ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсового проекта является овладение методикой конструирования изделий электронной автоматики, развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи.

Целью данного курсового проекта является проектирование электронного счетчика витков, который считает число оборотов вала, может работать и в прямом и в обратном направлениях, и имеет табло для отображения значения числа витков.

Изготовить несложный станок для намотки катушек трансформаторов и дросселей не вызывает больших трудностей, а приобрести удобный в работе счетчик удается не всем. Разрабатываемое устройство имеет низкую себестоимость, оно обеспечивает высокую эффективность и надежность работы [1].

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1) Наименование и область применения

Разрабатываемое устройство считает числа оборотов вала от 0 до 4095, может работать и в прямом, и обратном направлениях вращения вала, имеет светодиодное цифровое табло с гашением не значащих нулей и кнопку обнуления.

Прибор имеет не большие размеры, совместимо с любым намоточным станком, как с ручным так и с электрическим приводом.

2) Состав изделия

В состав устройства счетчика входят:

• основной модуль;

• модуль датчиков;

• модуль индикации.

3) Технические требования

Разрабатываемое устройство должно отвечать следующим техническим требованиям:

• напряжение питания, В 5;

• потребляемый ток, мА 250;

• потребляемая мощность, Вт 1,25.

4) Условия эксплуатации

Для разрабатываемого устройства условия эксплуатации определяются 3 и 4 категориями (неотапливаемые помещения с естественной вентиляцией и закрытые отапливаемые вентилируемые помещения):

• температура окружающей среды, ⁰С 0…50;

• относительная влажность воздуха, не более % 80;

• атмосферное давление, кПа 86,7…106,7.

Транспортирование осуществляется в упакованном виде, на любых видах транспорта.

5) Требования по надежности

• наработка на отказ, тыс. ч; 5…20;

• интенсивность отказов, ч^-1 10^-5 – 10^-8;

• гарантийный срок, год 3.

6) Конструктивные требования

• в элементной базе использовать интегральные и дискретные устройства;

• использовать печатный и объемный монтаж;

• габаритные размеры и вес устройства должны быть минимальными;

• индикаторы и органы управления вынести на лицевую панель блока;

• органы коммутации вынести на панель блока;

• форма блока и расположение в нем элементов определить в процессе проектирования;

• цвет корпуса произвольный.

7) Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

- схема электрическая принципиальная А

- таблица соединений А

- сборочный чертеж изделия А

- сборочный чертеж печатной платы А

- печатная плата А

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Сравнительный анализ аналогов

Одним из функциональных аналогов разрабатываемого зарядного устройства является прибор, описанный в [2]. Отличие состоит в том, что в аналоге применяются элементы зарубежного производства, которые не выгодно использовать. Кроме того, данный прибор может считать только от 0 до 2043 и нет возможности гасить незначащие нули.

Разрабатываемое зарядное устройство основано на отечественной элементной базе (за исключением запоминающего устройства), позволяет считать от 0 до 4095 и гасить не значащие нули.

2.2 Анализ работы электрической схемы

Принципиальная электрическая сема приведена на чертеже УИТС 422332.013 ЭЗ.

В состав устройства входя реверсивный двенадцатиразрядный двоичный счетчик DD3-DD5, постоянное запоминающее устройство DS 1, выполняющее функции мультиплексора, дешифратора состояния счетчиков, преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный позиционный код для динамического управления индикатором с гашением незначащих нулей. Селектор импульсов DD9, DD6.3, DD6.4, DD7.2, управляемый двумя оптоэлектронными инфракрасными датчиками BL1VD1, DD1 и BL2VD2, DD2, тактирующий генератор DD6.1, DD6.2 с делителем частоты на триггере DD7.1, счетчик импульсов DD8, четырехфазный дешифратор DD10, выходы которого нагружены усилителями тока VT1 – VT4, коммутирующими светодиодные индикаторы HG1-HG4.

Датчик направления вращения вала намоточного станка, работающий совместно с селектором импульсов, представляет собой две оптопары BL1VD1, BL2VD2 и посаженный на вал диск – заслонку с секторным вырезом. Импульсы с фотоприемников VD1, VD2 поступают на входы триггеров Шмитта DD1, DD2. На элементах DD6.4, DD9.2 и цепи R4C1 собран формирователь коротких импульсов, обнуляющих триггер DD7.2 в конце каждого цикла работы селектора.

Предположим, что ИК излучение попадает на фотодиод VD1. На выходе триггера Шмита DD1, а значит и на выходе D триггера DD7.2 установится низкий уровень. Это состояние триггера будет зафиксировано плюсовым перепадом с выхода элемента DD9.1, причем это произойдет после короткого промежутка времени равного задержке распространения сигнала в элементе DD9.1.

При дальнейшем вращении диска наступает момент, когда «освещенными» окажутся оба фотодиода. Высокий уровень с выхода элемента DD6.3 стробирует элементы DD9.3 и DD9.4 появится импульс +1, увеличивающий на единицу состояние счетчика DD3 – DD5 (прямой счет).

При вращении намоточного вала станка в обратную сторону первым будет «освещен» фотодиод VD2 на выходе элемента DD9.1 появится плюсовой перепад. Поскольку к входу D триггера DD7.2 приложено напряжение высокого уровня, он остается в единичном состоянии. Поэтому стробирующий импульс с выхода элемента DD6.3 пройдет на выход элемента DD9.3 (-1) и уменьшит на единицу состояние счетчика DD3-DD5 (обратный счет). Цикл завершится возвращением триггера в исходное нулевое состояние под действием импульса с выхода элемента DD9.2.

Преобразование – зафиксированного счетчиком двоичного числа и вид, удобный для считывания, выполняет запоминающее устройство DS1. Для всех возможных значений кода на выходах счетчика оно вырабатывает соответствующие комбинации сигналов, подаваемые на входы индикаторов.

Работой узла дешифрации – индикации управляет генератор собранный на элементах DD6.1, DD6.2, DD7.1 и делитель частоты на триггерах DD8.1, DD8.2. Делитель частоты формирует кодовую последовательность чисел от 0 до 3, которые определяют нужную область памяти запоминающего устройства.

Одновременно код этих чисел подают на четырехфазный дешифратор – коммутатор питания, собранный на элементах DD10.1-DD10.4 и транзисторных усилителях тока VT1-VT4 [1].

Вывод: анализ ЭЗ проводиться для разделения устройства на функциональные конструктивно законченные узлы (модули). В наше устройство входят: основной модуль, модуль индикации и модуль датчиков.

2.3 Оценка элементной базы

Применяемая в разрабатываемом устройстве элементная база широко распространена в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями, а также имеет много отечественных и зарубежных аналогов, что повышает ремонтопригодность изделия.

Разрабатываемое устройство содержит следующие элементы:

1. Резисторы МЛТ-0,125 (ГОСТ 7113-77) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Вариант установки – II а [3].

2. Конденсатор КМ-6 алюминиевый оксидно-электрический. Выпускается в цилиндрических металлических корпусах. Диапазон температур от –60 до +100 С. Вариант установки – II в [3].

3. Транзистор типа КТ315Б – кремниевый планарно-эпитаксиальный n-p-n транзистор. Пластмассовый корпус, герметичный, с жесткими выводами.Вариант установки IIв [4].

4. Индикатор АЛС324Б – цифровой одноразрядный индикатор, арсенид-фосфид-галлиевый красного цвета свечения. Пластмассовый корпус. Предназначен для отображения цифровой информации [3];

5. Микросхема серии К155ЛЕ1 – логическая микросхема, содержит 4 элемента ИЛИ-НЕ, упакована в корпус 201.14-10. Микросхема серии К155ТМ2 – содержит два независимых комбинированных D-триггера, имеющих общую цепь питания. Упакована в корпус 201.14-1. Микросхема К155ЛА3 – логическая микросхема, содержит 4 элемента И-НЕ, упакована в корпус 201.14-1. Микросхема К1006 ВИ1 – триггер Шмидта, упакована в корпус 2101.8-10. Микросхема К155ИЕ7 – двоичный реверсивный счетчик (4 разрядный), упакована в корпус 238.16-2 [8].

6. Кнопка КМ-1 – малогабаритная кнопка без фиксатора, стойкость до 10000 включений.

Основные конструктивные параметры элементной базы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные конструктивные параметры элементной базы

Элементы	Установочная площадь одного элемента, мм2	Коли-чество элемен-тов	Диапазон температур, С	Диаметр вывода, мм
Резисторы МЛТ-0,125	58,75	18	-60..+50	0,6
Конденсаторы КМ-6 0,1мкФ КМ-6 0,33мкФ	84 72	1 1	-50..+90 -50..+90	0,7 0,7
Транзисторы КТ315Б	53,35	4	-60..+120	0,95
Индикаторы АЛ324Б	237	4	-50..+90	0,6
Микросхемы К155ЛЕ1 К155ТМ2 К155ЛА3 К1006ВИ1 К155ИЕ7 27128	176,37 176,37 176,37 176,37 180,63 566,25	1 2 2 2 3 1	-10..+70 -10..+70 -10..+70 -10..+70 -10..+70 -10..+70	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,59
Кнопка КМ1	118,2	1	-60..+100	0,95

Таким образом, на основе таблицы получаем, что диапазон рабочих температур -10..+50⁰С, что соответствует условиям технического задания.

3.Разработка конструкции

Разрабатываемое устройство «Электронный счетчик витков» (УИТС. 422332.013) состоит из следующих модулей:

1. основной модуль;

2. модуль индикации;

3. модуль датчиков.

Принципиальная электрическая схема данного устройства приведена на УИТС.422332.013 ЭЗ.

3.1 Объемно-компоновочный расчет

Для выбора компоновки разрабатываемого устройства рассмотрим два варианта, которые отличаются расположением печатной платы, органов коммутации и индикации.

При выборе рациональной компоновки блока используют три параметра:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

3.1.1 Расчет площади печатной платы. Для проведения расчета компоновочных параметров необходимо предварительно определить размер печатной платы. Площадь печатной платы рассчитывается исходя из площади установочной поверхности элементов. [6]

Расчет общей площади печатной платы ведется по следующей формуле:

S = S_R + S_C + S_MC + S_Т, (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_Т – площадь, необходимая для установки транзисторов на ПП;

Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:

S = 3769 мм².

При расчете площади печатной платы для бытовой РЭА принято учитывать коэффициент заполнения площади ПП, k_з = 0,6.

Площадь печатной платы:

, (2)

где S_ПП1 – площадь печатной платы;

S – общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате.

Учитывая полученную площадь ПП, тепловые монтажные зоны, а также площадь проводников было выбрано следующее соотношение сторон: 70×120 мм, согласно ОСТ4.010.020-83.

Определим площадь платы модуля индикации. Площадь платы модуля индикации определяется исходя из площади установочной поверхности элементов.

Общая площадь, занимаемая элементами модуля индикации:

S_Σми = S_HL, (3)

где S_HL – площадь, необходимая для установки светодиодов на ПП, мм².

Общая площадь, занимаемая элементами модуля индикации:

S_Σми = 948 мм².

Площадь печатной платы модуля индикации с учетом коэффициента заполнения площади ПП для бытовой аппаратуры:

Размер ПП для модуля индикации выбран по ОСТ4.010.020-83 и определяется соотношением сторон 5070 мм.

Рассмотрим два варианта компоновки блока для сравнения – с размерами 140×90×50 мм, а второй 140×90×65 мм (рисунок 1 а, б).

50

65

90

140

90

140

а) б)

Рисунок 1 – Варианты компоновки блока

Полный объем блока определяется по формуле:

V = L · B · H, (5)

где L – длина блока, мм;

B – ширина блока, мм;

H – высота блока, мм.

Полный объем для блока первого варианта:

V₁ = 140 · 90 · 50 = 630000 мм³

Полный объем для блока второго варианта:

V₂= 140 · 90 · 65 = 819000 мм³

Площадь наружной поверхности блока:

S = 2· (L·B+L·H+B·H), (6)

где L – длина блока, мм;

B – ширина блока, мм;

H – высота блока, мм.

Площадь наружной поверхности блока для первого варианта:

S₁ = 2 · (140·90 + 140·50 + 90·50) = 48200 мм²

Площадь наружной поверхности блока для второго варианта:

S₂ = 2 · (140·90 + 140·65 + 90·65) = 55100 мм²

Приведенная площадь наружной поверхности:

(7)

где S – площадь наружной поверхности блока, мм²;

V – объем блока, мм³.

Так как приведенные площади S_пр1 и S_пр2 практически одинаковы, то, следовательно, форма первого и второго блока имеют одинаковую массу.

Коэффициент приведенных площадей:

(8)

где S_пр – приведенная площадь блока любой конфигурации, мм^-1;

S_{пр.шара} – приведенная площадь шара, мм^-1.

Площадь шара:

, (9)

где d – диаметр шара, мм.

Объем шара:

(10)

где r – радиус шара, мм.

Радиус шара для первого варианта:

Радиус шара для второго варианта:

Диаметр шара:

(11)

Диаметр шара для первого варианта:

Диаметр шара для второго варианта:

Приведенная площадь шара для первого варианта:

Приведенная площадь шара для второго варианта:

тогда

Между S_пр и К_пр существует зависимость:

(12)

где индексы 1 и 2 обозначают блоки двух любых конфигураций.

Данное соотношение позволяет сравнивать между собой блоки любой конфигурации.

Проведем сравнение между блоками в виде прямоугольного параллелепипеда 1 и 2:

Так как то второй блок более оптимален по площади наружной поверхности.

Коэффициент заполнения объема:

(13)

где V_ап – объем аппаратуры, мм³;

V_об – объем, отводимый на объекте, мм³.

V_ап = V_i, (14)

где V_i – объем занимаемый конструктивным элементом в блоке, мм³.

Объем занимаемый платой основного модуля:

V_о.м = Sh_макс1,5, (15)

V_о.м = 12070151,5 = 189000 мм³

Объем занимаемый платой модуля индикации:

V_м.и = Sh_макс1,5, (16)

V_м.и = 3055101,5 = 24750 мм³

Объем, занимаемый в блоке кнопкой, определяется по максимальным размерам:

V_к = L_кB_кH_к1,5, (17)

где L, B, H – максимальные линейные размеры модуля, мм.

V_к = 2020111,5 = 6600 мм³

Объем, занимаемый аппаратурой в блоке, согласно формуле (13):

V_ап = V_о.м + V_м.и + V_к (18)

V_ап = 189000 + 24750 + 6600 = 220400 мм³

Определим коэффициент заполнения объема для первого блока:

Определим коэффициент заполнения объема для второго блока:

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

В качестве исходной компоновки блока выбираем первый вариант, так как у него элементы более доступны, следовательно, легче осуществлять ремонт и для этого варианта коэффициент заполнения объема больше.

Вывод: на основании произведенных расчетов выбираем блок в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами 140×90×50 мм.

3.2 Расчет печатного монтажа

Расчет печатного монтажа состоит из трех этапов:

1. расчет по постоянному току;

2. расчет по переменному току;

3. конструктивно-технологический расчет.

Выбираем метод изготовления и класс точности печатных плат (ГОСТ 23751 – 86).

Двухсторонняя печатная плата размером 70120 мм выполнена комбинированным позитивным методом из фольгированного стеклотекстолита СФ-2Н-50Г-1,5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности. Основные параметры печатной платы: [6]