Дипломная работа: Охоронна сигналізація з GSM-каналом

Залежно від значимості того чи іншого параметра, кожному з них присвоюється ваговий коефіцієнт bj. Суми всіх вагових коефіцієнтів повинні дорівнювати одиниці.

Виходячи з таблиці, складемо Y-матрицю, в яку будуть входити ці ж параметри, але з урахуванням позитивного або негативного боку їхніх величин.

Розглянемо параметри і з‘ясуємо, до чого веде збільшення їх значень. Якщо збільшення параметра веде до погіршення роботи схеми, то його слід перерахувати в подальших обчисленнях (біля таких поставимо «–»). Якщо збільшення значення параметра несуттєве для роботи схеми, то його в подальших обчисленнях не перераховуємо (біля таких поставимо «+»). Отримаємо:

Таблиця 3.2 Вплив параметрів на роботу схеми

Y-матриця має такий вид:

На основі цієї матриці, запишемо матрицю нормованих параметрів, у якій кожний елемент обчислюється по формулі:

і отримаємо матрицю А:

Далі за формулою складемо оцінну функцію для кожного мікроконтролера:

де bj – ваговий коефіцієнт відповідного параметра. Той мікроконтролер, оцінна функція якого виявиться найменшою, найкраще відповідає нашому пристрою.

Виходячи з розрахунків, вибираємо мікроконтролери AT89С51 і ATTINY2313 тому, що їхні оцінні функції виявилися найнижчими. Тому їх найдоцільніше використовувати в нашому пристрої.

Рис. 3.1. Цоколівка мікроконтролера АТ89С2051 [3]

Рис. 3.2 Цоколівка мікроконтролера АТTINY 2313 [4]

3.2 Вибір елементної бази

Принципова схема розробленого пристрою представлена на кресленні. Головними елементами є мікроконтролери АТ89С 2051–24PI (DD1) і АТTINY 2313 (DD2).

Максимальна робоча напруга МК АТ89С 2051–24PI становить 6,6 В, а пристрій отримує живлення від мережі з напругою живлення 12 В.

Для підтримки стабільної напруги живлення МК у пристрій введений інтегральний стабілізатор напруги 78L05 (DA1) [5].

Сучасні мікросхеми стабілізаторів напруги випускаються на широкий діапазон вихідних напруг і струмів, вони мають вбудований захист від перевантаження по струму й від перегріву - при нагріванні кристалу мікросхеми вище припустимої температури вона закривається й обмежує вихідний струм.

Типова схема включення стабілізаторів напруги наведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 – Схема ввімкнення стабілізаторів напруги

Вхід стабілізатора - «IN»; вихід - «OUT»; спільний - «GND» (Ground).

До входу (Input), а також до виходу (Output) стабілізатора (безпосередньо біля відповідного виводу або поблизу його), щоб уникнути самозбудження, слід ввімкнути конденсатори ємністю 100мкФ і 30пФ.

Якщо ємність конденсатора на виході стабілізатора надто велика, а струм навантаження малий, то між входом і виходом слід ввімкнути діод. Це гарантує, що напруга на виході буде дуже швидко зменшуватися до величини вхідної напруги.

Для надійної роботи стабілізатора напруга на вході вибирається не менш ніж на 3 В більшою, ніж вихідна напруга.

Таблиця 3.3 Характеристики стабілізатора напруги

У розроблюваній схемі використовується штирьовий і смд монтаж елементів на плату. Відповідно до розробки вибираємо елементи з урахуванням вимог монтажу.

Використовуємо резистори R 1-R19 типу R 0805–0,125 Вт, конденсатори з малим струмом витоку C1, С3 - ECR і керамічні конденсатори C0603 - С2, С 4…С12 (служать для зменшення завад у схемі) [6].

До виходів XTAL1 і XTAL2 МК АТTINY2313 підімкнений кварц частотою 1,8432 МГц; дана частота забезпечує безперебійну роботу послідовного порту МК (UART). До роз’єму PLS-6 підмикається послідовний програматор для програмування мікроконтролера. До роз’єму PLS-8 підмикається мобільний телефон. Лінії RXD і TXD телефону підмикаються до відповідних виводів TXD і RXD послідовного порту МК, а виводи CTS, RTS, DTR мобільного телефону до таких же виводів МК.

До виводів PB 0-PB7 МК АТTINY2313 підмикаються датчики. Для запобігання впливу ВЧ завад на шлейфи датчиків установлюються конденсатори C11, C12. Датчики спрацьовують на розрив, при від'єднанні від загального, тим самим можна запобігти можливості перерізати шлейфи датчиків. Діоди VD8, VD9 захищають МК від потрапляння підвищеної напруги зі шлейфів датчиків.

У схемі використовується перемикач SWD 1–4; у таблиці 3.4 наведені його характеристики [7]:

Таблиця 3.4 – Характеристики перемикача SWD 1–4

Враховуючи розміри плати, вибираємо малогабаритну кнопку PS580N/L. Для індикації наявності живлення й режимів роботи охоронного пристрою в схемі використовуються світлодіоди підвищеної яскравості (діаметр 3 мм) GNL-3014 (таблиця 3.5):

Таблиця 3.5. Абсолютні максимальні параметри (при t=25 °C) [8]

Інші елементи обрані виходячи з доцільності їхнього застосування в даній розробці.

3.3 Вибір роз'їму

Клемник - один зі способів з'єднання проводів. Їх використовують, коли необхідно з'єднати скільки завгодно багато провідників. Клемник виконаний у вигляді мідної планки з отворами і гвинтовими затискувачами. Такий метод з'єднання зручний при прокладці жорстких провідників, але для кріплення м'яких провідників, їх наконечники необхідно опресовувати. Всі кріплення виконуються пайкою в спеціальній коробці. Залежно від типу проводки може використовуватися від двох до трьох штук [9].

Вибираємо клемник на 12 виходів - STB 1–12, до якого підмикаються зовнішні прилади: звуковий оповісник, кнопка керування, зовнішній маяк, шлейфи.

Виходячи з габаритів розроблювального пристрою і способу його кріплення (шляхом підвісу), вибираємо роз'єми:

– PLS-6 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x6, пряма;

– RLS-8 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x8, пряма;

– PLS-2 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x2, пряма.

4. Кваліфікаційна частина

4.1 Конструювання друкованої плати

4.1.1 Вибір типу друкованої плати

Для вибору типу друкованої плати (ДП), яка буде надалі використовуватися для проектування й побудови приладу, спочатку розглянемо типи використовуваних ДП [10].

За конструктивним виконанням розрізняють:

– однобічні ДП (ОДП);

– двобічні ДП (ДДП);

– багатошарові ДП (БДП);

– провідникові або комбіновані ДП (ПДП);

– гнучкі ДП (ГДП).

ОДП прості в конструюванні й економічні у виготовленні. Основними перевагами ОДП є:

– можливість забезпечувати підвищені вимоги до точності виконання провідникового рисунку;

– встановлення навісних елементів на поверхні плати з боку, протилежного паянню, без додаткової ізоляції;

– можливість використання перемичок із провідникового матеріалу. Монтажні й трасувальні можливості ДП без металізованих отворів, а також надійність і механічне кріплення низькі, тому для підвищення міцності кріплення елементів такі плати виготовляються з металізацією отворів. Звичайно ОДП застосовуються для монтажу в побутовий ЕОА, у силовій електроніці, у НЧ пристроях [10].

ДДП характеризуються:

– вищою щільністю монтажу порівняно з ОДП;

– хорошою міцністю;

– підвищеною міцністю з'єднання виводів навісних елементів з провідниковим рисунком плати;

ДДП хоча і мають складнішу технологію виготовлення і дорожчі ніж ОДП, та все ж ці показники набагато нижчі, ніж в інших типах ДП [10].

БДП складаються із шарів, що чергуються, ізоляційного матеріалу й провідних рисунків, з'єднаних клейовими прокладками в багатошарову структуру шляхом пресування. Переваги БДП:

– підвищена щільність монтажу;

– високі комутаційні властивості;

– стійкість до механічних і хімічних впливів.

Водночас вони складніші технологічно і конструктивно, а отже і більш високовартісні. Порівняно з ОДП і ДДП у них менша кількість зовнішніх виводів і менші розміри [10].

ПДП (комбіновані) являють собою діелектричну основу, на якій виконують друкований монтаж або його окремі елементи (контактні площинки, шини живлення, шини землі й інші). Необхідні електричні з'єднання здійснюють ізольованими провідниками (діаметром 0,1–0,2 мм). Тришарова провідникова плата еквівалентна за щільністю монтажу 8-шаровій БДП. Такий монтаж дозволяє отримати мінімальну довжину зв'язків, тобто мінімальні паразитні параметри. ПДП дозволяють вносити зміни в схему при незначній зміні монтажу [10].

ГДП мають такі переваги:

– товщина 0,1–0,28 мм, що дозволяє зменшити масу ДП.

– висока ударостійкість.

ГДП складніші технологічно, мають вищу вартість, але вони незамінні при забезпеченні електричного зв‘язку між рухомими об'єктами.

Впровадження ДП в техніку електричного монтажу було першим кроком на шляху прогресивних інтегральних процесів і стало поштовхом для створення автоматизованого економічно ефективного масового виробництва. З економічних міркувань краще було б вибрати ОДП, але з огляду на складність виконання розводки схеми без перетинань і додаткових провідників, доцільно взяти ДДП, що дозволить простіше виконати трасування провідників плати [10].

Максимальний розмір ДП, як багатошарової так і одношарової, не повинен перевищувати 470 мм. Це обмеження визначається вимогами механічної міцності й щільності монтажу. Співвідношення сторін ДП, для спрощення компонування блоків і уніфікації розмірів, рекомендується вибирати 1:1; 2:1 (але не більше 4:1). З метою максимального використання фізичного об‘єму конструкції доцільно розробити ДП прямокутної форми, не перевищуючи встановлених розмірів для наступних типів:

Розміри ДП вибираються, виходячи з двох типів вимог: функціональних і технологічних. Функціональні вимоги визначаються щільністю монтажу, кількістю ІС, формою корпусу. Технологічні вимоги визначаються обмеженнями типових розмірів з огляду на можливість технологічної реалізації, яка визначається роздільною здатністю фотолітографії і механічною міцністю матеріалу ДП. Виходячи з цього, вибираємо прямокутну ДП з розмірами 60x90 мм, тобто - особливо малогабаритну.

Вибираємо ДДП, оскільки застосування її дозволить значно полегшити трасування, зменшити габарити плати, зменшити витрату матеріалу (порівняно з ОДП) та забезпечити надійність з'єднань (порівняно з ПДП).

Як основу плати вибираємо фольгований склотекстоліт, використовуючи мідну фольгу, що нанесена на нього із двох сторін, як екран - екран з одного боку, екран з іншого боку добре захищає схему від електричних і магнітних завад, які могли б погіршити роботу схеми (наприклад, помилкові спрацьовування).

4.1.2 Вибір матеріалу друкованої плати

Як основу для виготовлення ДП, використовують шаруваті діелектрики, фольговані електролітичною міддю.

Вимоги до параметрів матеріалу основи ДП:

– висока термостійкість і мала вологопроникність;

– поверхневий опір при 40 °С має бути не меншим  МОм;

– чистота міді 99,5%;

– шорсткість не гірше 0,4 мкм.

Таким параметрам відповідають гетинакс і склотекстоліт.

Гетинакс - шаруватий пластик на основі паперу й синтетичних смол. Сполучною речовиною найчастіше є феноло-формальдегідні смоли, рідше - меламіно-формальдегідні, епоксидно-феноло-аніліно-формальдегідні. Вміст смоли в гетинаксі складає 40–55%. Іноді гетинакс фольгують червоно-мідною електролітичною фольгою, облицьовують бавовняними, скляними або азбестовими тканинами, армують металевою сіткою. Залежно від призначення гетинакс випускають кількох марок.

Гетинакс має високу механічну міцність та хороші електроізоляційні властивості. Наведемо деякі його характеристики: щільність 1,25 г./см3; теплостійкість по Мартенсу 150…160 °С; міцність при розтягуванні 70…100 МН/м2 (700…1000 кг/см2), міцність при статичним вигині (по основі) 80…140 Мн/м2 (800…1400 кг/см2); питома ударна в'язкість 1,3…1,5 кг/м2 (13…15 кг/см2); водопоглинання за 24 години 0,3–0,6 г/дм2; питомий поверхневий електричний опір 1010…1012 Ом; тангенс кута діелектричних втрат при 103 кГц 0,07–0,10 [11].

Склотекстоліт – шаруватий пластик, що складається з шарів склотканини (наповнювач), просякнутих синтетичною смолою (зв’язувальна речовина). Склотканини, що використовуються для виготовлення склотекстоліту, можуть бути одношаровими й багатошаровими, різними за видом плетива (наприклад, кордне, полотняне, сатинове) і складом волокон. При продукуванні склотекстоліту зазвичай використовують кілька шарів склотканин (головно одношарової).

Склотекстоліт застосовують як конструкційний матеріал для виготовлення листів і великогабаритних виробів складної конфігурації, а також як електроізоляційний матеріал в електро- і радіотехніці.

Недоліком цього матеріалу є його низька теплопровідність порівняно з металами, але він дешевий і виробництво ДП на його основі є економічно вигідним, тому зупиняємо вибір на ньому.

Вибираємо фольгований склотекстоліт марки СФ – 2–35–1,5 (С - склотекстоліт; Ф - фольгований; 2 - двобічний (для виготовлення двобічної ДП; 35 – товщина фольги в мікрометрах).

4.1.3 Вибір класу точності друкованої плати

За точністю виконання елементів конструкції ДП діляться на п'ять класів точності. Клас точності вказують на кресленні ДП. Номінальне значення основних параметрів елементів конструкції ДПдля зазначеного місця наведені в таблиці 4.1:

ДП 1-го й 2-го класів точності найпростіші у використанні, надійні в експлуатації і мають мінімальну вартість.

ДП 3-го, 4-го й 5-го класів точності вимагають використання високоякісних матеріалів, інструментів і обладнання, обмеження габаритних розмірів, а в окремих випадках і особливих умов виготовлення.

Виходячи зі сказаного і переглянувши таблицю, приходимо до висновку, що найкраще використовувати 3-й клас точності; він не так складний у виконанні як 4-й і 5-й і має значно кращі параметри, ніж 1-й і 2-й.

Таблиця 4.1 Параметри елементів конструкції ДП

4.1.4 Вибір методу виготовлення друкованої плати

ДП має дві складові: це основа - ізоляційний матеріал (несуча частина) і власне друкований монтаж. Друкованим монтажем називають систему плоских провідників, нанесених на ізоляційну основу, які забезпечують необхідні електричні з'єднання всіх елементів схеми. Як основний матеріал для друкованих провідників використається мідь з вмістом домішок не більше 0,05%. Цей матеріал має високу електричну провідність, стійкий щодо корозії, хоча й вимагає захисного покриття. Механічні властивості друкованих провідників досить високі. Провідники ДП виготовляють із матеріалу, що має гарну адгезію до матеріалу основи ДП.

Виготовлення ДП складається з таких етапів:

- механічна обробка ДП (різання заготівки, штампування, фрезерування, свердлення);

- нанесення друкованих провідників (друковані провідники можна отримувати хімічним (субтрактивним), електрохімічним (аддитивним) і комбінованим методами);

- монтаж елементів (пайка);

- заключні операції (захисне покриття, лакування і т. п.).

Субтрактивний процес - отримання провідникових рисунків шляхом селективного травлення ділянок фольги.

Аддитивний процес - отримання провідникових рисунків шляхом селективного осаджування провідникового матеріалу на нефольгований матеріал основи.

Для ДДП на фольгованій основі найбільш технологічним є комбінований позитивний метод.

Цей метод полягає в отриманні провідників шляхом травлення фольгованого діелектрика і металізації отворів електрохімічним способом.

При позитивному процесі діелектрик перебуває в більш сприятливих умовах, тому що фольга оберігає його від дії електроліту. Одначе, в цьому випадку відбувається пассивація поверхні металу всередині отворів при травленні, що утрудняє пайку, оскільки метал не змочується припоєм. Комбінований спосіб доцільніше застосовувати при використанні як основи фольгованого склотекстоліту для отримання ДДП.

До переваг комбінованого методу можна віднести:

- поєднує в собі переваги хімічного (субтрактивного) і електрохімічного (аддитивного) методів;

- істотно підвищує надійність паяних з'єднань завдяки тому, що припой при відповідному виборі діаметра заповнює весь отвір; при цьому досягається електрична й механічна стабільність при малих діаметрах контактних площадок;

- міцність на розрив припаяних виводів перевищує міцність самих виводів [12].

4.2 Конструкторсько-технологічний розрахунок

1. Визначення мінімальної ширини друкованого провідника по постійному струму для ланцюгів живлення й «землі» [13].

де  – максимально припустимий (сумарний) струм, що протікає, по шині живлення і шині «земля»;  - припустима щільність струму для друкованих плат, виготовлених комбінованим методом.

 - товщина провідника буде дорівнювати:

де

 - товщина шару гальванічно осадженої міді:

 – товщина шару хімічно осадженої міді:

Струм споживання в режимі «Охорона» (при живленні від внутрішньої батареї 9В) не більше 200 мкА. Струм споживання в режимі «Тривога» - 30 мА.

Розрахунок проводиться для режиму «Тривога», коли схема споживає максимально припустимий струм.

∑Iспож=30 мА

2. Визначення мінімальної ширини провідника з урахуванням припустимого падіння напруги на ньому.

 - довжина найдовшого провідника на ДП

3. Визначення номінального діаметру монтажного отвору.

де  - діаметр виводу елемента;  - нижнє граничне відхилення від номінального значення діаметру монтажного отвору;  - різниця між мінімальним діаметром монтажного отвору і максимальним діаметром виводу.

4. Визначення діаметра контактної площадки.

Рис. 4.1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7