Проектирование микропроцессорных систем (МПС) и устройств

Содержание

1. Общие сведения об объекте разработки

1.1 Назначение светодиодного устройства на МК ATtiny 15

1.2 Условия эксплуатации светодиодного устройства

2. Анализ возможных вариантов реализации устройства

2.1 Обоснование применения микроконтроллера

2.2 Выбор микроконтроллера

2.3 Техническое описание микроконтроллера ATtiny 15

3. Разработка структурной схемы

4. Разработка алгоритма функционирования устройства

5. Выбор элементов устройства, их технические характеристики

6. Разработка электрической принципиальной схемы

6.1 Разработка интерфейса управления и индикации

6.2 Разработка интерфейса сопряжения с нагрузкой

6.3 Разработка цепей питания

6.4 Расчет блока питания

6.5 Назначение компонентов и работа схемы

6.6 Расчет надежности светодиодного устройства

6.7 Описание печатной платы светодиодного устройства

Заключение

Список используемых источников

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно - технического прогресса.

В обширной номенклатуре изделий электронной техники особое место занимает семейство программируемых микросхем. Их ускоренное развитие в настоящее время символизирует прогресс в микроэлектронике, которая является катализатором научно - технического прогресса в современном мире.

Их использование в радиоэлектронной аппаратуре позволяет резко сократить сроки ее разработки и промышленного освоения; поднять на новый уровень технические характеристики.

Целью курсового проекта является приобретение навыков проектирования микропроцессорных систем (МПС) и устройств.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в числе которых микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

В курсовом проекте рассматривается микропроцессорное устройство – «Светодиодные фонари с электронным управлением» на базе МК ATtiny 15.

При выполнении курсового проекта требуется решить комплекс задач исследовательского и инженерно-практического характера:

ознакомление с заданием и выбор темы курсового проекта;
анализ собранной информации, с целью дальнейшего выбора оптимальных и обоснованных проектных решений;
разработка технического задания;
выбор микроконтроллера;
разработка структурной схемы устройства;
разработка алгоритма работы устройства;
разработка принципиальной схемы устройства;
программное обеспечение.

1. Общие сведения об объекте разработки

Техническое задание (ТЗ) представляет собой вербальный образ, описание еще не существующего предмета, однако содержит, в силу осмысленности и целесообразности интеллектуальной деятельности разработчиков, полные спецификации этого предмета — его составные части и их характеристики, взаимосвязи с другими предметами и субъектами реального мира.

1.1 Назначение светодиодного устройства на МК ATtiny 15

В данном курсовом проекте рассматривается светодиодное устройство на МК ATtiny 15. Светодиодное устройство на МК ATtiny 15 разработан на основании схемы электрической принципиальной КП 230101.4610.01 Э3 (устройство с одним светодиодом) и КП 230101.4610.02 Э3 (устройство с тремя светодиодами) и описания работы устройства.

Источником разработки послужил журнал «Радио» №4 за 2009 год, статья называется «Светодиодные фонари с электронным управлением», автор А. Баширов, страницы 51-52.

1.2 Условия эксплуатации светодиодного устройства

Светодиодные фонари с электронным управлением обычно используется как в помещении так на улице, и, как любое другое устройство подвергается ряду следующих факторов: климатические (температурные и влажность) и механические (вибрации, удары при падении).

Уровень влажности на данное устройство будет оказывать в том случае если, оно будет подвергаться повышению и понижению температуры, а также зависит от типа окружающей среды.

Также необходимо учитывать то, что применять построечные резисторы нежелательно, т.к. они со временем могут окислиться и вывести из строя устройство.

Механическое воздействие это вибрации, которые происходят в результате внутренних колебаний и удары в результате падении устройства.

Защита от этих воздействий необходима, потому что устройство подвергается практически всем приведенным факторам, так как его эксплуатируют и в помещении и на улице.

2. Анализ возможных вариантов реализации устройства

Микроконтроллер – микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.

Выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал задуманного проекта. При выборе микроконтроллера необходимо учесть и оценить большое количество факторов.

Основная цель выбрать наименее дорогой микроконтроллер (чтобы снизить общую стоимость системы), но в тоже время удовлетворяющий спецификации системы, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. Общая стоимость системы включает все: инженерные исследования и разработку, производство (комплектующие и труд), гарантийный ремонт, дальнейшее усовершенствование, обслуживание, совместимость, простоту в обращении и т.д.

За счет достижения более высокого уровня интеграции и надежности при сохранении низкой цены, все микроконтроллеры оснащены встроенными дополнительными устройствами. Эти устройства под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера выполняют определенные функции. Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

2.1 Обоснование применения микроконтроллера

Применение микроконтроллеров в изделия обусловлено тем, что они позволяют резко сократить сроки его разработки и промышленного освоения; поднять на новый уровень технические характеристики. Применяя микроконтроллеры в устройстве, можно значительно расширить его функциональность.

По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора элементов, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Критериями для выбора микроконтроллеров чаще всего служат:

быстродействие;
габаритные размеры и тип корпуса;
энергопотребление, наличие энергосберегающего режима работы, необходимость охлаждения;
встроенные периферийные устройства, начиная от EEPROM-памяти и заканчивая LAN или LCD-контроллером;
надежность.

Еще одной важной характеристикой, влияющей как на практичность, так и на цену устройства, является способ программирования:

перепрограммируемые микроконтроллеры с УФ или электрическим стиранием, являются самыми дорогими, но вместе с тем, и наиболее практичными устройствами для мелкосерийного и экспериментального производства;
однократно-программируемые микроконтроллеры дешевле перепрограммируемых, однако, программирование возможно только один раз;
масочно-программируемые микроконтроллеры – самый дешевый способ изготовления, но программирование осуществляется промышленным способом на заводе изготовителе, что делает возможным применение подобных микроконтроллеров только в крупносерийном производстве, при условии, что программа изменяться не будет;

2.2 Выбор микроконтроллера

Опишем микросхемы семейства ATtiny с тех особенностей и преимуществ, которые выделяют эти микроконтроллеры среди других.

Основным преимуществом микроконтроллеров является использование в них в качестве внутреннего постоянного запоминающего устройства для хранения команд программы и констант (IROM) репрограммируемого постоянного запоминающего устройства с электрическим стиранием записи. При этом существенно упрощается процедура репрограммирования памяти, открывается возможность выполнять запись кодов в постоянную память после установки микроконтроллера в аппаратуру и снижать стоимость микроконтроллера по сравнению с микроконтроллерами со стиранием памяти путем облучения ультрафиолетовым излучением.

Микроконтроллеры AVR приобрели большую популярность, привлекая разработчиков достаточно выгодным соотношением таких показателей, как цена, быстродействие и энергопотребление. Кроме того важными параметрами являются удобные режимы программирования, доступностью программно-аппаратных средств поддержки и широкая номенклатура выпускаемых кристаллов. Микроконтроллеры этой серии используются в автомобильной электронике, бытовой технике, сетевых картах и материнских платах компьютеров, в мобильных телефонах нового поколения и т.д.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три семейства:

-Tiny AVR – дешевые и довольно простые по конструкции микроконтроллеры в 8-выводном исполнении;

-Classic AVR – базовая линия микроконтроллеров;

-Mega AVR – микроконтроллеры для сложных приложений, требующих большого объема памяти программ и данных.

Для семейства "tiny" - это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного управления.

Для семейства "classic" - это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские платы компьютеров, сотовые телефоны нового поколения а также различные и разнообразные промышленные системы контроля и управления.

Для "mega" AVR - это аналоговые (NMT, ETACS, AMPS) и цифровые (GSM, CDMA) мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры современных дисковых накопителей, CD-ROM и т.д.

Согласно статистическим данным 8-разрядные МК занимают на сегодняшний день около 40% рынка микроэлектронных устройств, предназначенных для встраиваемых систем. В большинстве недорогих массовых применений 8-разрядные архитектуры по-прежнему остаются самыми востребованными, что объясняется спецификой данных приложений – важны не столько производительность МК, а его функциональные возможности. В противовес вычислительным машинам, встраиваемая система создается вокруг исполнительных устройств и датчиков, а микроконтроллер, хоть и играет управляющую роль в такой системе, является лишь средством, обеспечивающим функционирование всех входящих в систему компонентов и необходимые интерфейсы для связи с внешним миром.

Рисунок 1 - Микроконтроллер ATtiny 15

Для данного курсового проекта был выбран микроконтроллер ATtiny 15. Он имеет встроенный десяти битный АЦП и достаточное количество выводов для подключения внешних устройств и организации индикации. Так же у него сравнительно мощные выходы, что позволяет подключать к ним элементы схемы и индикации без дополнительного согласования или усиления. Все основные параметры аналогичны параметрам микроконтроллеров семейства ATtiny. Внешний вид микроконтроллера представлен на рисунке 1.

2.3 Техническое описание микроконтроллера ATtiny 15

ATtiny 15 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером с низким уровнем энергопотребления, основанным на AVR RISC архитектуре. Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, ATtiny15 достигает производительности, приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению со стандартными микроконтроллерами CISC.

ATtiny 15 имеет: 1 Кбайт Flash памяти, 64 байт EEPROM, 6 линий I/O общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, 2 8-vb разрядных универсальных таймера/ счетчика, один с высокоскоростным выходом с ШИМ, встроенные генераторы, внутренние и внешние прерывания, программируемый следящий таймер, 4-х канальный, 10-ти разрядный АЦП с одним дифференциальным входом сигнала напряжения с опциональным х20 усилением, а также, три программно выбираемых режима экономии энергопотребления. Режим ожидания «Idle Mode» останавливает CPU, но позволяет функционировать АЦП, аналоговому компаратору, таймеру/ счетчикам и системе прерываний. Режим подавления шумов АЦП обеспечивает высокопрецизионные АЦП - измерения путем остановки CPU и сохранения работоспособности АЦП. Режим экономии энергопотребления «Power Down» сохраняет содержимое регистров, но останавливает тактовые генераторы, отключая все остальные функции микроконтроллера, вплоть до следующего внешнего прерывания, или до аппаратной инициализации. Функции активации, или прерывания при смене логического уровня на входе позволяет ATtiny15L быть высокочувствительной к внешним событиям, при сохранении минимального уровня энергопотребления при нахождении в режимах экономии энергопотребления.

Устройство производится с применением технологи энергонезависимой памяти с высокой плотностью размещения, разработанной в корпорации Atmel. Благодаря совмещению усовершенствованного 8-ми разрядного RISC CPU с Flash- памятью, с поддержкой внутрисистемного программирования на одном кристалле, получился высокопроизводительный микроконтроллер ATtiny15L, обеспечивающий гибкое и экономически - высокоэффективное решение для многих приложений, встраиваемых систем управления, особенно в случае применения в зарядных устройствах, системах балластного освещения, и во всех типах приложений, использующих интеллектуальные сенсоры.

AVR ATtiny 15 поддерживается полным набором программ и пакетов для разработки, включая: компиляторы С, макроассемблеры, отладчики, симуляторы программ, внутрисхемные эмуляторы и наборы для макетирования.

Обзор характеристик

Высокопроизводительный, 8-ми разрядный AVR® микроконтроллер с низким уровнем энергопотребления

Усовершенствованная RISC архитектура:

90 мощных инструкций - большинство выполняются за один такт
32 х 8 рабочих регистров общего назначения;
регистры управления периферией;
- один дифференциальный вход сигнала напряжения с опциональным усилением х20;
  - встроенный аналоговый компаратор;
  - Программируемый следящий таймер с встроенным генератором

Специализированные функции микроконтроллера:

функция внутрисистемного программирования по SPI- порту;
- усовершенствованная функция инициализации при включении питания
  - программируемая цепь детектирования аварийного отключения питания
  - встроенный, калиброванный 1.6 МГц настраиваемый генератор;
  - встроенный тактовый генератор на 25.6 МГц для таймера / счетчика;
  - внешние и внутренние источники прерывания;

Режимы пониженного энергопотребления: ф;

покоя (Idle), и отключения (Power Down)

Функции I/O и корпус:

8-pin PDIP/SOIC;
6 программируемых линий I/O.

Напряжение питания:

От 2.7 В до 5.5 В;
Внутренняя тактовая частота 1.6 МГц;
Коммерческий и индустриальный диапазоны эксплуатационных температур;

Типы корпусов и исполнений

Обозначения корпусов для кристаллов PIC16C84А. Тип корпуса указывается в Маркировке при заказе микросхем. Корпуса бывают только с 18 Выводами.

PDIP - Обычный пластмассовый двухрядный корпус

SOIC - Малогабаритный DIP корпус для монтажа на поверхность

Высокая эффективность микроконтроллеров ATtiny достигается за счет архитектуры ядра, подобная обычно применяется в RISC микропроцессорах.

3. Разработка структурной схемы

Главное достоинство этой схемы – питание всего от одной батарейки или аккумулятора типоразмера АА. Применение преобразователя позволило разместить источник питания в стандартном корпусе любого фонаря, работающего от двух батареек. Причём никакой переделки корпуса фонаря при этом не требовалось.

В качестве управляющего элемента в обеих конструкциях применен популярный недорогой микроконтроллер фирмы ATMELATtiny15L. Эти микроконтроллеры доступны и удобны в применении, их работа подробно описывалась в радиолюбительской литературе.

Микроконтроллер DD1 применён в стандартном включении. Поскольку временные характеристики для данной схемы не критичны, применён встроенный генератор с внутренней времязадающей цепочкой (номинальная частота 1600 кГц). Применение внутреннего генератора позволило отказаться от внешних элементов, что упростило схему. При необходимости частота генератора может быть изменена программированием соответствующих конфигурационных битов.

Порт РВ2 используется для управлением работой фонаря. Изменение режима работы осуществляется кнопкой SB1 без фиксации. Управляющая программа периодически опрашивает порт РВ2, к которому подключена кнопка SB1. При наличии на входе порта логического «0» (замыкании контактов кнопки на землю) происходит переключение режима работы фонаря. Непосредственно работой транзистора VT1, в коллекторную цепь которого включен светодиод EL1, управляет порт РВ0. При появлении на выходе порта логической «1», в соответствии с управляющей программой, транзистор открывается и светодиод загорается. Резистор R1 служит для ограничения тока, протекающего через светодиод.

Работает фонарь следующим образом. При подаче питания на схему (через штатный выключатель фонаря SA1 с фиксацией) происходит сброс (реинициализация) микроконтроллера, переводящая его в устойчивое рабочее состояние. Схема сброса выполнена на элементах R3C3.

Как уже отмечалось выше, никакой переделки корпуса фонаря не требуется. Необходимо лишь разместить кнопку управления режимами фонаря в любом удобном месте корпуса.

В конструкции применены обычные выводные компоненты и микросхемы в корпусе DIP.

Режимы работы фонаря с 1-м светодиодом:

постоянное свечение светодиода;
прерывистое свечение светодиода с постоянной скважностью;
режим «SOS».

Разумеется, режимы работы фонаря могут быть при необходимости изменены. Для этого нужно всего лишь изменить управляющую программу. Никаких изменений схемы для этого не требуется.

Дальнейшим развитием вышеприведённой схемы было проектирование светодиодного фонаря с переменной яркостью свечения. Это особенно важно в автономных туристских походах и вообще в местах, где экономия энергоресурсов является определяющим фактором. Для упрощения схемы и повышения надёжности конструкции в целом было решено отказаться от ШИМ-регулирования и применить дискретный способ управления яркостью, а именно переключение групп светодиодов.

Поскольку основное требование к конструкции фонаря осталось прежним, то для размещения элементов на плате того же размера пришлось применить другую элементную базу, в основном SMD компоненты.

Преобразователь DA1 выполнен на микросхеме RH5RI33B фирмы RICOH (российский аналог – микросхема 1446ПН21 в корпусе SOT-89). Принцип работы данного преобразователя ничем не отличается от работы преобразователя на основе микросхемы КР1446ПН1.

Работа управляющего элемента практически ничем не отличается от предыдущей схемы. Добавлен лишь ещё один транзисторVT2, посредством, которого коммутируется питание для второй группы светодиодов EL1 и EL2.

Порт РВ2 используется для управлением работой фонаря. Изменение режима работы осуществляется кнопкой SB1 без фиксации. Управляющая программа периодически опрашивает порт РВ2, к которому подключена кнопка SB1. При наличии на входе порта логического «0» (замыкании контактов кнопки на землю) происходит переключение режима работы фонаря. Непосредственно работой транзисторов VT1 и VT2 , в коллекторную цепь которых включены светодиоды EL1 и EL2, EL3 соответственно, управляют порты РВ0 и РВ1. При появлении на выходе порта логической «1», в соответствии с управляющей программой, транзистор открывается и светодиод (светодиоды) загораются. Резисторы R4 - R6 служат для ограничения тока, протекающего через светодиоды.

3.1 Разработка структурной схемы светодиодного устройства

Структурная схема устройства определяет основной состав изделия и его функциональные части, их название и взаимосвязь.

Структурная схема данного устройства представлена в графической части (КП 230101.4610.00 Э1)

4. Разработка алгоритма функционирования устройства

В качестве управляющего элемента в обеих конструкциях применен популярный недорогой микроконтроллер фирмы ATMEL ATtiny15L. Эти микроконтроллеры доступны и удобны в применении.

Порт РВ2 используется для управлением работой фонаря. Изменение режима работы осуществляется кнопкой SB1 без фиксации. Управляющая программа периодически опрашивает порт РВ2, к которому подключена кнопка SB1. При наличии на входе порта логического «0» (замыкании контактов кнопки на землю) происходит переключение режима работы фонаря. Непосредственно работой транзистора VT1, в коллекторную цепь которого включен светодиод EL1, управляет порт РВ0. При появлении на выходе порта логической «1», в соответствии с управляющей программой, транзистор открывается и светодиод загорается. Резистор R2 служит для ограничения тока, протекающего через светодиод.

Работает фонарь следующим образом. При подаче питания на схему (через штатный выключатель фонаря SA1 с фиксацией) происходит сброс микроконтроллера, переводящая его в устойчивое рабочее состояние. Схема сброса выполнена на элементах R3, C3.

Как уже отмечалось выше, никакой переделки корпуса фонаря не требуется. Необходимо лишь поместить кнопку управления режимами фонаря в любом удобном месте корпуса.

В конструкции применены обычные выводные компоненты и микросхемы в корпусе DIP.

Режимы работы фонаря с 1-м светодиодом:

постоянное свечение светодиода;
прерывистое свечение светодиода с постоянной скважностью (сигнальный режим);
режим «SOS» (прерывистое свечение светодиода с переменной скважностью: три длинных вспышки – три коротких).

Алгоритм работы светодиодного устройства на МК ATtiny 15 представлен в графической части.

5. Выбор элементов устройства, их технические характеристики

Конденсатор – это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов, разделенных диэлектриком, и предназначенный для использования его электрической емкости.

Керамический постоянной емкости конденсатор, предназначен для работы в цепях постоянного и переменного и импульсных токов. УГО конденсатора постоянной емкости представлено на рисунке 2

Рисунок 2 – УГО конденсатора постоянной емкости

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). На практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Рисунок 3 – УГО диода Шоттки

Транзистор КТ3102Б – n-p-n кремниевый эпитаксиально-планарный в пластмассовом корпусе предназначен для использования в низкочастотных устройствах аппаратуры широкого применения с малым уровнем шумов и другой радиоэлектронной аппаратуре, изготавливаемой для народного хозяйства. УГО транзистора представлено на рисунке 4

Рисунок 4 – УГО биполярного транзистора

Резистор – промышленное изделие, основное функциональное назначение которого является оказывать известное активное сопротивление электрическому току, путем преобразования электрической энергии в тепловую.

Применяются резисторы МЛТ типа с максимальной рассеиваемой мощностью 0,125 Вт.

Рисунок 5 - УГО резистора

УГО катушки индуктивности представлено на рисунке 16

Рисунок 6 – УГО катушки индуктивности

Данное устройство содержит катушки индуктивности: L1

Кнопка – электрический аппарат для замыкания и размыкания электрической цепи, включения и отключения оборудования. УГО выключателя представлено на рисунке 17

Рисунок 7 – УГО кнопки

Выключатель - электрический аппарат для замыкания и размыкания электрической цепи, включения и отключения оборудования. УГО выключателя представлено на рисунке 18

Рисунок 8 – УГО выключателя

6. Разработка принципиальной схемы светодиодного устройства

Электрическая принципиальная схема (Э3) – является наиболее полной электрической схемой устройства. На которой изображены все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в устройстве заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения (разъемы) которыми заканчиваются входные и выходные схемы.

Схема электрическая принципиальная представлена в графической части КП 230101.4610.01 Э3 (устройство с одним светодиодом) и КП 230101.4610.02 Э3 (устройство с тремя светодиодами)

6.1 Разработка интерфейса управления и индикации

В данном устройстве функция индикации и управления являются основными. Участок принципиальной схемы светодиодного устройства на МК ATtiny 15, ответственного за управление и индикацию представлен на рисунке 4

Рисунок 9 - Интерфейс управления и индикации

6. 2 Разработка интерфейса сопряжения с нагрузкой

Участок принципиальной схемы светодиодного устройства на МК ATtiny 15 ответственного за сопряжение с нагрузкой представлен на рисунке 5. Нагрузка представляет собой устройство, управляемое программатором, которая включается электронным ключом (на любом логическом элементе).

Рисунок 10 - Интерфейс сопряжения с нагрузкой

6.3 Разработка цепей питания

Цепи питания (а именно блок питания и стабилизации) обеспечивают данную схему определённым напряжением, что способствует работоспособности данного устройства. Принципиальная схема участка цепи питания представлена на рисунке 6

Рисунок 11 - Интерфейс цепи питания

6.4 Расчет блока питания

Питания частотомера осуществляется от гальванической или аккумуляторной батареи напряжением 1,5В.

6.5 Назначение компонентов и работа схемы

В элементную базу разрабатываемого устройства входят:

микроконтроллер DD1 (ATtiny15L-1PC);
преобразователь постоянного напряжения DD1 (КР1446ПН1)

Преобразователь постоянного напряжения — импульсный повышающий регулятор напряжения для устройств, использующих низковольтные источники питания. УГО триггера представлено на рисунке 7

Рисунок 12 – Преобразователь постоянного напряжения (КР1446ПН1)

Применяются резисторы МЛТ типа с максимальной рассеиваемой мощностью 0,125 Вт.

Температура окружающей среды при этой нагрузке – от -60 до +155° С. Относительная влажность воздуха при температуре +35 °С до 98%. Предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов. УГО резистора представлено на рисунке 8

Рисунок 13 - УГО резистора

Данное устройство содержит резисторы: R1, R3 – 1k, R2 – 56k (Для схемы с одним светодиодом), R1, R3, R4 – 1k, R2 – 51, R5, R6 – 100 (Для схемы с 3 светодиодами).

Конденсаторы

Рисунок 14 – УГО конденсатора постоянной емкости

Данное устройство содержит конденсаторы: C2, C4 – 0,1мк (Для схемы с одним светодиодом), C3 – 0,1мк (Для схемы с 3 светодиодами).

Оксидно-электролитические алюминиевый уплотненный полярный. Изолированный, в корпусе диаметром от 6,3 до 12 мм. Изготавливается для автоматизированной сборки, предназначен для работы в цепях постоянного и пульсирующего токов. УГО оксидного конденсатора представлено на рисунке 10

Рисунок 15 – УГО оксидного конденсатора

Данное устройство содержит оксидные конденсаторы:

C1, С2 – 100мк x 6,3B (Для схемы с одним светодиодом);

C1, С2 – 47мк x 6,3B (Для схемы с 3 светодиодами).

Транзисторы

Рисунок 16 – УГО биполярного транзистора

Устройство с одним светодиодом содержит транзисторы КТ3102Б – VT1.

Транзистор КТ368A-9 – n-p-n кремниевые эпитаксиально-планарные усилительные. Предназначены для использования во входных и последующих каскадах усилителей высокой частоты. УГО транзистора представлено на рисунке 17

Рисунок 17 – УГО биполярного транзистора

Устройство с тремя светодиодами содержит транзисторы КТ368A-9 – VT1, VT2.

стабилизатор напряжения DA1 (RH5RI331B)

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. УГО стабилизатора представлено на рисунке 18.

Рисунок 18 – УГО стабилизатора

Рисунок 19 – УГО диода Шоттки

VD1светодиоды (10WSSC-A)

Диоды светоизлучающие, с рассеянным излучением, эпитаксиальные. Изготовляются на основе соединений галлий – алюминий и фосфида галлия. Выпускаются в пластмассовых корпусах. УГО светодиода представлено на рисунке 20.

Рисунок 20 – УГО светодиода

Данное устройство содержит оксидные светодиоды:

EL1 (Для схемы с одним светодиодом);

EL1 – EL3 (Для схемы с 3 светодиодами).

Катушка индуктивности L1

Катушка индуктивности — пассивный двухполюсный компонент электрических и электронных устройств и систем. Основной параметр катушки индуктивности — её индуктивность, зависящая только от геометрических размеров и материалов и не зависящая от режима работы (тока и напряжения).

Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотно-избирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и т.д.

УГО катушки индуктивности представлено на рисунке 21

Рисунок 21 – УГО катушки индуктивности

Данное устройство содержит катушки индуктивности: L1

кнопка SB1 (Схема с 3 светодиодами)

Кнопка – электрический аппарат для замыкания и размыкания электрической цепи, включения и отключения оборудования. УГО выключателя представлено на рисунке 22.

Рисунок 22 – УГО кнопки

Выключатель - электрический аппарат для замыкания и размыкания электрической цепи, включения и отключения оборудования. УГО выключателя представлено на рисунке 23.

Рисунок 23 – УГО выключателя

Расчет надежности светодиодного устройства

Основной показатель надежности – интенсивность отказов 1-го элемента, определяется по формуле:

[6.1]

- интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации;

- коэффициент, учитывающий влияние механических факторов;

- влияние климатических факторов;

- влияние пониженного атмосферного давления.

Расчет показателей надежности заключается в определении реальной суммарной интенсивности отказов схемы электрической принципиальной. Производим расчет показателей для схемы электрической принципиальной, данные заносим в таблицу.

Для устройства с одним светодиодом

Таблица 1 - Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование

элементов

Количество

oi*10-6

i*10-6

(i*ni)*10-6

ИМС

0,5

Продолжение таблицы 1

Постоянные резисторы	3	0,02	0,5	0,01	0,03
Конденсаторы	2	0,7	0,64	0,448	0,946
Оксидные конденсаторы	2	0,5	0,64	0,32	0,64
Транзистор n-p-n	1	0,5	0,3	0,15	0,15
Диоды	1	0,2	0,83	0,17	0,17
Светодиоды	1	0,5	0,83	0,4	0,4

Для рассматриваемой схемы электрической принципиальной интенсивность отказов составляет:

[6.2]

где - интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации;

- количество элементов данного типа.

Определяем суммарную интенсивность отказов

= (1+0,03+0,946+0,64+0,15+0,17+0,4) * 10-6 = 3,34 * 10-6 (1/ч)

Время безотказной работы (средняя наработка на отказ) схемы электрической принципиальной рассчитывается по формуле:

[6.3]

Время безотказной работы схемы по полученным данным

Т = 1/3,34 * 10-6 = 0.299401 * 106 = 299401 часов (34 года)

Далее определение интенсивности отказов устройства после монтажа элементов на печатной плате (ПП), данные заносим в таблицу.

Таблица 2 - Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество элементов	Количество паяных соединений	oi*10-6 (1/ч)	(оini)10-6 (1/ч)
1	2	3	4	5
ИМС	2	16	0,01	0,16
Постоянные резисторы	3	6	0,01	0,06
Конденсаторы	2	4	0,01	0,04
Оксидные конденсаторы	2	4	0,01	0,04
Транзистор n-p-n	1	3	0,01	0,03
Диоды	1	2	0,01	0,02
Светодиоды	1	2	0,01	0,02
Катушка	1	2	0,01	0,02
Кнопка	1	2	0,01	0,02
Выключатель	1	2	0,01	0,02
Батарея	1	2	0,01	0,02
ПП	1	1	0.7	0,7

Суммарная интенсивность отказов элементов схемы после их пайки на ПП

уст-ва = 0.3 + (0.16+0.06+0.04+0.04+0.03+0.02+0.02+0.02+0.02+0.02+0.02+

+0.7) * 10-6 = 1.45 * 10-6 (1/ч)

Безотказное время работы устройства

Туст-ва = 1/1.45 * 106 = 0.689655 * 106 = 689655 часов (78 лет)

Рассчитываем вероятность безотказной работы устройства в зависимости от времени наработки по формуле:

[6.4]

Расчет вероятности безотказной работы устройства в зависимости от времени наработки

P(t1) = 0,998

P(t2) = 0,997

P(t3) = 0,994

P(t4) = 0,988

P(t5) = 0,976

P(t6) = 0,368 T6 = 689655 (ч)

График безотказной работы представлен в отчете практической работы на рисунке 24

Рисунок 24 – График безотказной работы

Для устройства с тремя светодиодами

Таблица 3 - Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество	oi*10-6	i	i*10-6	(ini)10-6
1	2	3	4	5	6
ИМС	1	0,5	1	0,5	0,5
Постоянные резисторы	6	0,02	0,5	0,01	0,06
Конденсаторы	1	0,7	0,64	0,448	0,448
Оксидные конденсаторы	2	0,5	0,64	0,32	0,64
Транзистор n-p-n	2	0,5	0,3	0,15	0,3
Диоды	1	0,2	0,83	0,17	0,17
Светодиоды	3	0,5	0,83	0,4	1,2

Определяем суммарную интенсивность отказов

= (0.5+0,06+0,448+0,64+0,3+0,17+1,2) * 10-6 = 3,318 * 10-6 (1/ч)

Время безотказной работы схемы по полученным данным

Т = 1/3,318 * 10-6 = 0.301386 * 106 = 301396 часов (34,5 года)

Таблица 4 - Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество элементов	Количество паяных соединений	oi*10-6 (1/ч)	(оini)10-6 (1/ч)
1	2	3	4	5
ИМС	1	8	0,01	0,08
Постоянные резисторы	6	12	0,01	0,12
Конденсаторы	1	2	0,01	0,02
Оксидные конденсаторы	2	4	0,01	0,04
Транзистор n-p-n	2	6	0,01	0,06
Диоды	1	2	0,01	0,02
Светодиоды	3	6	0,01	0,06
Стабилизатор	1	3	0,01	0,03
Катушка	1	2	0,01	0,02
Кнопка	1	2	0,01	0,02
Выключатель	1	2	0,01	0,02
Батарея	1	2	0,01	0,02
ПП	1	1	0.7	0,7

Суммарная интенсивность отказов элементов схемы после их пайки на ПП

уст-ва = 0.3 + (0.08+0.12+0.02+0.04+0.06+0.02+0.06+0.03+0.02+0.02+0.02+0.02+

+0.7) * 10-6 = 1.51 * 10-6 (1/ч)

Безотказное время работы устройства

Туст-ва = 1/1.51 * 106 = 0.662251 * 106 = 662251 часов (75,6 лет)

Расчет вероятности безотказной работы устройства в зависимости от времени наработки

P(t1) = 0,997

P(t2) = 0,993

P(t3) = 0,987

P(t4) = 0,974

P(t5) = 0,948

P(t6) = 0,111 T6 = 662251 (ч)

График безотказной работы представлен в отчете практической работы на рисунке 25

Рисунок 25 – График безотказной работы

Описание печатной платы светодиодного устройства

Печатная плата – пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, (накруткой, склёпкой, или впрессовыванием), в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Применение печатных плат позволяет облегчить настройку аппаратуры и исключить возможность ошибок при ее монтаже, так как расположение проводников и монтажных отверстий одинаково на всех платах данной схемы. Использование печатных плат, обусловливает также возможность уменьшения габаритных размеров аппаратуры, улучшения условий отвода тепла, снижения металлоемкости аппаратуры и обеспечивает другие конструктивно-технологические преимущества по сравнению с объемным монтажом.

В качестве материала защитного рисунка используется резист. Для нанесения фоторезиста используется сеткографический метод.

Сеткографический метод состоит в том, что рисунок наносится через сетчатый трафарет, резиновой лопаткой, вдавливанием специальной краски. По характеристикам сеткографический метод аналогичен офсетному и применим для массового и серийного производства.

Метод фотопечати отличается повышенной точностью и плотностью монтажа. Ширина дорожки и зазора 0.1-0.25мм. Метод состоит в контактном копировании рисунка фотошаблона на основание, которое покрыто светочувствительным слоем фоторезиста.

Субтрактивный метод в настоящее время самый распространенный. В качестве исходного материала используются одно или двусторонние фольгированные диэлектрики. После переноса рисунка печатных проводников в виде защитной резистивной пленки на фольгированную основу, не покрытые резистом места удаляются с помощью травления (в основном в хлористом железе). На защищенном резистом рисунке проводников травление не оказывают действия.

Перенос рисунка печатных проводников на фольгированный диэлектрик (создание покрытия устойчивого к травлению) осуществляется с помощью трафаретной печати, фотопечати и офсетной печати.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта разработано светодиодное устройства на МК ATtiny 15, разработан комплект конструкторско-технологической документации, а также расчетное обоснование выбора элементной базы и разработанного технологического процесса изготовления устройства. Также создан комплект конструкторской документации, комплект которых включает в себя техническое описание устройства, техническое описание микроконтроллера ATtiny 15 и расчетное обоснование правильности выбора элементной базы.

В ходе выполнения курсового проекта получены навыки в проектировании аппаратных программных средств микропроцессорных систем управления, в использовании современных информационных технологий при проектировании микропроцессорных систем (Интернет, программные пакеты текстовых и графических редакторов).

Во время анализа схемотехнического решения устройства изучены технические характеристики элементов входящих в схему, а так же их роль в устройстве.

Подробно описан технологический процесс и методы изготовления печатной платы, установка элементов на готовую ПП, пайка и тестирование собранной схемы.

Благодаря подробным математическим и геометрическим расчетам была проанализирована надёжность и возможность работы. Добиться этой цели нам помог детальный анализ теоретической и практической части работы над изделием.

В разработке курсового проекта использованы знания таких дисциплин, как «Цифровая схемотехника», «Конструирование, производство и эксплуатация средств вычислительной техники», «Периферийные устройства», «Микропроцессоры и микропроцессорные системы», «Электротехника».

Список используемых источников

1. Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации: Учебник для сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 272 с.

2. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Технические средства информатизации: Учебник. – М.: Форум, 2011. – 592 с.

Партыка Т.Л., Попов И.И. Периферийные устройства вычислительной техники: Уч. пособие. – М.: Форум: ИНФРА-М, 2010. – 432 с.

3. Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника. – М.: Академия, 2010.

4. Бигелоу С. Устройство и ремонт ПК: аппаратная платформа и основные компоненты. М.: - Бином, 2010, 975 с.

5. Гук М. Ю. Аппаратные средства IBM PC: Энциклопедия. М.: Питер, 2010, 1072 с.

6. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК: 18-е изд. – М. «ООО И.Д. Вильямс», 2011. – 2025 с.

PAGE 2

EMBED Equation.3

Проектирование микропроцессорных систем (МПС) и устройств