Программируемый приемник ИК системы ДУ

1 Введение.

 

Тема курсового проекта  «Программируемый приемник ИК системы ДУ».

Одним из важнейших факторов, определяющим темпы научно-технического прогресса в современном обществе, являются СВТ (средства вычислительной техники). Ускорение научно-технического прогресса требует сокращения сроков разработки и внедрения их в производство и эксплуатацию. Конструирование, являясь составной частью СВТ, представляет сложный комплекс взаимосвязанных задач, решение которых возможно только на основе системного подхода с использованием знаний в области современной технологии, схемотехники, сопротивления материалов, теплофизики, эстетики и других теоретических и прикладных дисциплин. Ускорение создания СВТ можно осуществить только при широком использовании средств автоматизированного конструкторского проектирования и гибких производственных систем. Это требует от современного конструктора и технолога всестороннего овладения электронно-вычислительной техникой.

Системы беспроводного дистанционного управления (ДУ), работающие в инфракрасном (ИК) диапазоне, широко используется для управления различной аппаратурой и приборами – они применяются в быту, на производстве, в охранных комплексах, для управления моделями и т.д. Передатчики  (пульты) ДУ для многих систем доступны и их можно купить. А вот приемник с дешифратором для такой системы ДУ приобрести или изготовить самостоятельно не так уж и просто. Автор предлагает конструкцию приемника такой системы, который собран на микроконтроллере.

 

 

 

 

2 Конструктивные особенности типовых элементов схемы регистратор колебаний поверхности земли.

 

2.1 DD1 – Микроконтроллер PIC16F84A Изображен на рис 1.

Габаритные размеры 22,7 х 7,5мм.

 

 201.14-1 

Рис. 1

 

2.2 HL1 – HL8 - светодиод КИПД28Д – К Изображен на рис.2

Габаритные размеры 5,3 х 3,1мм

 

Рис.2

2.3   R1 – R10 – Резистор МЛТ. Изображен на рис.3

Габаритные размеры 6 х 2,2мм

Рис. 3

 

2.4 С1 – C6 – конденсаторы К50-16. Изображен на рис.4

Габаритные размеры  18 х 6мм

 

Рис.4

2.5   DA1 – стабилизатор напряжения 78L05. Изображен на рис.5

Габаритные размеры  24 х 3.6 мм

Рис.5

 

 

 

 

 

 

 

3 Конструктивно технологические требования к проектированию чертежа ПП.

- Материал печатной платы –  толщина материала – 1,5мм; удельное поверхностное сопротивление ρ_s=10¹⁰ Ом; влагопоглощение b=20мг; U_пр=15 кВ/мм. Рабочая температура стеклотекстолита в диапазоне от –60 до +90°С.

- Плата изготавливается  химико-гальваническим аддитивным  методом. При создании защитного  слоя используется метод фотопечати, как наиболее простой, удобный, быстрый и дешёвый из всех методов. Для определения площади платы найдем площади всех элементов.

Определим площадь печатной платы. Для этого нужно рассчитать сумму площадей всех элементов.

Суммарная площадь элементов  платы равна1168 мм². это число умножаем на коэффициент 3 и получаем  площадь печатной платы, равную 3504мм² .

   S _DA1= 86,4мм

   S _DD1 = 170,25 мм

   S _{HL1 – HL8}= 131,44мм

  S _R1-R10=132мм

   S _{C1 – C6}=648мм

Sпп=86,4+170,25+131,44+132+648 = 1168мм²    

 Определим линейные размеры сторон печатной платы. Исходя из полученной площади, устанавливаем линейные размеры 60×58 мм, в соответствии с ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры». Шаг координатной сетки выбираем равным 1,25 мм.

 

 

 

 

 

3.1 Определение  требований к печатной плате.

На основании расчетов ширины печатных проводников, диаметров  отверстий, приведенных в п. 5.1, и  ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры  конструкции» устанавливаем 5-й класс  точности печатной платы.

Для пятого класса точности устанавливаем:

1.    предельные отклонения диаметров отверстий:

– до 1 мм                  +0; -0,1;

– свыше 1 мм            +0,05; -0,1;

2. для узкого места платы минимальное значение  
   гарантированного пояска меди контактной площадки        0,025 мм;
3. предельные отклонения ширины печатного  
   проводника, контактной площадки, концевого  
   печатного контакта              ±0,03 мм;
4. значения допустимых рабочих напряжений  
   между элементами проводящего рисунка, расположенных:  
   – в соседних слоях печатной платы       500 В;  
   – в наружном слое          300 В;
5. допустимую токовую нагрузку на элементы  
   проводящего рисунка            200 А/мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Описание  сборочного чертежа печатной  плат, требования к формовке выводов,  лужению и пайке.

Регистр колебаний поверхности земли должен собираться согласно сборочному чертежу.

Данная односторонняя  печатная плата изготовляется аддитивный  комбинированным методом, причем электра  радио элементы и ИМС располагаются  с одной стороны печатной платы. Вид установки этих элементов показан на сборочном чертеже. В качестве основания печатной платы был выбран стеклотекстолит не фольгированый огнестойкий с размером сторон 60*58 мм.

Стеклотекстолит не фольгированый огнестойкий имеет толщину материала диэлектрика, равную 1,5 мм; диапазон рабочих температур от –60 до +105 ⁰С; удельная поверхностное сопротивление от   10¹⁰  до  10¹¹ Ом.

Выбор варианта установки  электра радио элементов и интегральных микросхем был произведен таким образом, чтобы в случае поломки к каждому элементу был свободный доступ. Также во время расположения элементов были усчитаны линии связи между элементами, именно по этому элементы расположены таким образом, чтобы максимально упростись трассировку печатной платы, что в последствии позволило максимально использовать плату для установки остальных элементов; микросхемы, имеющие большое количество выводов располагаются по центру платы, что позволяет значительно уменьшить длину печатных проводников.

Все элементы на плату устанавливаются  в ручную, причем зазор между элементами и платой должен быть не меньше чем 1 мм, ЭРЭ должны стоять без перекосов. Именно по этому нужно уделить большое значение формовке и подрезке выводов, которую осуществляют вручную при  помощи специальных инструментов и приспособлений, например кусачек, бокорезов.

  При формовке выводов интегральных микросхем радиус изгиба должен быть не меньше двойного диаметра  вывода. При обрезке выводов нужно учитывать, что за основания платы выводы должны выступать не менее чем  1 мм с каждой стороны, например, при толщине печатной платы 1 мм длина ножек должна быть не менее 3–4 мм. Для данного случая при толщине платы  1,5 мм длина выводов должна составлять 3,5-4,5 мм.

     Пайку элементов следует  производить с использованием  спиртоконифольного флюса марки КЭ и припоя марки ПОС - 61 с пониженной температурой плавления. Паяльник для монтажа и демонтажа элементов должен иметь мощность не более 40Вт. Чтобы не испортить микросхемы время пайки не должен превышать 3-4секунд. Повторная пайка может производиться не раньше, чем по истечению 4 минут. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчетный раздел.

4.1 Расчет электрических и конструктивных параметров элементов печатной платы.

Расчет электрических и конструктивных параметров включает в себя расчет диаметров монтажных и переходных отверстий, контактных площадок, ширины печатного проводника и падения напряжения на печатном проводнике.

При компоновке радиоэлектронной аппаратуры  должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость и  стабильность, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта.

Также необходимо учитывать  дополнительные требования: длина печатных проводников должна быть минимальна; количество пересечений печатных проводников должно быть минимально.

Диаметр монтажного отверстия  рассчитывается по формуле

        d_отв > d_в  + ∆ + 2h_г + δ_д ,                                                          

где d_в - диаметр вывода элемента, мм;

 ∆ - зазор между выводом  и монтажным отверстием, мм;

2h_г - толщина гальванически наращенной меди, мм;

 δ_д - погрешность диаметра отверстия.

Диаметр монтажного отверстия для PIC16F84A

d_отв = 0,5 + 0,5 + 0,05 = 1,05 мм                                       

Диаметр монтажного отверстия для  КИПД28Д – К 

d_отв = 0,6 + 0,5 + 0,05 = 1,15 мм                                           

Диаметр монтажного отверстия  для МЛТ

d_отв = 0,3 + 0,5 + 0,05 = 1,05 мм                                               

Диаметр монтажного отверстия для 78L05.

d_отв = 0,5 + 0,5 + 0,05 = 1,05 мм

Диаметр монтажного отверстия для К50-16

d_отв = 0,5 + 0,5 + 0,05 = 1,05 мм   

Диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле

           d_кп = d_отв + 2b + c,                                                                           

где d_отв – диаметр монтажного отверстия;

      b – минимально необходимая радиальная ширина кольца, мм

      с –  технологический коэффициент погрешности  производства, мм.

диаметр контактной площадки для PIC16F84A

            d_кп = 1,05 + 1,1 + 0,1 =2,25 мм                                          

диаметр контактной площадки для КИПД28Д – К 

            d_кп = 1,15 + 1,1 + 0,1 = 2,35 мм                                               

диаметр контактной площадки для МЛТ

            d_кп = 1,05 +1,1 + 0,1 = 2,25 мм                                  

диаметр контактной площадки для 78L05.

            d_кп = 1,05 + 1,1 + 0,1 = 2,25 мм                                           

диаметр контактной площадки для К50-16

            d_кп = 1,05 + 1,1 +0,1 = 2,25 мм  

Площадь печатной платы  рассчитывается по формуле

           S = S_общ * К + S_всп.з ,                                                            

где S_общ – общая площадь установленных на плате элементов, мм;

К – коэффициент площади  размещения элементов;

S_всп.з – площадь вспомогательных зон.

 

 

 

 

 

4.2 Расчет надежности

Расчет надежности выполняется  на этапе технического проекта, когда  основные схемотехнические и конструктивные проблемы решены, но имеется возможность изменить режим работы элементов. Расчеты выполняются для периода нормальной эксплуатации, когда интенсивность отказов постоянна и отказы являются случайными и независимыми.

Порядок расчета надежности:

- элементы системы разбить на группы с одинаковыми интенсивностями отказов;

-    посчитать  число элементов в каждой группе;

-    выписать из  справочника значение l_0i;

-  определить коэффициенты режимов в зависимости от коэффициентов нагрузки и температуры;

-    рассчитать  значение l_Эi с учетом коэффициентов;

-    рассчитать значение l_Эi • N_i;

-    рассчитать интенсивность  отказов всей системы l_С;

-    рассчитать среднюю  наработку до первого отказа  tcp;

-    рассчитать вероятность  безотказной работы P(t);

-    построить  график вероятности безотказной  работы. Расчет интенсивности отказа  каждой группы ЭРЭ производим  по формуле 

l_Э=l₀*Кэ*Кр                             

где l₀ - интенсивность отказов группы ЭРЭ без учета коэффициентов; Кэ — коэффициент эксплуатации; Кр - коэффициент режима.

Расчет интенсивности  отказа каждой группы ИМС производим по формуле:

l_Э=l₀*Кэ*Ксл                                  

где l₀ - интенсивность отказов группы ИМС без учета коэффициентов;

К_э - коэффициент эксплуатации;

К_сл- коэффициент режима. Расчет интенсивности отказов всей системы производим по формуле:

                                        

где l_эi- интенсивность отказов группы с учетом коэффициентов;

Ni – количество элементов в группе. Расчет средней наработки до первого отказа проводим по формуле:

                              tcp=   l / l*c.                                         

Таблица 1. Расчет надежности.

№ гр.	Обозначение элементов	Наименование элементов	Кол. Ni	l0*106 1/ч	Режимы работы					lэ 106 1/ч	lэi Ni  106 1/ч
					t°C	Кн	Кэ	Кр	Ксл
1	DD1	PIC16F84A	1	0,4	30	0,3	2,3	-	1,5	0,92	0,92
2	HL1 – HL8	КИПД28Д – К	8	0,6	30	0,3	2,3	0,25	-	0,345	0,345
3	R1…R10	МЛТ	10	0,06	30	0,3	2,3	0,35	-	0,048	0,48
4	С1…С6	К50-16	6	0,5	30	0,3	2,3	0,6	-	0,69	4,14
5	DА1	78L05	1	0,4	30	0,3	2,3	-	1,5	0,92	0,92
	Пайка	-	68	0,01	30	0,3	2,3	-	-	0,01	0,68

 

 

l = 7,5 – интенсивность отказов 0,68

l_с = 7,5*10^-6 1/ч

Тс = 1/l_с = 1/(7,5/10^-6)  = 133333

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2. Расчет P(t)

t	0	5213	20879	45632	70456	98523	133333
P(t)	1	0,963	0,86	0,713	0,591	0,479	0,368

 

 График вероятности  безотказной работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Технологический раздел

5.1 Описание метода изготовления печатной платы 

   Аддитивный метод

 Входной контроль  предназначен для проверки соответствия технологических и функциональных свойств материала на соответствии с требовании ТУ. Проводятся испытания на пробивку отверстий, штампуемость, наличие вздутия, расслоения. Операция механической обработки. Раскрой листового материала на заготовки, выполнение фиксирующих, технологических, переходных и монтажных отверстий и наличие чистового контура печатной платы. Заготовки имеют по периметру технологическое поле, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования детали в процессе изготовления ширина 10мм.  Специальная обработка диэлектрического материала при изготовлении однослойных  печатных плат (МПП) или печатных плат (ПП) аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения прочности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кислоте, а затем в плавиковой или в их смеси (5:1) при температуре 50... 60 °С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой сложный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажившееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость травления составляет 40 ...80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают. Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых композиций (акрилбутадиенстирольный каучук) достигается механической (гидроабразивной) или химической обработкой. Один из вариантов процесса химической подготовки, включающий набухание клеевой композиции и последующее вытравливание частиц каучука с поверхности, приведен в таблице составов растворов и режимов химической подготовки поверхности печатных плат, изготавливаемых аддитивным методам.

 

 

5.2 Выбор технологического оборудования и технологических режимов

 

Учитывая метод изготовления, проведем анализ и выбор применяемого оборудования, основных материалов и технологических изготовления печатной платы.

 

1. Входной контроль  нефольгированного огнестойкого  диэлектрика

          На этом этапе по ГОСТ 10316-78 контролируются технологические свойства материалов, проводятся испытания на пробивку отверстий, сверление отверстий, штампуемость, наличие вздутий и расслоений. Диэлектрик должен быть монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей, раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений.

 

2. Нарезка заготовок  и получение чистового контура  печатной платы 

Нарезка заготовок и  чистовая обработка контура печатной платы осуществляется на станке алмазной резки. Резка выполняется алмазным отрезным гальваническим кругом со скоростью 2400 – 4200 м/мин, а подача материала осуществляется со скоростью 3 – 6 м/мин.

 

3. Сверление отверстий  под металлизацию.

Учитывая то, что печатная плата имеет 5 класс точности сверление  отверстий под металлизацию сверление  должно происходить очень точным оборудованием – это сверлильном станке с ЧПУ ОФ-101. Максимальный размер обрабатываемых плат 250*250, имеются 4 шпинделя, скорость вращения которых 75 КГц. Точность позиционирования +0,01 мм и точность сверления +0,05 мм.

 

 

 

 

4. Очистка поверхности фольги

Обезжиривание осуществляется раствором, который состоит из тринатрийфосфата – 20-30 г/л, соды кальцинированной – 10-20 г/л и стекла натриевого – 3-5 г/л. Эти операции  проходят температуре 30-40˚С в течении 2-3 минут, в течении 0,5-3 минут  промывка водой, температура которой составляет 40-60˚С, а затем в течении 0,5-3 минут  плата промывается холодной проточной водой, температура которой составляет 15-25˚С. Сушка выполняется сжатым воздухом, температура которого составляет 15-25˚С и

продолжается 1-3 минуты.

 

5. Сенсибилизация и  активация поверхности

Сенсибилизация –  это процесс создания на поверхности  диэлектрика пленки, обеспечивающей восстановление ионов активатора стабилизации. Плату обрабатывают в растворе двухлористого  олова, концентрацией 5-10 г/л, и соляной кислоты, концентрацией 20-40 г/л, остальное – дистиллированная вода. Плата обрабатывается в данном растворе в течении 5-7 минут, после чего ее промывают холодной водой, температура которой составляет 15-25˚С. Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла. Активация проводится раствором, имеющим следующий состав: PdCl₂ – 0,8-1 г/л. После проведения процессов сенсибилизации и активации плату следует промыть холодной проточной водой, температура которой составляет 15-25˚С.

 

6. Химическая и предварительная  гальваническая металлизация

Для химическая металлизация используют раствор:

Медь сернокислая CuSO₄*5H₂O,    концентрацией 25-35

Медь сернокислая CuSO₄*5H₂O, концентрация 150-170

Гидрооксид натрия NaOH,  концентрация 40-50

Натрий углекислый Na₂CO_3, концентрация 25-35

  Формалин(40 %-ный) CHOH, мл/л,  концентрация  20-25

Тиосульфат натрия Na₂S₂O₃,  концентрация 0,002-0,003

Никель хлористый NiCl₂*12H₂O,  концентрация  2-3

Моющее средство “Прогресс”, концентрация  0,5-1

Предварительная гальваническая металлизация производится в гальванической ванне при температуре 20±5˚С, плотности тока

3-4 А/дм² . При этом скорость осаждения составляет 25- 30 мкм/ч.

 

7. Нанесение защитного  рисунка на печатную плату            

Для создания защитного рисунка используется метод фотопечати. В качестве фоторезиста используется жидкий негативный фоторезист ФП-383. Для проявления используем проявитель тринатрий фосфат 3 – 5%. После проявления оставшийся фоторезист должен быть твердым, блестящим, без каких – либо дефектов.

 

8. Основная гальваническая  металлизация

Основная гальваническая металлизация проводится в гальванической ванне с электролитом между анодами, выполненными из меди. В данном случае применяется сернокислый электролит с выравнивающей добавкой, состав которого: CuSO₄*5H₂O - 100-200 г/л, H₂SO₄ – 150-180 г/л, NaCl – 0,03-0,06 г/л, комплексная добавка – 1-3 мл/л.

 

9. Нанесение металлического  резиста

Нанесение металлического резиста осуществляется гальваническим методом. Аноды изготавливаются из сплава, содержащего 61% свинца и 39% олова. Если процесс ведется при комнатной температуре, плотности тока 1-2 А/дм² и используется электролит указанного состава: Sn²⁺ - 13-15 г/л, Pb²⁺ - 8-10 г/л, HBF₄ – 250-300 г/л, H₃BO₃ – 20-30 г/л, пептон -3-5 г/л, гидрохинон – 0,8-1 г/л. То осаждения будет происходить со скоростью 1 мкм/мин.

 

10. Удаление фоторезиста

Применяемый фоторезист необходимо удалить с помощью  ацетона. После удаления фоторезиста  плату необходимо промыть плату  вначале в горячей воде (40 - 60˚С), а затем в холодной проточной воде (15 - 25˚С).

 

11. Травление меди

Травление меди с пробельных мест происходит раствором хлорной  меди при травлении которым  боковое  подтравливание  не превышает 3-6 мкм. После травления печатную плату  необходимо промыть в холодной проточной воде, температура которой составляет 15-25˚С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

Выполнение  курсового проекта было проведено без отклонения от задания. Составлено описание схемы электрической принципиальной. Были приведены конструктивные особенности типовых элементов, сформулированы требования к проектированию печатной платы и  рассчитаны площадь и габаритные размеры сторон печатной платы.

 В расчетном  разделе проделан расчет электрических и конструктивных параметров элементов печатной платы. Значение электрических параметров соответствуют ГОСТ 23751-86. Так же был произведен расчет технологичности и надёжности конструкции.

В курсовом проекте  был разработан чертеж печатной платы, сборочный чертеж, составлена спецификация и разработана схема электрическая принципиальная. 

 

Литература:

1. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам.
2. ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры.
3. ГОСТ 3.1104-81. Общие требования к технологическим документам.
4. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкции.
5. ГОСТ 2.417-91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.
6. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А. В. Баюков, А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. – М.: Энэргоатомиздат, 1985г.
7. Резисторы: Справочник / В. В. Дубровский, Д. Н. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др.; Под ред. В. И. Четверткова и В. М. Терехова. – М.: Радио и связь, 1991г.
8. А. П. Ненашев Конструирование радио электрических средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. – М. :В ысшая школа, 1990г
9. Янишн А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. ЭВА Учебное пособие для Вузов М,: Радио и связь 1983г

Разработал				ККЭП  230101	Лист
Проверил	Козак Н. М.