Проектирование печатной платы

/

Содержание

• Ввведение
• 1. Анализ технического задания
• 2. Разработка структурной схемы
• 3. Разработка принципиальной схемы
• 4. Проектирование печатной платы
• 5. Описание технологии изготовления печатной плат
• 6. Расчет потребляемой мощности и температурного режима блока
• 7. Проектирование корпуса блока
• Заключение
• Приложение А. Техническое задание на разработку проекта
• Приложение Б. Чертеж основания блока устройства
• Приложение В. Чертеж крышки блока устройства
• Приложение Г. Сборочный чертеж блока устройствв
• Список использованных источников
• Введение
• Суть данного курсового проекта заключается в закреплении теоретических и практических навыков по разработке устройств и программного обеспечения на основе микроконтроллера. В курсовой работе нужно применить все полученные навыки в изучении данного курса и это должно обеспечить прочные знания и практические навыки в проектировании.
• Цель курсового проекта: Разработка блока микропроцессорного устройства измерения пульса.
• Задачи курсового проекта:
• - разработать структурную схему устройства;
• - разработать принципиальную схему устройства;
• - спроектировать печатную плату устройства;
• - описать технологию изготовления печатной плат устройства;
• - рассчитать потребляемую мощность и температурный режим блока;
• - спроектировать корпус блока.
• Разрабатываемая система предназначена для подсчета и вывода на дисплей частоты пульса человека.
• Разрабатываемая система очень актуальна в наши дни, т.к. такие устройства используются повсеместно.
• 1. Анализ технического задания
• Из анализа технического задания следует, что разрабатываемая система должна работать в одном режиме:
• основной режим работы
• Устройство измерения пульса должно выполнять следующие функции:
• - выводить информацию на дисплей;
• С учетом наличия в системе других менее надежных элементов общий показатель надежности должен быть не менее T=10000 часов и гарантированно обеспечивать работоспособность системы не менее 2 лет при выполнении правил эксплуатации
• В состав разрабатываемого блока многоканального микропроцессорного устройства измерения пульса должны входить следующие элементы:
• 1 микроконтроллер;
• 2 устройство сопряжения МК с датчиками и исполнительным оборудованием (плата сопряжения);
• Для разработки блока многоканального микропроцессорного устройства измерения необходимо решение следующих задач:
• - обзор литературных и других источников с целью поиска аналогов и другой полезной информации;
• - составление структурной схемы;
• - выбор материала платы;
• - проектирование блока.
• Двухсторонняя печатная плата изготавливается из стеклотекстолита комбинированным позитивным методом.
• 2. Разработка структурной схемы
• Рисунок 1 - Cтруктурная схема
• Структурная схема состоящего из следующих функциональных частей:
• - МК - микроконтроллер;
• - Устройство вода данных;
• - УС1,УС2,УС3 - Устройство сопряжения;
• - Клавиатура;
• - Устройство вывода данных;
• Принцип действия:
• Данные поступают через устройство ввода данных и устройство сопряжения в память микроконтроллера. Микроконтроллер поступившие данные пересылает на устройство вывода информации для дальнейшего их отображения. Режим вывода данных определяется программой микроконтроллера.
• Таблица 1 - Перечень элементов

Обозначение	Наименование	Кол	Примечание
	Микросхемы
DD1	Микросхема Intel8051	1	ЦПУ
DD2	IN74AC14D	6	Триггер шмидта
DD3	BA56-11EWA	5	Дисплей
DD4,-DD6	K514ИД2		Дешифраторы
		1
	Полупроводники
VT1	HLC1395-002	1	Оптический датчик пульса
	Ключи
S1,S2	Кнопки	1
	Конденсаторы
С1,С2,C3	К54 5В 10мкФ	3
	Резисторы
R1-R43	Резистор ОМЛТ 1.0кОм ±5%	43

• 3. Разработка принципиальной схемы

Печатная плата служит для механического закрепления ЭРЭ и разъёмов устройства и для электрических соединений между ними.

Разработка печатной платы выполнена с помощью программы P-CAD PCB из комплекта P-CAD. При разработке печатной платы использовались данные для зарубежных ЭРЭ, поэтому шаг координатной сетки равен 2,54 мм. Плата двусторонняя, на обеих сторонах находятся как сигнальные цепи, так и цепи питания.

На рисунке 3 приведена монтажная схема печатной платы блока контроллера, на рисунке 4 - вид на печатную плату со стороны монтажа, на рисунке 5 - вид на печатную плату с обратной стороны. На рисунке 6 показан вид защитной маски (со стороны монтажа печатной платы).

Рисунок 3 - Монтажная схема

Рисунок 4 - Вид на плату со стороны монтажа (верхний слой)

Рисунок 5 - Вид на плату с обратной стороны (нижний слой)

Рисунок 6 - Защитная маска для верхнего слоя печатной платы

• 4. Проектирование печатной платы
• Позитивный комбинированный способ является основным при изготовлении двусторонних печатных плат. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства.
• Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах диэлектрическое основание защищено фольгой.
• Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом состоит из следующих этапов:
• 1) Заготовка из фольгированного диэлектрика;
• 2) нанесение фоторезиста и экспонирование через фотошаблон;
• 3) проявление защитного рельефа;
• 4) нанесение защитного слоя и сверление отверстий;
• 5) химическое меднение;
• 6) удаление защитного слоя;
• 7) гальваническое осаждение меди;
• 8) гальваническое нанесение защитного покрытия;
• 9) удаление фоторезиста;
• 10) стравливание фольги.
• Рисунок 7 - Заготовка
• Заготовка из фольгированного стеклотекстолита или гетинакса покрывается слоем фоторезиста (рисунок 7).
• Фоторезист - это высокомолекулярное соединение, которое изменяет свои свойства под действием ультрафиолетового излучения.
• С одной стороны, смещение спектральной чувствительности в коротковолновую область спектра - это хорошо, так как позволяет обходиться без темного помещения и работать при свете обычных ламп накаливания. С другой стороны, чувствительность к ультрафиолетовым лучам вызывает необходимость использования ртутных ламп в кварцевом баллоне, которые менее удобны в эксплуатации, чем обычные.
• Под действием излучения происходит фотополимеризация слоя, в результате которой пропадает растворимость в обычных растворителях, поэтому после проявления на освещенных участках поверхности образуется защитный рельеф, а на затемненных - слой фоторезиста остается без изменения и в дальнейшем вымывается.
• Рисунок 8 - Фотошаблоны
• Экспонирование фоторезистов, нанесенных на поверхность фольгированного диэлектрика, производится через фотошаблон (рисунок 8,а), в котором система прозрачных и непрозрачных участков образует требуемый рисунок проводников и контактных площадок. При последующем проявлении удаляется часть фоторезиста и образуется защитный рельеф, с рисунком и размерами, определяемыми фотошаблоном (рисунок 8,б). При этом методе защитный слой фоторезиста сохраняется на пробельных участках, а проводники и контактные площадки остаются открытыми. Поскольку фотошаблон при подобном процессе соответствует позитивному изображению печатной платы (темные проводники на светлом фоне), то и сам метод называют позитивным.
• Рисунок 9 - Обработка платы и сверления отверстий
• После проявления рисунка схемы плату покрывают слоем лака для защиты от механических повреждений и направляют на сверление отверстий (рисунок 9).
• Эта операция нарушает непрерывность процесса, так как сушка и задубливание лака занимают несколько часов. Затем сверлят переходные и монтажные отверстия и производят их химическое меднение (рисунок 9,б). Далее следует удаление защитного слоя (рис.9,в) и гальваническое осаждение меди на проводники, контактные площадки и в отверстия (рисунок 9).
• При электролитическом наращивании соединение с катодом осуществляется сплошным слоем медной фольги, покрывающим диэлектрик. Этот слой защищает также поверхность диэлектрика от воздействия электролита.
• Рисунок 10 - Нанесения защитного слоя, стравливания фольги
• На следующем этапе поверх медного слоя гальваническим способом наносят защитное покрытие из сплава олово-свинец(рисунок 10), после чего с пробельных мест удаляют защитный слой фоторезиста и стравливают фольгу (рисунок 10).
• Рисунок 11 - Химическая обработка
• Изготовление печатной платы завершается химической обработкой защитного покрытия (осветлением) для улучшения его способности к пайке (рисунок 11)
• Позитивный метод позволяет изготовлять печатной платы с повышенной плотностью монтажа, например, с расстоянием между проводниками в узких местах 0,35 - 0,5мм, с хорошими электрическими параметрами и высокой прочностью сцепления проводников с основанием.
• 5. Описание технологии изготовления печатной плат

Расчёт потребляемой мощности

Каждый электрорадиоэлемент блока системы потребляет электрическую энергию от источника питания. Суммарная мощность, потребляемая всеми ЭРЭ блока памяти, определяет ток, идущий по цепи питания от источника питания к блоку памяти.

Полная потребляемая мощность разрабатываемого контроллера определяется суммированием потребляемых отдельными микросхемами мощностей.

Потребляемая мощность резистором находиться по формуле [4];

, (1)

где Pr - мощность резистора , Вт.;

U - напряжение, падающее на резисторе, В.;

R - сопротивление резистора, Ом.;

n - количество резисторов, Шт.;

Вт.

Общая мощность (P_общ) рассчитывается путем сложения всех ЭРЭ платы.

P_общ=0,45+0,5*8(4)+0,45+0,2+0,002*6(0,012)+0,002*8(0,016)+0,45*4(1,8)+0,005*43(0,215)+0,45=7,593 Вт

Расчёт температурного режима

Большая часть энергии, получаемой от ЭРЭ от источника питания, рассеивается ими в виде тепла. Расчёт температурного режима необходим для того, чтобы проверить, не выходит ли температура элементов устройства из допустимого диапазона, и для проектирования системы охлаждения при её необходимости.

Для расчёта температуры обычно используют следующие формулы:

QJA =(TJ-TA)/P, (2)

QJC =(TJ-TC)/P, (3)

QCA =(TC-TA)/P, (4)

QJA = QJC + QCA, (5)

TJ=TA + P*(QJA), (6)

TC=TA + P*(QCA), (7)

где QJA - тепловое сопротивление кристалл-среда (?С/Вт);

QJC - тепловое сопротивление кристалл-корпус (?С/Вт);

QCA - тепловое сопротивление корпус-среда (?С/Вт);

TJ - температура кристалла (?С);

TC - температура корпуса (?С);

TA - температура среды (?С);

P - мощность (Вт).

Результаты расчёта температуры корпусов ЭРЭ при отсутствии принудительного охлаждения приведены в таблице 2

Таблица 2 - Температурный режим ЭРЭ

Обозначение	Наименование	Р, Вт	QJA, °C/Вт	Температура кристалла, °C
				25°C	45°C
DD1	Микросхема Atmel AT90S2313	0,45	65	54,25	74,25
HL1-HL8	TA07-11	0,5	45	27,5	47,5
DA1	K155TM5	0,45	25	30	30
DD3	ULN2003	0,2	25	30	50
DD2,DD4, DD5,DD6, DD7,DD8	74HC259	0,002	60	25,2	45,2
HL1,HL2,HL3,HL4,HL5, HL6,HL7,HL8	TA07-11	0,002	60	25,2	45,2
VT1	BC847C
С1, C2,C3,C4	К54	0,45	12	30,4	50,4
R1-R43	ОМЛТ	0,005	40	25,2	45,2

Расчёт температурного режима показывает, что нагрев ЭРЭ не выходит за пределы, установленные в технической документации (-45/+85). При нормальной температуре (+20°C -+30°C) проектируемое устройство может работать без дополнительных систем охлаждения (радиаторов, вентиляторов). При работе устройства в корпусе и высокой температуре окружающего воздуха возможна ситуация, когда пассивного охлаждения станет недостаточно, температура воздуха внутри корпуса начнёт повышаться, вызывая увеличение нагрева ЭРЭ, что приведёт к дальнейшему нагреву воздуха в корпусе. При развитии этой ситуации возможен перегрев радиоэлементов, поэтому в устройстве целесообразно создать усильный пассивный теплообмен.

• 6. Расчет потребляемой мощности и температурного режима блока

Корпус должен отвечать следующим требованиям:

а) наличие вентиляции со 100% проветриванием устройства во избежание накопления пыли;

б) незатруднённый доступ к разъёмам и элементам управления;

в) возможность разборки и сборки корпуса для доступа к ПП для ремонта.

Проектирование корпуса произведено при помощи конструкторского пакета Solid Works Office Professional 2006.

Корпус выполнен из ABS-пластика методом литья. Чертежи деталей корпуса и сборочный чертёж приведены в приложениях Б, В, Г соответственно.

Заключение

В ходе выполненной работы был разработан блок многоканального микропроцессорного устройства контроля бегущей строкой и достигнуты цели:

- спроектирована печатная плата микропроцессорной системы и описана технология ее производства;

- разработан корпус блока микропроцессорной системы и составлен соответствующий чертёж;

- рассчитана потребляемая мощности и тепловой режим работы блока;

- разработан блок отвечающий требованиям проектам технического задания.

Микропроцессорная система проста в использовании и относительно недорога по себестоимости, не требует дополнительных затрат. Разработанное устройство имеет минимальное количество элементов и относительно большую информативность с возможностью перепрограммирования.

Так же в процессе выполнения курсового проекта были получены практические навыки по составлению схемы электрической принципиальной схемы с помощью пакета программ P-CAD 200x. Я проектировал корпусные элементы в пакете Solid Works, и также получил навыки работы с различными графическими редакторами при создании структурной схемы.

Приложение А. Техническое задание на разработку проекта

(Обязательное)

ГОУ СПО «Уральский государственный колледж им. И.И.Ползунова»

Кафедра автоматизации и информационных технологий

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель

курсового проекта

Е.П. Соколова

'___'_______2011г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

НА РАЗРАБОТКУ проекта

«МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕГУЩЕЙ СТРОКОЙ»

Разработал

студент гр. ВМК-423

Абдуллин И.М.

Екатеринбург 2011

ВВЕДЕНИЕ

Бегущая строка используется в основном в рекламных целях или для привлечения внимания рекламными агенствами, сетями магазинов, банками, спортивными сооружениями и многими другими, кто хоть как-то взаимодействует с массами людей.

1. ОСНОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ

Основанием для разработки является задание по курсовому проекту по теме «Разработка блока многоканального микропроцессорного устройства контроля системы управления бегущей строкой» утвержденное на заседания кафедры АИТ от №2 от «9.09.2011».

2. НАЗНАЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ

Разрабатываемая система предназначена для управления выводом информации на табло «бегущей строки»

3. ТРЕБОВАНИЯ К РАЗРАБОТКЕ

3.1 Требования к функциональным характеристикам

Разрабатываемая система должна работать в 2 режимах:

1) начальной инициализации системы;

2) основной режим работы

Система управления «бегущей строкой» должна выполнять следующие функции:

- выводить информацию на табло;

3.1.1 Режим начальной инициализации системы

В процессе начальной инициализации системы производится подготовка системы к основному режиму работы, а именно;

- инициализация всех исполнительных устройств.

После окончания режима инициализации, устройство переходит в основной режим работы.

3.1.2 Основной режим работы

При основном режиме работы производится вывод информации на цифровое табло.

Стандартное управление бегущей строкой происходит по средствам IBM совместимой клавиатуры, которая подключается к бегущей строке или через последовательный порт (COM порт) к компьютеру.

3.2 Требования к надежности

С учетом наличия в системе других менее надежных элементов общий показатель надежности должен быть не менее T=10000 часов и гарантированно обеспечивать работоспособность системы не менее 2 лет при выполнении правил эксплуатации.

3.3 Требования к условиям эксплуатации

1) Температура окружающего воздуха от -40°С до +55°С.

3.4 Требование к характеристикам и составу технических средств

В состав разрабатываемого устройства электронных весов должны входить следующие элементы:

- МК;

- Цифровое табло;

3.5 Требования к программной и информационной совместимости

Проектирования печатной платы производиться САПР P-CAD. Проектирования корпуса блока САПР AutoCAD, SolidWorks.

4. ЭТАПЫ РАБОТЫ

Процесс разработки системы управления для контроля промежуточных результатов разбивается на этапы. Пример разбиения приведен в таблиц A1.

Таблица A1 - Этапы выполнения курсового проекта

Содержание этапа или стадии	Баллы	Срок выполнения	Форма отчётности
		Начало	Окончание
Разработка Технического задания	200	12.09.	26.09.	Утвержден-ное ТЗ
Разработка структурной схемы Разработка функциональной схемы	100	26.09.	4.10.	Глава в отчет
Разработка принципиальной схемы	100	04.10.	18.10.	Глава в отчет
Разработка печатной платы	200	18.10.	01.11.	Глава в отчет
Описание технологии изготовления печатной платы	150	01.11.	08.11.	Глава в отчет
Расчет потребляемой мощности и температурного режима блока	100	08.11.	22.11.	Глава в отчет
Проектирование корпуса блока	200	22.11.	05.12.	Глава в отчет
Оформление пояснительной записки и нормоконтроль	100	05.12.	12.12	Пояснитель-ная записка КП
Сдача курсового проекта		13.12-30.12

Приложение Б. Чертеж основания блока устройства

(Обязательное)

Основание блока

Рисунок Б1 - Основание блока

Приложении В. Чертеж крышки блока устройства

(Обязательное)

Верхняя крышка блока

Рисунок В1 - Верхняя крышка блока

Приложение Г. Сборочный чертеж блока устройствв

(Обязательное)

Блок в сборе

Рисунок Г1 - Блок в сборе

печатная плата блок чертёж

Список использованных источников

1 Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине 'Конструирование, производство и эксплуатация средств вычислительной техники' для студентов специальности 230101 всех форм обучения./ В.В. Кийко/ - Екатеринбург: УГК им.И.И. Ползунова, 2005. -- 28 с.

2 Стандарт предприятия (колледжа). Требования по выполнению и оформлению дипломных и курсовых проектов (работ). СТП-УГК-5. ФГОУ СПО УГК им. И.И. Ползунова, 2005. -- 42 с.

3 Электронные ресурсы кафедры АиИТ УГК им. И.И. Ползунова, 2007. -- 105 с.

4 М. Гук. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. - СПб.: ПИТЕР, 2003. -- 56 с.

5 Ю.В. Новиков, О.А. Калашников, С.Э. Гуляев. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Ю.В. Новикова. практ. Пособие - М.: ЭКОМ., 1998. -- 144 с.

6 Р. Джордейн. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, АТ и ХТ/ Перевод с английского Н.В. Гайского. - М., “Финансы и статистика”, 1992. -- 130 с.

7 Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами/ Пей Ан; Пер. с англ. Мерещука П.В. - 2-у изд., стер. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2004. -- 225 с.

8 Применение цифровых сигнальных процессоров в платах АЦП - плюсы и минусы. - Chup News №4 (47), 2000. -- 94 с.