Дисципліни:
Звіт з лабораторних робіт
На тему:

Розробка конструкції вольтметра на мікроконтроллері.

Дисципліна: Основи конструювання та технології виробництва електронних засобів
ВНЗ:НУ «ЛП»
Формат: Word Doc

Переглядів: 1071 Додано: 2015-02-28




Частина тексту

Зміст

1. Технічне завдання на розробку конструкції вольтметра на мікроконтроллері

2. Принципова електрична схема вольтметра на мікроконтроллері

3. Короткий опис принципу дії приладу

4. Конструкторський аналіз принципової електричної схеми вольтметра на мікроконтроллері

5. Синтез конструкції приладу

Розрахункова частина

6. Розрахунок показників надійності пристрою

7. Розрахунок теплового режиму

8. Розрахунок власної частоти коливань друкованої плати

9. Розробка способів захисту РЕЗ від дії вологи

Графічна частина.

10.1. Робоче креслення передньої панелі.

10.2. Робоче креслення друкованої плати.

10.3. Складальне креслення друкованої плати.

10.4. Креслення конструкції приладу в цілому.

10.5. Креслення електричних зєднань.

Висновки

Література


1. Технічне завдання на розробку вольтметра на мікроконтроллері.

1. Назва, і підстава для виконання дослідно-конструкторської роботи.

1.1 Розроблення конструкторсько-технологічної документації на вольтметр на мікроконтроллері.

1.2 Підставою для виконання є завдання на графічно–розрахункову роботу.

1.3 Виконавцем роботи є студент групи РТ-31 Чопей Р.С.

2. Мета виконання дипломної роботи.

Метою виконання графічно–розрахункової роботи є розроблення конструкції і технології виготовлення вольтметра на мікроконтроллері, що використовується в стаціонарних умовах.

3. Техніко-економічне обґрунтування.

Розроблюваний пристрій відповідає технічному рівню існуючих аналогів, але менший за габаритами і дешевший інших аналогів за рахунок використання сучасної елементної бази з кращими масо-габаритними характеристиками.

4. Технічні вимоги до проектованого пристрою.

4.1 Вимоги до конструкції:

4.1.1 Габарити не більше 150х90х90 мм.

4.1.2 Маса не більше 1 кг.

4.1.3 Кліматичне виконання У 4.2 згідно ГОСТ 15.150-69

4.2 Електричні параметри пристрою вольтметра на мікроконтроллері повинні відповідати наступним:

- Діапазон вимірюваних напруг від 0 до 10 В.

Від 10 до 100В.

- Споживаний струм не більше 100 мА.

- Похибка вимірювання ± 5 мВ.

4.3 Номінальне значення напруги живлення 220 В від мережі змінного струму 50 Гц.

4.4 Максимальне допустиме відхилення напруги живлення від номінального значення ±10%.

4.5 Значення гранично допустимих режимів експлуатації вказані в таблиці 1.

4.6 Вимоги по стійкості до зовнішніх впливових факторів:

1) Даний вольтметр повинен бути механічно стійким і зберігати свої параметри в процесі і після дії на нього механічних навантажень по ГОСТ 11.478-88;

2) Повинен зберігати параметри в межах норм, встановлених в технічному завданні, в процесі і після впливу на нього кліматичних факторів по ГОСТ 11.478-88.

5. Вимоги по надійності.

5.1 Мінімальний час напрацювання вольтметра внормальних умовах до відмови складає не менше 35000 годин.

5.2 Повний термін служби цифрового вольтметра – не менше 4 років.

6. Вимоги по стандартизації і уніфікації.

Розроблення пристрою вольтметра на мікроконтроллері має виконуватись на односторонній друкованій платі з використанням методу пайки хвилею припою.

7. Економічні вимоги до пристрою для вимірювання ємності.

7.1 Орієнтована потреба на 2011 рік складає 20000 штук.

7.2 Розрахункова лімітна ціна одного екземпляра на момент підпису технічного завдання не більше 150 грн.

8. Етапи виконання роботи.

8.1 Початок роботи 1-й квартал 2011 року.

8.2 Закінчення роботи 2-й квартал 2011 року.

9. Порядок приймання роботи.

9.1 Приймання графічно–розрахункової роботи проводить комісія у Національному університеті “Львівська політехніка ”.

Для комісії готують наступні матеріали:

1) Затверджене технічне завдання.

2) Комплект конструкторської і технологічної документації.

2. Принципова електpична схема пpистpою.

В дані схемі можна виділити декілька основних вузлі. А саме : вимірювальна частина приладу, подільника напруги, компаратора. До вимірювальної частини приладу відноситься інтегратор зібраний на елементах DA1, R3, R4, C2, VT1. Подільник напруги зібраний на елементах R2, R5, VT2. Компаратор виконаний як інтегральна мікросхема і представляє собою один елемент DA3. Для живлення мікроконтроллера DD1 необхідна стабільна напруга тому живлять дану схему за допомогою трансформатора та діодного моста, після чого двопівперіодна напруга попадає на стабілізатор DA2 а конденсатори C3, C5 згладжують високо та низькочастотні пульсації. Кварцевий генератор ZQ – 1 задає частоту роботи мікроконтроллера. А транзистори VT3 – VT6 використовуються як електронні ключі для семисегментних індикаторів. Резистор R3 використовується для калібровки приладу.
Отже принцип роботи вольтметра заснований на методі перетворення вимірюваної напруги в частоту за допомогою однократного інтегрування. Це дозволяє, по зрівнянню з мікроконтроллерами з вбудованим АЦП, отримати більшу дозволяючу здатність в широкому інтервалі вимірюваної напруги.

Підрахунок частоти, переключення діапазонів вимірювання і вивід результатів вимірювання на світодіодний індикатор здійснює мікроконтроллер.

3. Короткий опис принципу дії приладу

В момент запуску перетворювача з лінії порта PD5 мікроконтроллера DD1 на затвор транзистора VT1 поступає низький логічний рівень і він закривається. В цей момент часу програму записує число 0х02 в керуючий регістр TCCR1B мікроконтроллера DD1, що дозволяє роботу лічильника TCNT1 від імпульсів з тактовою частотою 1 МГц . Елементи DA1,R3,R4 створюють джерело стабільного струму, від якого заряджається конденсатор С2. Компаратор DA3 порівнює лінійно наростаючі напруги на цьому конденсаторі та вхідну напругу, поступаючи на його неінвертуючий вхід. Стабілітрон VD1 обмежує напругу на вході компаратора, захищаючи його від перенавантаження. Як тільки наростаюча напруга перевищить вимірювану, на виході компаратора DA3 встановиться низький логічний рівень. Спад сигнала на вході ISP контролера DD1 приведе до запису в регістр ICR1 даних з лічильного регістра TCNT1, запит на переривання по події “захоплення ” і виклик підпрограми обробки переривання. Якщо вимірюване значення перевищить 9,999 В подачею високого рівня на затвор транзистора VT2 з лінії порта PD4 мікроконтроллера DD1 буде ввімкнуто подільник напруги R2, R5.Для виключення неперервного переключення діапазонів вимірювання на їх межах програмою передбачено зона гістерезису шириною в 199мВ.

На точність вимірювання напруги впливають в основному такі фактори : як не лінійність стабілізатора струму на стабілізаторі DA1, затримка перемикання і напруги зміщення нуля компаратора DA3, опір стік-витік відкритого транзистора VT1, ТКЕ конденсатора С2.

В другому діапазоні вимірювань на похибку впливає точність опорів R2, R5. Менший вплив здійснює температурний і часовий дрейф частоти кварцового резонатора ZQ – 1. Всі вони погіршують точність вимірювання в інтервалі від 0 до 100 мВ. Нестабільність кварцевого резонатора ZQ – 1, стабілізатора DA1 і ТКЕ конденсатора С2 носять випадковий характер тому програмній компенсації не піддаються. Але похибки які вносяться компаратором і польовим транзистором VT1, систематичні тому їх можна скампенсувати програмним шляхом. Для цього після кожного цикла вимірювання програма додає до отриманого значення константу, вирахувану в процесі налагодження.

4. Конструкторський аналіз принципової електричної схеми.

4.1 Вид монтажу.

Оскільки в розроблюваному пристрої з’єднання виконуються як друкованими провідниками, так і об’ємними, то ми використовуємо комбінований монтаж.

4.2 Форма і розміри друкованої плати.

Оскільки для розроблюваного пристрою не вимагається спеціальної форми друкованої плати, вибираємо прямокутну форму. Конструкція друкованого вузла пристрою для вимірювання ємності представляє собою односторонню друковану плату розміром 70х45 мм.

4.3 Варіанти встановлення елементів .

В даному пристрої встановлення елементів і формування виводів елементів при їх монтажі на друковану плату визначаються стандартними варіантами встановлення згідно ОСТ 4.010.038-81 .

5. Синтез конструкції РЕЗ.

Корпус приладу складається з трьох частин: дві частини “П”-подібної форми верхньої та нижньої і плоскої передньої панелі. Деталі корпусу виготовляються методом литва під тиском. Верхня частина корпусу складається з частини передньої панелі, верхньої стінки і чистини задньої стінки. Нижня частина складається з нижньої стінки, чистини передньої та задньої стінки. Передня панель окрема.

Переваги такої конструкції над традиційною:

- проста технологія виготовлення деталей корпусу;

- менша кількість різьбових з’єднань;

- краща ремонтопридатність приладу за рахунок можливості легкого доступу до середини приладу.

Зверху на передній панелі розташований отвір для семисегментного індикатора, знизу розташовані отвори для перемикача і BNC роз’єм для підключення щупів для проведення вимірювання.

Друкована плата кріпиться до корпусу на чотирьох підставках.

Кріплення передньої панелі виконується шляхом розташування її в пази. Передня панель виконується з пластмаси методом литва під тиском.

9. Розробка способів захисту РЕЗ від дії вологи.

Оскільки даний пристрій призначений для роботи в стаціонарних умовах, то захисту від дії вологи він не потребує. Але відповідно до вимог РЕА після монтажу радіоелементів на друковану плату її покривають лаком УР – 31 згідно ОСТ ГО. 028.001 .


Висновки.

В результаті виконання лабораторних робіт було складене технічне завдання на проектування конструкції пристрою вольтметра на мікроконтроллері, описано роботу електричної принципової схеми пристрою, проведене технічне обґрунтування пристрою, здійснені розрахунки по надійності пристрою, розрахунки теплового режиму, власної частоти коливань, максимального прогину і міцності друкованої плати.

Розрахунки надійності показали, що середній час напрацювання приладу 39120 годин, що приблизно становить 4 роки і 4 місяців. Розрахунки теплового режиму показали, що максимальна температура повітря в пристрої складає 24,793 оС, температура найбільш теплонавантаженого елемента 26,925 оС, що менше від гранично допустимої. Розраховане значення частоти коливань плати становить 703,032 Гц, максимальний прогин становить 3мм, а міцність друкованої плати знаходиться в межах допустимих значень.

Розроблена конструкція РЕЗ задовольняє вимоги ТЗ.