Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

курсовой проект / 24 многофункциональный автомат световых эффектов / многофункциональный автомат световых эффектов

.docx
Скачиваний:
82
Добавлен:
21.02.2014
Размер:
233.32 Кб
Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков само-стоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой ра-счета и конструирования изделий ЭАВТ.

Цель курсового проекта – научиться использовать нормативно-техническую документацию при разработке изделия, ознакомиться с порядком построения, изложения и оформления конструкторской документации, а также в проектировании цифрового устройства.

Автомат световых эффектов предназначен для создания световых эффектов, представляет собой « световую линейку ». Данный прибор может использоваться в автомобиле, квартире для игры со светом.

Режим работы данного автомата выбирается автоматически, что не утомляет глаза повторением одной и той же комбинации цветов и становиться интересной игрушкой.

Раннее была изготовлена подобная игрушка «световая линейка», но режим ее работы представлял собой поочередное мелькание светодиодов, например, слева направо.

Недостатком автомата световых эффектов является сравнительно большой потребляемый ток (максимально около 320 мА). Это связано с тем, что светодиоды имеют приемлемую яркость свечения лишь при токе порядка 20 мА через переход.

Наше проектируемое устройство будет выполнятся на цифровой основе с использованием логических элементов, так как в данном устройстве задается определенный такт мелькания светодиодов, а также автоматический выбор последовательности мелькания.

1 Расширенное техническое задание

  1. Назначение многофункционального автомата световых эффектов.

Разрабатываемый автомат световых эффектов предназначен для декорации помещений.

2) Технические требования по току и напряжению

Напряжение питания, В 5;

Потребляемый ток, А 0,2;

3) Требования надежности

Интенсивность отказов:

-микросхемы 1.26*10-6;

-сопротивления 100*10-6;

- конденсаторы 200*10-6;

- диод и светодиоды 100*10-6;

Интенсивность отказа устройства, ч -1 10-45·10-5;

Наработка прибора на отказ, тыс.ч 1020;

Срок сохраняемости, лет 10.

4) Условия эксплуатации и транспортирования

Условия эксплуатации: закрытое, отапливаемое помещение с искусственной вентиляцией (в соответствии с ГОСТ 11478 IV категория эксплуатации)

Рабочая температура, °С -15 ÷ +40;

Относительная влажность воздуха, % 80;

Атмосферное давление, кПа 100.

Транспортировка производится на любом транспорт

5) Конструктивные требования:

– применять интегральную и дискретную базу;

– использовать печатный и объёмный монтаж;

– конструкция корпуса разрабатывается в процессе проектирования;

– габаритные размеры – в процессе проектирования;

– цвет корпуса любой.

6) Номенклатура конструкторской документации

Схема электрическая принципиальная

Чертеж детали печатной платы

Сборочный чертёж печатного узла

Сборочный чертёж изделия

Спецификация печатного узла

Спецификация изделия

Перечень элементов

Таблица соединений

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

2.1 Сравнительный анализ аналогов

В результате литературного поиска аналогов, был выбран автомат световых эффектов – как наиболее схожий по всем конструктивным и техническим характеристикам. Для сравнения основных технических характеристик разрабатываемого автомата и аналога сведем данные в таблицу.

Таблица 1 – Сравнение основных характеристик приборов

Показатель

Проектируемый многофункциональный автомат световых эффектов [10]

Аналог автомат световых эффектов «Снежинка»[8]

Напряжение питания, В

5

4,5

Потребляемый ток, А

0,2

0,01

Число светодиодов

32

12

Масса, г

150

200

Наличие преобразователя кода в напряжение (ПКН)

есть

нет

Анализируя данные в таблице 1, можно сделать вывод о том, что проектируемый автомат световых эффектов имеет ряд преимуществ над своим аналогом по всем основным характеристикам.

2.2 Принцип работы устройства

Существует генератор тактовых импульсов постоянной частоты на логических элементах, что позволило реализовать эффект автоматического изменения скорости "бега". Сущетвует до­полнительная функция "бегущая тень".

К выходам счетчика DD3, кроме дешифратора DD4, подключен простейший преобразователь кода в на­пряжение (ПКН) на резисторах R3—R6. Они должны быть подобраны так, чтобы значения их сопротивления находились в соотношении 8:4:2:1 с отклонением не более 1...2 %. Конденсатор С2 сглаживает выбросы напряжения, воз­никающие в моменты переключения счетчика.

Выходное напряжение ПКН поступа­ет на управляющий вход ГУН (вывод 9 DD2). При указанных на схеме номиналах резисторов R1, R2 частота генерируемых импульсов при состояниях счетчика 0 и 15 отличается в 10 раз. По­скольку каждый пришедший на вход С счетчика импульс вызывает изменение частоты на один шаг, создается впечат­ление плавной регулировки скорости "бега".

Светодиоды HL1—HL16 и HL17—-HL32, подключенных таким об­разом, что они светятся, когда на соот­ветствующих выходах дешифратора DD4 установлены высокие уровни на­пряжения. Погашен лишь один из них, соединенный с выходом, на котором в данный момент установлен низкий уровень. Таким образом, реализован эффект "бегущая тень".

В общие цепи групп светодиодов включен коммутатор на транзисторах VT1 и VT2. В зависимости от уровня на­пряжения на входе коммутатора (по­движном контакте переключателя SA1) открыт транзистор VT1 и работают светодиоды HL1—HL16 либо открыт тран­зистор VT2 и работают светодиоды HL17—HL32. Неподвижные контакты переключателя соединены с выходами триггера на элементах микросхемы DD1, управляющего направлением ра­боты реверсивного счетчика DD3. В за­висимости от положения переключателя в одну сторону, ускоряясь, «бежит» огонь, затем в противоположную, замедляясь, - тень, либо наоборот.

2.3 Оценка элементной базы

Резисторы

Постоянные резисторы МЛТ металлоплёночные лакированные теплостойкие, характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью, пределы мощностью 0,125 Вт, величина номинальных сопротивлений от 8,2 Ом до 3 МОм с допуском 5%, ТКС ±(7-16)*10-4 1/С0, диапазон температур -60...+125 0С. Установочная площадь 109 мм2. Вариант установки IIа.

Конденсаторы

Полярные конденсаторы серий К73-11, К53-18, характеризуются высокими электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Установочная площадь 117 мм2 (для С1), 24,18 мм2 (для С2).Вариант установки IIв.

Микросхемы.

В устройстве использованы микросхемы серии К155, К561,КР156.Все микросхемы имеют одинаковое напряжение питания: Uип=5В±10% и близкие значения логических уровней. Вариант установки микросхем: VIIIa.

К561ЛА7 - Корпус типа 201.14-1. Потребление тока – 16,5мА. Установочная площадь –9,75мм2. Диапазон рабочих температур -10...+70С.

КР1561ГГ1- Корпус типа 301.12-1. Потребление тока – 20А. Установочная площадь –70,8мм2. Напряжение питания +5В±5%.

К561ИЕ11- Корпус типа 238.16-1. Потребление тока – 53мА. Установочная площадь – 110,1мм2. Диапазон рабочих температур -10...+70С.

К155ИД3- Корпус типа 238.24-1. . Потребление тока – 60мА. Установочная площадь – 378,5мм2. Диапазон рабочих температур -10...+70С.

Диоды

В устройстве используются светоизлучающие диоды арсенид-галлий-аллюминневые в пластмассовом корпусе красного и зеленого цвета свечения серии АЛ307.

АЛ307БМ – Сила света 0.9 мкд. Постоянное прямое напряжение 2В. Цвет свечения – Красный. Диапазон рабочих температур 213...343К. Установочная площадь – 314мм2. Вариант установки IIа.

АЛ307ВМ – Сила света 0.4 мкд. Постоянное прямое напряжение 2.8В. Цвет свечения – Зеленый. Диапазон рабочих температур 213...343К. Установочная площадь – 314мм2. Вариант установки IIа.

Транзисторы

Транзисторы КТ646А,КТ829А часто используемый в радиотехнике и других устройствах с рабочим напряжением не более 9В и током 10мА. Диапазон рабочих температур -20...+60 0С. Установочная площадь 21,84 мм2 и 70,8 мм2 соответственно. Вариант установки IIв.

Кнопка

В качестве элемента электрической коммутации используется кнопка типа КМ1-1. Данный тип переключателя имеет малые габариты, механическую износостойкость. Диапазон рабочих температур -60...+100С.

В результате оценки элементной базы были установлены параметры ЭРЭ для платы, которые сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Основные конструктивные параметры элементной базы

Наименование элемента

Кол-во

Конструктивные параметры

Вариант установки

Установочная

площадь, мм2

Резисторы:

МЛТ-0,125

МЛТ-0,5

9

1

II-a

II-a

109

42.84

Конденсаторы:

К73-11 2,2 мкФ

К53-18 0,33 мкФ

1

1

II-в

II-в

117

24.18

Микросхемы:

К561ЛА7

КР1561ГГ1

К561ИЕ11

К155ИД3

1

1

1

1

VIII-a

VIII-a

VIII-a

VIII-a

9.75

70.8

110.1

378.5

Диоды:

АЛ307БМ

АЛ307ВМ

1

1

II-a

II-a

314

314

Транзисторы:

КТ646А

КТ829А

1

1

II-в

II-в

108.16

21.84


Произведя подбор элементной базы для проектируемого автомат световых эффектов, можно перейти к разработке конструкции устройства.

3 Разработка конструкции Устройства

3.1 Предварительная разработка конструкции

При разработке конструкции устройства были учтены технические требования, заданные на разработку автомата световых эффектов. Объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭА. Элементы управления и индикации должны располагаться с учетом эргономики устройства. В данном разделе рассматривается два возможных варианта компоновки устройства, отличающихся расположением печатных плат, органов коммутации и управления. При этом рациональная форма блока определяется по трем параметрам:

Варианты компоновки блоки представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Первый вариант компоновки блока

Рисунок 2 – Второй вариант компоновки блока

Для определения выше перечисленных параметров необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) блока. Для этого вычисляются габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры.

Объем занимаемый аппаратурой складывается из объема платы и объема индикаторов.

Для определения объема занимаемого платой необходимо вычислить площадь платы.

Определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате:

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0.6, получим значение площади:

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП и был выбран следующий: 5080 мм в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Для определения объема ПП необходимо знать ее высоту, определяемую как возвышением над платой самого высокого элемента. В нашем случае h=21,5 мм (конденсатор С1). Тогда объем ПП:

где a, b, h – размеры платы, мм.

Объем разъема:

Объем кнопки:

Общий объем аппаратуры внутри блока:

а) Высота устройства для первого варианта компоновки определяется высотой самого высокого элемента на плате, а также размерами платы индикации.

Выберем высоту блока (с учетом толщины стенок корпуса) равной 40мм.

Длину и ширину блока выбираем равными длине и ширине печатной платы, что соответственно составит 60 и 90 мм.

Таким образом, объем устройства составляем

б) Ширина блока для второго варианта компоновки определяется высотой печатной платы, а также размерами разъемов. Примем ширину блока равной 85 мм.

Длина и ширина блока определяются только размерами платы, поэтому примем длину и высоту блока равными 90 мм и 25 мм.

Объем корпуса для второго варианта компоновки составит

Определим приведенную площадь для каждого варианта компоновки:

а) S1=(4060+9060+4090) 2=22800 мм2

SПР1= 22800/216000=0,1 мм2

б) S2=(9085+8525+2590) 2=24050 мм2

SПР1=24050/191250=0,129 мм2

Определим коэффициент приведенных площадей: KПР=SПР/SПР ШАРА.

SПР ШАРА=6/d

где d – диаметр шара с объемом, равным объему блока;

Используя условие V1=Vш= получаем

SПР ШАРА=0.081 мм2

SПР ШАРА=0.084 мм2

Таким образом, коэффициенты приведенных площадей:

KПР1=1,235

KПР2=1,535

Таким образом, первый блок более оптимален по площади наружной поверхности.

Рассчитаем коэффициент заполнения объема блоков:

КЗО1=93779100/216000=43%

КЗО2=93779100/191250=49%

Анализируя расчеты можно сделать вывод что, первый вариант блока оптимален по площади наружной поверхности, но выбор второго варианта более предпочтителен исходя из коэффициента заполнения объема, поэтому выбираем второй вариант блока.

3.2 Разработка основных элементов и узлов конструкции устройства.

3.2.1 Выбор элементов несущей конструкции, крепления и фиксации. Корпус устройства изготовлен из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л по ОСТ6-65-406-80 методом литья под давлением. Выбранный материал обладает повышенной механической прочностью и невысокими электроизоляционными свойствами, рекомендуется для изделий технического назначения средней и ударной прочности. Корпус блока выполнен в виде прямоугольного па­раллелепипеда. Габаритные размеры 60х90х45 мм. Корпус состоит из основания и боковой крышки (толщина стенок корпуса 5 мм). Присоединение крышки к основанию осуществляется при помощи шурупов 1-2,5х5.2.09 ГОСТ 1144-80, ко­торые ввинчиваются в резьбовые отверстия, выполненные в стенках основания единой отливкой.

Печатная плата крепится к литым выступам на одной из стенок блока при помощи винтов с полукруглой головкой диаметром 2,5 мм. Крепление индикаторов для исключения излома выводов производится с помощью пластмассовых втулок. По бокам корпуса имеются отверстия под провода питания и выход на прерыватель.

3.2.2 Выбор конструктивных элементов электрического монтажа. В конструкции устройства применяется печатный и объемный монтаж. Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС61 ГОСТ 21931-76.

Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом. Материал для изготовления печатной платы – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для объемного монтажа применяют провод МПО 0.2 ТУ 16-505.339-79 с полихлорвиниловой изоляцией.

Провода, соединяющие плату с разъемами, впаиваются в отверстия на плате. Затем каждый провод припаивается к соответствующему выводу каждого элемента.

Места пайки изолировать полихлорвиниловой трубкой 305ТВ-40-1 ГОСТ 19064-82.

Корпус устройства окрасить в красный цвет. Для защиты от атмосферных воздействий печатные платы покрываются бесцветным лаком УР-231.

3.2.3 Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий. Данные по применяемым покрытиям внесены в таблице 3.

Таблица 3 - Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы

Материал детали, сборочной единицы

Покрытие

лакокрасочное

Основание

Полистирол

Крышка

Полистирол

Печатная плата

Стеклотекстолит

СФ-2Н-50Г-1,5

Лак УР-231

бесцветный

3.2.4 Выбор способов маркировки деталей и сборочных единиц. На печатной плате маркировка элементов электрической схемы осуществляется травлением. На лицевую панель надписи наносятся краской ТНПФ-0,1 черного цвета.

4. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Расчет геометрических параметров печатной платы

Расчет печатного монтажа состоит из 3 этапов: расчет по постоянному току, расчет по переменному току, конструктивно технологический расчет.

а) Метод изготовления и класс точности печатной платы. (ГОСТ 237551-86)

Предпочтение отдадим двухсторонней печатной плате, которая выполнена комбинированным позитивным методом по полуаддитивной технологии, так как она является базовой для ДПП из стеклотекстолита нагревостойкого фольгированного СФ-2Н-50Г-1.5 ГОСТ 10316-78. В данной разработке ПП используется как дискретная, так и интегральная элементная база, поэтому выбираем 4 класс точности.

Исходные данные для расчета:

-толщина печатной платы Нр=1.5мм;

удельное сопротивление ρ=0.0175Ом*мм2/м;

-толщинафольги hф=50мм;

-допустимая плотность тока iдоп=38А/мм2;

-максимально постоянный ток, протекающий в проводниках, исходя из анализа схемы, будет следующим Imax=0.2А;

-напряжения питания схемы Uсхемы =5В;

-длина проводника l=70мм;

-шаг координатной сетки 1.25мм;

-допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения Uдоп=0,25В;

-диаметры выводов ЭРЭ:

D0=0.5мм, D1=0.6мм, D2=0.7мм, D3=0,8мм, D4=0,9мм.

4.2 Расчет по постоянному и переменному току печатного монтажа платы

б) Минимальная ширина (мм) печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где Imax - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

iдоп - допустимая плотность тока, А/мм2;

hф - толщина проводника, мкм,

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

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

l - длина проводника, м;

Uдоп - допустимое падение напряжения, В;

.

Таким образом выбираем толщину печатной платы 0.15 мм в соответствии с ГОСТ 23751-86.

bmin<0.15 – не превышает установленной нормы, следовательно плата будет работать стабильно.

4.3 Конструктивно-технологический расчет.

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматизированной сборки ячеек.

Номинальное значение диаметров монтажных отверстий Д:

Д=Двыв+/dн.о./+,

где Д выв - диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

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

 - разница между минимальным диаметром ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0.1...0.4 мм.

Двыв0=0.5мм, Двыв1=0.6мм, Двыв2=0,7 мм, Двыв3=0,8мм, Двыв4=0,9мм.

Для Двыв0=0.5мм

Д0=0.5+0.05+0.2=0.75мм

Для Двыв1=0.6мм

Д1=0.6+0.05+0.2=0.85мм

Для Двыв2=0,7мм

Д2=0,7+0.05+0.2=0,95мм

Для Двыв3=0,8мм

Д3=0,8+0.05+0.2=1.05мм

Для Двыв4=0,9мм

Д3=0,9+0.05+0.2=1.15мм

Минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим, но в связи с ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы.

Дм min≥Нрас*v=1.5*0.33=0.495мм

где Hр - расчетная толщина платы, мм;

- отношения диаметра отверстия к толщине платы.

Диаметр переходного отверстия равен половине толщине ПП толщина ПП=1.5мм следовательно диаметр равен 0.75мм рассчитанный диаметр отверстия выбираем из предпочтительного ряда и принимаем равным 0.8 мм.

Диаметр контактных площадок.

Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП:

Дmin=Д1min+1.5hr - для оплавляемого покрытия олово-свинец

где hr-толщина гальванической меди в отверстиях около 0,05мм;

Д1min=2*(bм0max/2+ δd+ δр):

где bм - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок ), мм;

, - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм.

Максимальный диаметр просверливаемого отверстия Д0max, мм:

Д 0max = Д0 + d + (0.1...0.15),

где d - допуск на отверстие, мм;

Д0-номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм.

Д 0max 0=0.75+0.05+0.1=0.9мм

Д 0max 1=0.85+0.05+0.1=1мм

Д 0max 2=0,95+0.05+0.1=1.1мм

Д 0max 3=1.05+0.1+0.1=1.25мм

Д 0max 4=1.15+0.1+0.1=1.35мм.

Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстиий:

Д1min0==1.4мм

Д1min1==1.5мм

Д1min2==1.6мм

Д1min3==1,75мм

Соседние файлы в папке 24 многофункциональный автомат световых эффектов