Требования к патентной чистоте изделия

7.  Требования к патентной чистоте изделия

В данной работе не использовались решения, запатентованные в России или других странах

3.5.3 Состав изделия и требования к конструктивному устройству

7)  Наименование, число и назначение основных частей;

Разрабатываемое в данной работе РЭС состоит из следующих основных частей:

- датчики (до 4 штук) – контролируют охраняемый периметр, в случае несанкционированного проникновения передают на микропроцессор сигнал тревоги.

- мобильный телефон – принимает от МП управляющие сигналы, для передачи на телефон владельца охраняемого участка для контроля и настройки процесса работы МП.

- микроконтроллер – ядро всего устройства, содержащее необходимую информацию в виде программного кода, записанного во встроенное ПЗУ, в котором прописан алгоритм работы системы.

- считыватель ключей – устройство, с помощью которого система сигнализации ставится/снимается в режим охрана.

8)  Конструкторские требования (габариты, установочные, присоединительные размеры и др.);

РЭС должно удовлетворять: габариты устройства в собранном виде ≥ 78x78x28 мм;

Крепление на плоскости площадью ≥ 78x78x28 мм; электромагнитная защита отсутствует

9)  Масса РЭС ≥60 г.

10)  Требования по охране окружающей среды;

Условия эксплуатации соответствуют европейским стандартам охраны окружающей среды и человека. В конце срока службы радиоэлектронного средства необходима утилизация согласно мировым стандартом и ГОСТ.

11)  Требования взаимозаменяемости;

Ремонт устройства и замена вышедших из строя частей производится исключительно техническими специалистами с высшим образованием в области электронной техники.

12)  Требования устойчивости к моющим средствам;

Уход за поверхность корпуса устройства осуществляется влажными моющими средствами без полного погружения во влажную среду и обязательно в выключенном состоянии.

13)  Требования помехозащищенности и предотвращения выделяемых помех;

В схеме предусмотрен принцип изолирования объекта от воздействующего поля посредством вариаций материала корпуса. Таким образом, можно использовать либо принцип отражения, либо поглощения, либо комплексации воздействующего поля. Конечно, возможно повысить помехоустойчивость самого защищаемого РЭС конструкторским методом, а именно применение экранов (электромагнитное экранирование).

14)  Требования к ЗИП по виду (одиночный или групповой) и составу.

К устройству прилагаются инструкции по установке, эксплуатации и настройке. Монтаж и демонтаж устройства в домашних условиях с использованием подручных инструментов производится в соответствии с указанными руководствами. Также вместе с устройством поставляется крепежное оборудование: провода, кабели, крепления, схема крепежа, крепеж, болты и гайки.

Показатели назначения

Устройство предназначено для приема, передачи, обработки и индикации информации. Основная цель разработки – создание универсального микропроцессорного устройства для охраны помещения и извещения о состоянии системы посредством GSM-технологий на базе мобильных телефонов Siemens с использованием последней версии микроконтроллера фирмы ATMEL.

Качество функционирования (мощность, чувствительность, разрешающая способность) зависит от типа применяемых датчиков и используемых мобильных аппаратов.

Требования технологичности

Допускается мелкосерийное и крупносерийное производство с группой по стоимости разработки и производства – 2 (промежуточная).

По условиям эксплуатации устройство относится к 1 группе: стационарная РЭА, работающая в отапливаемых помещениях;

Работоспособность прибора характеризуется: температурой от -40 до +40 ˚С, влажностью 45 – 80% при t=25 ˚С, давлением 630 –800 мм.рт.ст. и механическими воздействиями: вибрация частотой f=10…30 Гц, ускорением A=2g.

Требования к уровню унификации и стандартизации

Создаваемое РЭА разрабатывается согласно существующих нормативов, правил, стандартов и норм. Устройство не содержит нестандартных частей и элементов, что дает возможность создания аналогов без каких-либо дополнительных разработок и проектов. В собранном и настроенном виде прибор готов к использованию по прямому назначению

Требования безопасности, эстетические и эргономические, требования к патентной частоте

В данной работе не используется решения, запатентованные в России или других странах. Нормы технической безопасности при использовании и эргономично спроектированный корпус основного устройства создают конкурентно способный товарный вид РЭА.

Условия эксплуатации

1)  Условия, в которых конструкция должна быть работоспособной;

Конструкция остается работоспособной при соблюдении следующих параметров:

1)  Работа в отапливаемых наземных и подземных закрытых помещениях с естественной вентиляцией без кондиционирования;

2)  Температура от -40 до +40 ˚С, влажностью 45 – 80% при t=25 ˚С, давлением 630 –800 мм.рт.ст;

2)  Допустимые кратковременные воздействия климатических факторов;

Температура от -45 до +45 ˚С не более 10 минут; влажность 30 – 85% при t=25 ˚С не более 30 минут; давление 450 – 900 мм.рт.ст. не более часа.

3)  Механические воздействия

Вибрация с частотой f=10…30 Гц и ускорение A=2g.

4)  Виды обслуживания (постоянное или периодическое, необслуживаемое исполнение), необходимое количество и квалификация персонала.

Исполнение конструкции – периодически обслуживаемое (по мере появления отказов в работе). Ремонт производится одним специалистом с наличием высшего технического профессионального образования.

Указание к упаковке, транспортированию и хранению

При соблюдении условии эксплуатации период хранения не ограничен. Подвергается транспортировке любыми транспортными средствами при обязательной индивидуальной упаковке в плотный негнущийся материал (одно устройство – одна упаковка).

Требования к унификации и стандартизации

Создается согласно имеющихся европейских и российских стандартов, норм и ГОСТов.

  3.5.4 Разработка печатного узла

Печатная плата – плата, содержащая на своих поверхностях печатные проводники электрического тока с контактными площадками, служащие для соединения навесных элементов согласно электрической схеме функционального узла электро- или радиоаппаратуры, а также металлизированные (переходные) и неметаллизированные (крепёжные) отверстия.

Определение размеров печатной платы

Таблица 2. Геометрические размеры компонентов

Наименование	Кол	L, мм	B, мм	H, мм	m, гр.	Si, mm2
Диод КД522	4	3, 8	3, 8	2, 7	0, 25	14,44
Стабилитрон КС 147А	2	4	3, 8	2, 7	0, 3	15,96
Конденсатор 10-17Б	2	4, 2	3, 8	3, 2	0, 5	16
Конденсатор 10-17Б	2	4, 2	3, 8	3, 2	0, 5	16
Конденсатор К50-20	1	17,8	3,4	3,4	4	192
Конденсатор К52-10-1	1	8,1	8,1	10,1	0,1	21,16
Резистор С2-33H(300ом)	12	6	2, 2	2,2	0,15	13,2
Резистор С2-33H(1ком)	1	6	2, 2	2,2	0,15	13,2
Кварцевый резонатор
HC-49SM	1	10, 3	3, 8	5	0, 6	39,14
Микроконтроллер
Attiny 2313	1	26	8, 26	5, 3	3	214,76
Разъем WF-2	8	12	5, 1	5, 8	0, 9	61,2
Разъем WF-4	1	12	10, 2	5, 8	1, 8	122,4
Разъем WF-6	1	12	15, 3	5, 8	2, 7	183,6
Стабилизатор LM7805	1	4	2	6	0,5	8
Кнопки	3	7,62	3	3,5	0, 6	22,86

Исходя из таблицы 1, можно определит площадь необходимую для установки элементов:

,

Где K_H – коэффициент определяющий установочную площадь элементов, а S_i – площадь элемента, взятая из таблицы. В расчетах корпуса устройства необходимо учесть высоту данного модуля. Итак, т.к. mm², то для K_H = 1,5, S=2089 mm².

Площадь печатной платы рассчитывается исходя из установочной площади с учетом коэффициента использования площади K_S по формуле:

Для K_S =0,5 S_nn= 4178 mm².

Исходя из того, что рекомендуется выбирать размеры печатной платы близкими по величине, найдем сторону печатной платы квадратной формы:

mm

С учетом того, что плата устанавливается в корпус в специальные направляющие, необходимо увеличить размеры платы на 1мм с каждой стороны, т.е. L = 67 mm. Откуда S_nn = 4489 mm².

Примем размеры платы такими: 70x70 mm.

Размещение элементов и трассировка проводников

На схеме электрической принципиальной видно, что из-за небольшого количества элементов можно сделать предварительный вывод о том, что следующая задача трассировки будет решена в виде односторонней трассировки, то элементы на печатной плате расставим примерно в той же последовательности, в какой они размещены на схеме. Для экономии места некоторые элементы имеет смысл развернуть в горизонтальной или вертикальной плоскости либо немного сдвинуть относительно других элементов. За счет уменьшения числа пересечений проводников на плате можно добиться оптимального варианта: однослойной печатной платы. Однако в нашем случае из-за сложности печатной платы этого добиться не удалось и используется двухсторонняя печатная плата.

Разработка конструкторского блока

Блоком называется конструктивный модуль, который служит для электрического, механического и пространственного объединения ячеек (субблок, конструктивный модуль, объединяющий микроэлектронные узлы и обеспечивающий их защиту от различного рода воздействий), а также для их защиты от различного рода внешних воздействий.

Определение размеров блока

Размеры блока будут определятся размерами печатной платы. Высота самого высокого элемента на печатной плате будет влиять на высоту разрабатываемого конструкторского блока.

Исходя из того, что толщина печатной 2 mm, длины выводов элементов 1,5 mm, высота зазора между платой и элементами 2 mm и высота самого высокого элемента на плате 10,1 mm найдем высоту печатной платы с установленными на ней элементами: H = 2 + 1,5 + 2 + 10,1 +2*2 = 19, 6 (mm). Отсюда H_Бл блока с учетом зазора 2 mm между печатным узлом и корпусом и толщиной корпуса 2 mm будет: H_Бл = H + 2*2 + 2*2 = 27,6 ≈ 28 mm.

Найдем также длину и высоту блока: L_Бл= B_Бл= 70 + 2*2 + 2*2=78 mm. Отсюда L_БлxB_БлxH_Бл блока будут 78x78x28

Эскиз печатной платы, блока и лицевой панели.

 

3.5.5 Конструкторские расчеты

Расчет температуры нагретой зоны ведется по методике лабораторных работ, при этом поверхность элемента заменяется ее тепловой моделью, в которой поверхность элемента представляется в виде параллелепипеда. Целью расчета является определение температуры поверхности наименее теплостойких элементов для оценки их надежности.

В эксплуатации разрабатываемое изделие подвергается воздействию температуры окружающей среды или температуры помещения, механическим воздействиям.

Температурные воздействия снижают надежность и являются одним из дестабилизирующих факторов. Характерными дефектами, вызванными тепловыми воздействиями, являются ухудшение изоляционных свойств материалов, изменения параметров перехода полупроводниковых приборов, значений емкостей и сопротивлений ЭРЭ, снижение механических свойств полимерных материалов.

При расчете температуры поверхности элемента его поверхность заменяется ее физической тепловой моделью, в которой поверхность элемента представляется в виде параллелепипеда. Полученные результаты являются ориентировочными и не претендуют на высокую точность. Целью расчета является определение температуры поверхности элемента для оценки его надежности.

Таблица 3. Предельное значение температур для каждого элемента

Элемент	Максимальная температура среды t˚C
Диод КД522	85
Стабилитрон КС 147А	125
Конденсатор 10-17Б	125
Конденсатор 10-17Б	125
Конденсатор К50-20	70
Конденсатор К52-10-1	85
Резистор С2-33H(300ом)	150
Резистор С2-33H(1ком)	150
Кварцевый резонатор	85
HC-49SM
Микроконтроллер	85
Attiny 2313
Разъем WF-2	70
Разъем WF-4	70
Разъем WF-6	70
Стабилизатор LM7805	60
Кнопки	70

Определим эквивалентный коэффициент теплопроводности самого нетермостойкого элемента в корпусе.

Самым нетермостойким является стабилизатор LM7805, он имеет самый низкий верхний предел допустимых рабочих температур (60˚С). Если его температура при максимальной температуре эксплуатации (40˚С), не превышает предельно допустимой для нее температуры, то и для остальных элементов выполняется это условие, и следовательно, доработки конструкции не требуется.

Рассчитаем площадь занимаемую элементом по формуле:

S_Э = L_э*B_э,

Где L_Э = 0,04 m – длина элемента, B_Э = 0,03 м – ширина элемента.

Получили: S_Э = 0,0012 м²

Теперь рассчитаем размер эквивалентного источника

Получаем:

Рассчитаем критерий Био по формуле:

,

Где  Вт/м²К коэффициент теплоотдачи на поверхности платы (в данной методике применяется одинаковым для обеих сторон платы);

м – толщина ПП;

Вт/мК – теплопроводность материала платы

.

Рассчитаем относительный перегрев по формуле:

Тепловая проводимость между элементом и платой определяем по формуле:

 Вт/К

Проводимость между элементом и поверхностью корпуса:

Где Вт/м²К – коэффициент теплопередачи на поверхности корпуса, s = 0,0000012 м² – площадь части поверхности, с которой происходит контакт.

 Вт/К

Рассчитаем собственный перегрев элемента:

,

Где Вт/К – тепловая проводимость между ПП и корпусом (для воздушной прослойки),

Вт – мощность, рассеиваемая элементом.

Проверим условие:

По приближенным оценкам < . В результате расчетов получили, что условие выполняется для самого слабого элемента, следовательно, система не нуждается в защите от тепловых воздействий, так как это условие и для других элементов.

Расчет на механические воздействия

Вся РЭА подвергается воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию.

Причинами механических воздействий являются вибрации и удары при возможном падении с места установки и при работе механизмов имеющих контакт с плоскостью установки РЭС.

Механические воздействия приводят к поломкам и деформациям несущих конструкций, отслаиванию печатных проводников, обрывам проводов, паразитной модуляции сигналов и др. Наибольшее разрушительное воздействие на конструкции оказывают вибрации.

Целью расчета является определение действующих на элементы изделия перегрузок при действии вибрации и ударов, а также максимальных перемещений и определение защищенности от механических воздействий.

При расчете используются данные из таблиц «Геометрические размеры компонентов» и «Перечень компонентов». Рассчитаем цилиндрическую жесткость платы:

Где – модуль упругости материала ПП (стеклотекстолит);

м – толщина печатной платы;

V=0,25 –коэффициент Пуассона.

Подсчитаем суммарную массу печатного узла.

Для этого вычислим массу ПП и массу установлены ПП элементов.

Масса ПП вычисляется исходя из того, что  (плотность ПП) равна 2400 кг/м³, а ее геометрические размеры L_ППхB_ППхH_ПП: 70х70х2 (мм). В этом случае объем ПП будет равен:

 м³.

И соответственно масса ПП будет равна:

 (кг)

Рассчитаем теперь суммарный вес элементов, установленных на ПП.

 (кг).

Откуда,  (кг)

Рассчитаем частоту собственных колебаний платы с учетом того, что плотно крепится с трех сторон:

Где M=0,420 – суммарная масса ПУ.

Расчет на действие ускорения при вибрации

Определим коэффициент расстройки:

,

Где f=30 Гц – верхняя граница частотного диапазона из технического задания;

f₀ – собственная частота ПП.

Определим коэффициент динамичности М1:

Полученное значение верно с точностью до 4-го знака после запятой.

Определим ускорение, воздействующее на плату:

А_ВОЗД=М1 ∙ А_ВХ=2,044 (g),

где А_ВХ – ускорение вибрации из ТЗ, А_ВХ =2g

Самым слабым в отношении вибрационных воздействий является конденсатор K52-10 (4,9g).

Проверим для него условие А_ВОЗД < А_ДОП:

2,044g<4,9g

Очевидно, что условие выполняется для самого слабого элемента. Следовательно, оно выполняется и для остальных элементов, и система не нуждается в дополнительной защите от воздействия вибрации, т.к. воздействующее ускорение на плату в 2 раза меньше допустимого.

Расчет на ударное воздействие проводить не имеет смысла по причине сформулированного технического задания, в котором говорится, что устройство является стационарным и непереносимым. Соответственно, подразумевается жесткое крепление на несущую поверхность (стена, пол, потолок здания), что исключает падения, но не исключает вибрации, расчет на которые приведен выше.

3.5.6 Расчет стоимости системы

Определим общую стоимость радиоэлементов центрального блока по таблице 4:

Таблица 4.

Элемент	Ценна элементов, в руб.
Диод КД522	4
Стабилитрон КС 147А	2
Конденсатор 10-17Б	2,6
Конденсатор 10-17Б	2,6
Конденсатор К50-20	9
Конденсатор К52-10-1	5
Резистор С2-33H(300ом)	3,6
Резистор С2-33H(1ком)	0,3
Кварцевый резонатор	2,7
HC-49SM
Микроконтроллер	41
Attiny 2313
Разъем WF-2	5,6
Разъем WF-4	1,5
Разъем WF-6	2,3
Стабилизатор LM7805	9,9

Сумма всех радиоэлементов на ПП составила 92,10 руб. Полностью собранный центральный блок выйдет не больше, чем на 150 руб. Цена мобильного телефона Siemens M35 900 руб. Два ИК-датчика, используемых в системе будут 400 руб. вместе, накладной магнитно-контактный датчик – 50 руб., температурный датчик – 300 руб. Считыватель ключей и ключ вместе выйдут на сумму 250 рублей. Следовательно, ориентировочная ценна всей системы 2050 руб. Только с телефоном – 1050 руб.

  3.6 Выводы

В данном разделе бакалаврской работы была разработана конструкция устройства, GSM-сигнализации, были проведены расчеты на тепловое, механическое воздействие и экономические расчеты. В результате получили, что разработанная конструкция удовлетворяет требованиям по климатическому и механическому воздействию. А так же, разработанное устройство имеет весьма низкую себестоимость по сравнению с его аналогами.

4. Заключение

В результате данной бакалаврской работы была разработана аппаратная часть автоматизированной сигнализации, извещения которой осуществляются на основе сотовой связи. Приведено подробное описания работы системы, определен её состав (центральный блок, датчики, мобильный телефон, считыватель ключей) и основные параметры. Разработаны алгоритм работы системы, принципиальная схема устройства и выполнены конструкторские чертежи. При конструировании центрального блока проведены все необходимые расчеты. Подсчитаны затраты на создание данной системы (2050 руб.).

Разработанная сигнализация по GSM-каналу может быть усовершенствована более дорогими датчиками, мобильным телефоном, считывателем ключей, которые будут обладать большим количеством выполняемых функций и работающих в более жестких условиях эксплуатации.

Результат проделанной работы соответствует предъявленным требованиям в техническом задании.

На конкурентном рынке систем оповещения низкая цена и простота в эксплуатации разработанной GSM – сигнализации являются успешными условиями продажи и прогрессивного расширения рынка сбыта продукции.

5. Список литературы

1. «Микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL» - М.: ИП РадиоСофт, 2008, 176 стр.

2. www.polyset.ru

3. www.proline-rus.ru

4. www.opstorg.ru

5. www.kontest.ru

6. www.vanians.narod.ru

7. www.rightmark.org

8. www.strazh-gsm.ru

6. Приложение. Чертежи