения колеса служит

2.3 Оценка элементной базы

Световая индикация обеспечивается с помощью жидкокристаллического индикатора ИКЖЦ 4/8-5 . Его характеристики:

Диапазон рабочих температур, ⁰ С -60...+85;

Сила света, кдм 0,15;

Цвет Красный;

Длина волны, мкм 0,666.

Конденсаторы:

2) Выбор элементов емкости.. Были выбраны в качестве конденсаторов постоянной емкости конденсаторы марок КМ4, КМ5 или КМ6, Конденсаторы постоянной емкости К10-23. Характеризуются высокими электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Диапазон рабочих температур минус 60...+125С.

Возможно применение других типов емкостей, только при условии, что установочные параметры равны установочным параметрам выбранных элементов.

Резисторы:

В качестве распределителей электрической энергии между цепями и элементами схемы устройства применены резисторы общего назначения с металлодиэлектрическим проводящим слоем типа МЛТ-0.125.

Резисторы постоянные металлодиэлектрические общего назначения для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока, с аксиальными выводами, для печатного монтажа с установкой параллельно плате, изолированные, неизолированные, пожаробезопасные, для автомонтажа в отверстие.

Масса не более 0.25 г.

Диапазон температур: (-60 - +155) °С

Относительная влажность воздуха при +25°С: 98 %

Максимальная частота синусоидальных вибраций: 3000 Гц

Пиковое ускорение одиночного удара: 1000 g

Пиковое ускорение многократных ударов: 150 g

Максимальная резонансная частота: 3000 Гц

Наработка: 25000 ч

Интенсивность отказов: 2E-8 1/ч

Срок сохраняемости: 25 лет

Гарантийная наработка: 25000 ч

Номер технических условий: ОЖО.467.180

Интегральные микросхемы:

В схеме используются микросхемы на КМОП транзисторах серий К176 и К561.Микросхемы построенные на КМОП транзисторах имеют малую мощность в статическом режиме (еденици микроватт), относительно высокое быстродействие хорошую помехоустойчивость и достаточно большую нагрузочную способность. Мощность потребляемая схемой расходуется в основном во время переходного процесса на заряд поразитных емкостей схемы и собственных емкостей транзисторов.

Напряжение питания микросхем данной серии составляет +3...+15 В.

Максимальная мощность рассеяния Р_рас= 150мВт

Ток потребления при напряжении питания U_пит= 9 В,и емкости нагрузки С_н= 50 пФ I_пот=3 мкА

В общем случае потребляемая мощность одним логическим элементом схемы:

Р_дин=2*С_н*f_p*U²_пит

Анализируя условия эксплуатации и технические условия на использование элементной базы, можно сделать вывод, что устройство можно эксплуатировать в диапазоне рабочих температур -60...+70 ⁰С, что соответствует техническим требованиям задания.

3 Разработка конструкции РЭУ

1. Предварительная разработка конструкции устройства

Цифровой велоприбор представляет собой блок, состоящий из двух модулей.

Связь модулей между собой и с органами коммутации осуществляется с помощью объемного монтажа.

При разработке конструкции устройства были учтены требования, приведенные в разделе «Расширенное технического задания». Объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от вибрации, ударов, пыли и осадков, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭУ.

Проанализируем два варианта компоновки проектируемого устройства. Варианты различаются размерами, расположением модулей, органов управления и индикации.

Первый вариант компоновки приведен на рисунке 1а, второй - на рисунке 1б.

Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства приведены в пункте 4.1. По коэффициенту приведенных площадей второй вариант предпочтительней, но он уступает первому по коэффициенту заполнения объема и по приведенной площади наружной поверхности. Поэтому разрабатывать конструкцию будем по первому варианту компоновки.

В проектируемом устройстве используется два вида монтажа - объемный и печатный. Связь между элементами, расположенными на печатной плате осуществляется печатным монтажом. Связь печатной платы с органами управления и индикации, а также с блоком питания осуществляется объемным монтажом.

Устройство необходимо предохранять от пыли, воды и механических воздействий. Для этого применяется частичная герметизация устройства с помощью пластмассового корпуса.

Устройство имеет форму прямого параллелепипеда размером 110х60х50 мм, внутри которого расположена печатная плата размером 100х50 мм. Органы управления и индикации вынесены на лицевую панель в соответствие с «Расширенным техническим заданием»

б

Рисунок 1 - Варианты компоновки устройства

3.2 Окончательная разработка конструкции

Корпус устройства имеет форму прямоугольного параллелепипеда и изготовлен из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л по ОСТ6-05-40-80 методом прессования под давлением. Толщина стенок корпуса 1,5 мм. Корпус состоит из основания и нижней крышки. Их соединение осуществляется с помощью винтов и резьбовых втулок диаметром 5 мм, выполненных за единое целое с корпусом. Основание и нижняя крышка устройства соединяются с помощью винтов 2,5-8-Ц ОСТ 1 33033-80, которые ввинчиваются в резьбовые втулки. Крепление корпуса к велосипеду осуществляется с помощью винтов 2,5-8-Ц ОСТ 1 33033-80 и резьбовых втулок выполненных за единое целое с нижней крышкой. Печатный узел устанавливается на резьбовые втулки, выполненные за единое целое с основанием корпуса и крепится винтами 2,5-8-Ц ОСТ 1 33033-80. Связь между радиоэлементами на печатной плате осуществится печатным монтажом, электрические соединения выполняются с помощью пайки припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76 с флюсом ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200. Число слоев печатной платы – два (ДПП), метод изготовления печатной платы – комбинированный позитивный, материал для изготовления – стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1.5 ГОСТ 10316-78, размер печатной платы 10050 мм.

Соединение выводов печатной платы с органами коммутации осуществляется объемным монтажом - проводом МПО 0.35 ТУ 16-505.339-79 с полихлорвиниловой изоляцией. Жгут вязать капроновой крученой нитью 3К ОСТ 17-330-84. Места пайки изолировать полихлорвиниловой трубкой 305ТВ-40-1 ГОСТ 19034-82 длиной 15 мм.

Корпус устройства может быть любого цвета. Окраска производится путем добавления к массе полистирола соответствующего красителя при прессовании корпуса.

Для защиты от атмосферных воздействий печатная плата покрывается бесцветным лаком УР-231.

КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Объемно – компоновочный расчет

Для выбора рациональной компоновки блока используют три параметра:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

Рассмотрим два варианта компоновки блока (рис.1 а, б). 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 2.

Таблица 2

Площади установочной поверхности элементов

Элементы	Площадь одного элемента, мм2	Количество элементов	Общая площадь, мм2
Резисторы R1-R12 МЛТ0.125 Конденсаторы С1, С7 КМ-3б Конденсатор С2 КМ-3б Конденсаторы С3, С4, С5, С9 КМ-4б Конденсаторы С6, С8 Диоды VD1,VD2 Микросхемы DD1, DD2, DD4, DD5, DD9, DD10 (DIP 14) Микросхем DD3, DD6...DD8 (DIP 16 ) Индикатор HG1 ИЖЦ 5-4/8	102.2=22 73=21 93=27 53=15 113=33 12.54.5=56 29.57.5=221 33.57.5=252 3545=1575	12 2 1 4 2 2 6 4 1	264 41 27 60 66 112 1326 1008 1575

Общую площадь печатной платы найдем, используя следующую формулу:

S=S_R+S_C +S_MC+S_D+ S_HG (1)

где S_R – площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;

S_C - площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;

S_MC - площадь, необходимая для установки микросхем на ПП;

S_D - площадь, необходимая для установки диодов на ПП;

S_HG - площадь, необходимая для установки индикации на ПП;

Примечание: индикатор HG1 в первом варианте компановки устанавливается на плату со стороны пайки (двустороннее пасположение элементов), во- втором - на плату индекации.

Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:

S₁=4497 мм².

S₂=2904 мм².

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6 , получим значение площади ПП:

S_пп2 = S/0.6 = 4497 /0.6 =7495 мм². (2)

S_пп2 = S/0.6 = 2904 /0.6 =4840 мм². (2)

Рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон ПП и был выбран для первого варианта 100  50 мм по ГОСТ10317-79, для второго

11070мм

Объем печатной платы:

V=S_пл H_{э max}

Где H_{э max -} высота наибольшего элемента

V ₁= 11070(11,5) = 88550 мм³;

V ₂= 10050(11,5) = 57500 мм³;

Полный объем первого варианта:

V₁=1208040=384000 мм³;

Полный объем второго варианта:

V₂= 1106050=330000 мм³;

Приведенные площади наружной поверхности:

S_пр1=S_пп1/V₁=35200/384000=0,092мм ^-1; (3)

S_пр2=S_пл2/V₂=30200/330000=0,091мм ^-1; (4)

Для определения корпуса наиболее оптимального по площади наружной поверхности, воспользуемся следующим соотношением:

Коэффициент приведенных площадей

К_пр=S_пр/S_{пр ш}

Где S_{пр ш} - приведенная площадь шара равная:

S_{пр ш}=S/V=6/d

где d - диаметр шара равный длине максимальной стороны блока

К_{пр 1}= 0,092/0,05=1,84

К_{пр 2}=0,091/0,054=1,677

(5)

Так как соотношение К_пр1/ К_пр2 < 1, то из двух вариантов второй вариант компоновки наиболее оптимален по площади наружной поверхности.

Коэффициент заполнения объема:

Для первого варианта

Определяем объем, занимаемый аппаратурой:

V_а= S_пп H_{э max}

Так как в первом варианте используется двухстороннее расположение элементов, то необходимо учесть высоту элементов с обеих сторон платы:

V_а1=7495(11.5+5)=123667.5 мм3

Для второго варианта

Определяем объем, занимаемый аппаратурой:

S_пп2 = S_пп2+ S_{пп инд}

Где

= S/0.6 = 2904 /0.6 =4840 мм². (2)

V₁= S_пп1 H_{э max} =7495(11.5+5)=123667.5 мм3

V2=121500+3000+3120=127620

К_з.о.=V_п / V · 100%; (6)

-для первого варианта: К_з.о.1=33.9 %;

-для второго варианта: К_з.о.2=28 %.

Коэффициент заполнения объема больше у первого варианта компоновки, значит, у него объем используется более эффективно.

В качестве исходной компоновки блока выбираем первый вариант, т.к. у него элементы более доступны (легче осуществлять ремонт), коэффициент заполнения больше, а высота блока меньше.

.2 Расчет печатного монтажа

Двухсторонняя печатная плата размером 50100 выполнена комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита фольгированного СФ-2Н-50Г1,5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности.

- толщина платы 1,5 мм.

- максимальный допустимый ток I_max=1 мА,

- толщина фольги h=0,05 мм,

- допустимая плотность тока i_доп=38 А/мм²,

- допустимое падение напряжения U_доп=3.50.05=0.175 В,

• удельное сопротивление печатного проводника =0,0175 Оммм²/м,

• максимальная длина печатного проводника l=0,2 м.

- расстояние между выводами микросхем 2.5 мм.

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

- минимальное значение номинальной ширины проводника t_1min=0,15 мм;

- номинальное расстояние между проводниками S=0,15 мм;

- допуск на ширину проводника без покрытия t=0,05 мм;

- допуск на расположение отверстий d=0,05 мм;

- допуск на расположение контактных площадок p=0,15 мм;

- допуск на отверстие d=;

- допуск на расположение проводников на ДПП l=0,03 мм;

- гарантийный поясок b_м=0,05 мм.

4.3 Расчет по постоянному и переменному току

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

(7)

где I_max - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина проводника, мкм,

b_min1=110^-3/380,05=0,00057мм.

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

b_min2=I_maxl/U_допh,` (8)

где  - удельное сопротивление, Оммм²/м;

l - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В;

b_min2=110^-30,0175·0,20/0.1750.05= 0,0004 мм,

Значения минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:b_{min 1} и минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:b_{min 2} не должны быть меньше рассчитанных значений. Исходя из технических особенностей производства плат по 4 классу точности выбираем ширину сигнального проводника равную 0,3 мм. Это значение больше чем b_{min 1} и b_{min 2}.

Для надежной работы схемы выбираем толщину шины питания и общей шины равную 0.6 мм.

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

4.4 Конструктивно-технологический расчет

Номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

Д=Д_выв+|d_н.о.|+з, (9)

где Д _выв - диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

d_н.о.- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм;

з - разница между минимальным диаметром ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм.

При Д_выв=0,6 мм:

Д=0,6+0,1+0,1=0,8мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

Д _0max=Д_выв2+d+(0,1...0,15),

где d - допуск на отверстие, мм;

Д _0max2=0,6+0,05+0,15=0,8 мм.

Минимальный диаметр контактной площадки для оплавляемого покрытия олово-свинец:

; (10)

где b_м - гарантийный поясок, мм;

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

Д_min=2(0,05+0,8/2+0,05+0,15)+1,50,05=1,375 мм;

Максимальный диаметр контактной площадки:

Д_max=Д_min+(0,02...0,06); (11)

Д_max=1,375+0,05=1,4251.5 мм.

Результаты рассчитанных диаметров отверстий сведены в табл.3.

Таблица 3