Устройство контроля и поддержания температуры

Частота собственных колебаний платы:  645,06 Гц 

Определяем условную частоту ударного импульса: ;

где - длительность ударного импульса; ;

        ;

Определяем коэффициент передачи при ударе, для прямоугольного импульса:

;

- коэффициент расстройки. ;

для платы:

         ; ;

Рассчитываем ударное ускорение: ;

Н_У - амплитуда ускорения ударного импульса. Н_У=10g.

для платы:

Определяем максимальное относительное  перемещение для прямоугольного импульса: ;

для платы:

                 м;

Проверяем выполнение условий ударопрочности:

Для ЭРЭ ударное ускорение  должно быть меньше допустимого. Так  как для ЭРЭ, используемых в блоке  допустимое ускорение а = 20 g, то для  ЭРЭ условие ударопрочности выполняется.

Для ПП с ЭРЭ должно выполняться  условие: ; где

b - ширина печатной платы.

Для платы:

м.

.

Условие ударопрочности выполняется.

Вывод: так как допустимые значения прогиба печатных плат  больше реальных, а также реальная ударная нагрузка меньше допустимой то можно считать, что соответствующий пункт технического задания выполнен.

3.8.Расчет надежности блока

Разработанная система должна с вероятностью 0,95 проработать 30000 часов. Для расчета  ее надежности использовались статистические данные отдельных элементов [3,4], которые показаны в таблице 3.

 

Таблица 3. Интенсивность  отказов элементов Блока

Позиция	Наименование  элемента	Количество	Интенсивность   отказов λi, 10-6/час
A1-A3	Cooler Master O4-P2B-12AK-GP	3	0,01
С1	К50-35 4,7мкФ	5	0,05
C2	КМ5Б Н1500, 2,2 нФ	1	0,01
C3	КМ5Б H30, 0,1 мкФ	1	0,01
C4,C5	КМ5Б H90, 0,1 мкФ	2	0,01
С6,C7	КМ5Б М47, 22 пФ	2	0,01
С8..C10	КМ5Б H90, 0,1 мкФ	3	0,01
DD1	AT89C5131	1	0,01
DD2	DS18B20	9	0,01
R1	С1-4, 1 Вт	1	0,002
R2	С2-23, 1 Вт	1	0,05
R3	С1-4, 1 Вт	1	0,002
R4	С1-4, 1 Вт	1	0,002
R5..R7	С1-4, 1 Вт	3	0,002
ZQ	Кварц	1	0,05
S1	ПТ73-1-1	1	0,05
X1	TYCO 170262-1	1	0,02
X2	Разъем USB B-тип	1	0,05
X3..X14	TYCO 170262-1	12	0,01
			Σλi = 0,612х10-6

 

Рассчитаем  вероятность безотказной работы за время t = 30000 часов

.

Средняя наработка  на отказ равна

Выводы

Как видно из расчетных данных, надежность системы  полностью удовлетворяет требованиям  технического задания, в котором  указано значение вероятности безотказной работы в течение 30000 часов равное 0,95.

3.9.Расчет мощности блока

В соответствии с технических заданием разработанный  блок должен потреблять не больше 20 Вт.

Из анализа  электрической принципиальной схемы  следует, что основными устройствами, потребляющими мощность, являются:

• контроллер AT89C5131 (потребляемая мощность определяется по документации [8]);
• датчики температуры (потребляемая мощность определяется по документации [9]);
• вентиляторы (потребляемая мощность определяется по документации [10]);
• резисторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В таблице 4 представлены исходные данные для расчета мощности:

Таблица 4. Исходные данные для расчета мощности

Элемент	Исходные данные
R2	R = 1,5 кОм
R5..R7	R = 2,2 кОм
AT89C5131	Iпотр. = 30 мА
DS18B20	Iпотр. = 1,5 мА
Вентилятор	Wпотр. = 1,44 Вт

 

Расчет  мощности, потребляемой дискретными  компонентами

 

Будем считать, что низкий уровень сигнала на входе схемы по D+ будет определяться малым напряжением 0,3 В. Тогда максимально  возможная потребляемая резистором R2 мощность при Uref=3 В будет равна:

P_R2 = Вт

Учитывая, что  микроконтроллер АТ89С5131 построен по КМОП-технологии, следовательно, токи потребления исчисляются наноамперами и мощность, рассеиваемая на резисторах R1 и R3, ничтожно мала.

Мощность, рассеиваемая на резисторах R5R7, определяется как:

 

P_R5R7 = 11,4 мВт

 

Расчет  мощности, потребляемой микросхемами

 

Мощность, потребляемая контроллером AT89C5131, равна:

 

PD1 = Uпит. Iпотр. = 5 В*30 мА = 150 мВт

 

Мощность, потребляемая датчиками  DS18B20, равна:

 

PD2 = Uпит. Iпотр. = 5 В*1,5 мА = 7.5 мВт

 

Мощность, потребляемая одним  вентилятором равна 1,44 Вт.

 

Расчет суммарной  потребляемой мощности в режиме измерения  и поддержания температуры (с  вентиляторами)

Суммарная потребляемая мощность равна:

P= Σ Pi = 4,9+3*11,4+150+9*7,5+3*1440=4575,4 мВт=4,6 Вт

 

Расчет  суммарной потребляемой мощности в  режиме измерения температуры (без  вентиляторов)

 

P = 4,9+3*11,4+150+9*7,5=257 мВт

Выводы

Из расчетов следует, что блок контроля и поддержания  температуры без подключенных вентиляторов может питаться по шине USB, вентиляторы же должны быть подключены к внешнему источнику питания. Общая потребляемая мощность не превышает 20 Вт, что полностью удовлетворяет требованиям ТЗ.

 

3.10.Расчет временных параметров блока

Одной из важных составляющих разработанного проекта  является быстродействие блока, т.е. время  реакции на изменение температурных  данных. Время реакции зависит  от следующих параметров:

• времени опроса одного датчика;
• количество датчиков;
• разницы между поддерживаемой и текущей температурой.

Время опроса каждого  из датчиков зависит в первую очередь  от разрешающей способности измерения  температуры. В соответствии с техническим  заданием разрешающая способность  должна быть 0,5°С, что соответствует 9-битному режиму. В этом случае время конвертации температуры составляет 93,75 мс. Общее время с учетом времени запроса и получения значения температуры и длительности слота записи/чтения, равное 60 мкс, составляет 100 мс.

Датчикам, находящимся  на одном канале, сигнал на начало конвертации температуры приходит одновременно, что означает максимальное время измерения температуры для всех трех каналов порядка 300 мс.

Время на опрос USB, а также выставление скорости вращения вентиляторов по статистическим данным не превышает 200 мс.

В результате время  одного шага цикла составляет порядка 500 мс.

Время реакции  также зависит от разницы между  текущим и поддерживаемым значениями температуры. Если эта разница не превышает 1°С, то никаких изменений  скоростей не происходит. В остальных случаях шаг изменения скорости рассчитывается по следующей формуле: V=V+k*2*R, где V-значение скорости (от 0 до 255), R – разница между текущим и поддерживаемым значениями температуры, k – коэффициент рассчитываемый на основе этой разницы.

Такой подход позволяет при резком изменении температуры также быстро изменять скорость вращения вентиляторов. Например, при повышении температуры на 5°С относительно поддерживаемой каждый шаг цикла скорость вращения вентилятора будет увеличиваться на 30 единиц. Таким образом, если до этого была минимальная скорость, разгон до максимальной скорости займет 9 шагов цикла, что соответствует 4,5 с. В случае, если вентилятор не справляется, то сигнал перегрева поступит к пользователю через 5 с (с учетом времени передачи информации по USB), что позволит своевременно принять необходимые меры.

 

Выводы

Как показали расчеты, время реакции блока на изменение  внешних воздействий зависит  от различных параметров. При этом, чем больше разница между текущим  и поддерживаемым значениями температур, тем быстрее происходи изменение скорости вращения вентиляторов.

 

 

 

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1. Конструкторско-технологический  анализ устройства

4.1.1. Анализ и  расчет технологичности ячейки

Перед разработкой  технологического процесса сборки изделия требуется определить тип его производства. Существует три основных типа производства: единичное, серийное (мелкосерийное, серийное, крупносерийное) и массовое.  Каждое из них отличается оборудованием (от универсального до узкоспециализированного), методами изготовления деталей (литье, штамповка или обработка на фрезерных или токарных станках), процентом использования ручного труда и т.д.

 

Технологичностью называют совокупность свойств изделия, позволяющих изготовить его наиболее рациональным способом.

Для обеспечения  технологичности необходимы:

• правильный выбор конструкции изделия (она должна быть по возможности простой);
• правильное назначение материалов (не должно быть дефицитных материалов);
• оптимальное назначение допусков и посадок;
• по возможности включение в изделие унифицированных, стандартных узлов, элементов;
• возможность механизации и автоматизации при производстве и сборке изделия;
• возможность параллельной сборки входящих в изделие узлов.

Показатели  технологичности делятся на две  группы: основные и вспомогательные. Основные показатели оценивают технологичность по трудоемкости и себестоимости по формулам:

;  ,

где К_Т - коэффициент технологичности по трудоемкости;

Т  - трудоемкость разрабатываемого изделия;

Т_Б  - трудоемкость аналогичного базового изделия;

К_С - коэффициент технологичности по себестоимости;

Т  - себестоимость разрабатываемого изделия;

Т_Б  - себестоимость аналогичного базового изделия;

Коэффициенты К_Т и К_С являются наиболее объективными показателями, и чем они меньше, тем лучше. Однако для их расчета требуется наличие уже разработанных ТП.

Вспомогательные коэффициенты оценки технологичности  являются более субъективными, предварительными величинами, но позволяют оценить  технологичность изделия на стадии его проектирования.

Так, количественная оценка технологичности электронных  узлов проводиться по системе  базовых показателей технологичности.

Расчет  базовых показателей технологичности  электронных узлов.

Таблица 4.1.1.1. Значения коэффициентов для расчета показателей технологичности

№	Название коэффициента	Значение
1	НИМС - число микросхем, устанавливаемых на плату	1
2	НЭРЭ - количество других навесных элементов, устанавливаемых на плату	35
3	НАМ - количество контактных соединений, выполняемых механизированным способом	219
4	НМ - общее количество контактных соединений. Определяется подсчетом выводов навесных элементов, петель объемного монтажа, проводов-перемычек	219
5	НМП - количество элементов, подготавливаемых к монтажу механизированным способом	39
6	НЭРЭ – общее число навесных элементов, включая МС	39
7	НМКН - количество операций контроля и настройки, осуществляемых механизированным способом	1
8	НКН - общее число операций контроля и настройки	3
9	НТЭРЭ - количество типоразмеров ЭРЭ, устанавливаемых на плату	16
10	НТОЭРЭ - количество типоразмеров оригинальных (нестандартных) ЭРЭ, устанавливаемых на плату.	0
11	ДПР - количество деталей, изготавливаемых прогрессивными методами (штамповка, пластмасса, керамика, литье под давлением)	42
12	Д - общее количество деталей, устанавливаемых на плату	42