Разработка конструкции системы видеонаблюдения "Циклоп"

Разработка конструкции системы видеонаблюдения "Циклоп"

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широко используются разнообразные охранные системы, системы видеонаблюдения и сигнализации, как на предприятиях, так и в быту. Практически в каждом подъезде установлены домофоны, во многих квартирах установлена сигнализация. На предприятиях охранные системы более сложные и надежные. Но в обоих случаях охранная система должна иметь высокое быстродействие, по возможности, обеспечивать возможность фиксации незаконного проникновения на охраняемую территорию злоумышленника на видеопленку либо на цифровой носитель информации, быть экономичной при потреблении ресурсов и дешевой. Автоматическая система видеонаблюдения «Циклоп» отвечает вышеперечисленным требованиям. При этом требование экономичности выполняется не только с точки зрения экономии электроэнергии. Данная система способна экономично использовать носитель информации, на который будет производиться запись, а так же она предусматривает полное отсутствие оператора. Обычные универсальные запоминающие пульты для радиоаппаратуры малопригодны, так как требуется определенная последовательность действий, которая зависит от внешнего управляющего сигнала.

«Циклоп» - устройство, предназначенное для дистанционного управления теле- и видеоаппаратурой в составе систем наблюдения. С помощью этого устройства можно автоматически включать видеоаппаратуру по заданной пользователем программе. На рисунке 1 представлена система видеонаблюдения, в состав которой входит устройство «Циклоп».

Рисунок 1 - Автоматическая система видеонаблюдения «Циклоп»:

а) - устройство «Циклоп»; б) – управляющий орган (датчик); в) – видеокамера; г) – видеомагнитофон; д) – телевизор

На рисунке показан один из способов включения «Циклопа» в систему видеонаблюдения. Данная система может быть упрощена или наоборот, содержать большее количество элементов. Управляющим органом может быть датчик движения или присутствия, квартирный звонок и т. д. Данная система может применяться как в жилых домах, так и в охранных системах на предприятиях.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ, ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

«ЦИКЛОП» представляет собой не­большой прибор с цифровым табло, тремя кнопками управления, имеющий окно ИК приемника и выносной ИК излучатель. Прибор можно размес­тить в любом удобном для пользовате­ля месте, а ИК излучатель крепят к сте­не или мебели напротив управляемого объекта.

Существует несколько способов кодирования информации для передачи по ИК каналу. Первый — высокочастотная модуляция. Сравни­тельно низкочастотной информацион­ной посылкой модулируют несущую ча­стоту, близкую к 43,5 кГц. Это позволяет отвязаться от постоянной составляю­щей инфракрасного фона помещения. Второй способ — команду представля­ют в виде кода "МАНЧЕСТЕР", который не имеет продолжительных нулевых или единичных состояний и поэтому хорошо защищен от помехи. Некоторые произ­водители для более экономного расхо­дования ресурса батареи питания пуль­та ДУ применяют способ однократной передачи кода. При нажатии на клавишу пульта сначала передается посылка с кодом команды, а затем следуют от­носительно короткие посылки с кодом удержания нажатой клавиши.

Задача устройства — принять и де­кодировать команды, записать их в энер­гонезависимую память, а затем, полу­чив сигнал извне, транслировать эти команды в определенной последова­тельности. Качество работы во многом зависит от точности приема команд.

С выхода модуля BL1 очищенная от постоянной составляю­щей инвертированная цифровая после­довательность поступает на вход Р3.2 микроконтроллера DD2.

Обработанная информация о приня­тых командах в специальной форме по­ступает на хранение в ПЗУ DS1. Сфор­мированная кодовая последователь­ность с выхода Р1.0 контроллера DD2 поступает на вход элемента DD1.4, ко­торый в паре с DD1.3 образует генера­тор импульсов с периодом повторения 27,2 мкс. Этот параметр необходимо выдерживать как можно точнее, по­скольку большинство однокристальных фотоприемников, бытовой аппаратуры для приема команд с пультов ДУ унифи­цированы и имеют одинаковые параме­тры несущей частоты.

С выхода элемента DD1.4 кодовая по­следовательность поступает на усили­тель тока — транзистор VT2. Нагрузкой транзистора служат два ИК диода - из­лучателя VD2 и VD3. Они и управляют самой видеоаппаратурой.

Устройство «ЦИКЛОП» имеет два универсальных входа. Вход 1 — с галь­ванической развязкой на оптроне U1 — рассчитан на входное постоян­ное напряжение 12 В, но если его под­ключить через гасящий конденсатор, то можно работать и от сети ~220 В (например, подключить квар­тирный звонок). Вход 2 — это вход триггера Шмитта, собранного на тран­зисторе VT1 и элементе DD1.2.

На этот вход можно подавать и 12 В, и какой-либо аналоговый сигнал с микро­фонного усилителя или аудиодомофона.

Сигналы с обоих входов проходят че­рез цифровой фильтр, коэффициент пе­редачи которого устанавливают про­граммно. Оба входа способны срабаты­вать от любого фронта импульса, что позволяет использовать устройство с различными датчиками.

Устройство собирается на печатной плате из двухсторонне фольгированного стеклотекстолита толщи­ной 1,5 мм.

Программа написана с учетом того, что частота задающего генератора — 24 МГц. Можно использовать кварцевый резонатор на другую часто­ту — от 10 МГц и более. Микроконтроллер DD2 (фирмы ATMEL) установлен в при­паянную к плате панель.

При программировании устройства соединительные проводники должны быть возможно короче, чтобы уменьшить влияние наводок. Пульт дистан­ционного управления следует разместить на расстоянии 10...60 см от устройства. В память устройства заносят команды с пульта управления телевизора или маг­нитофона. По команде с внешнего датчи­ка устройство выполнит заданную программу.

На панели управления расположены три кнопки и дисплей. Кнопками поль­зователь может выбирать разные вари­анты работы. Память устройства разби­та на 16 разделов (программ), каждая из которых может состоять из 16-ти ша­гов (команд управления аппаратурой).

Для нормальной и эффективной работы устройства в системе видео­наблюдения необходимо правильно ввести программу в память.

В устройстве предусмотрено пять режимов работы.

РЕЖИМ "PROGRAM" - ПРОГРАММИ­РОВАНИЕ.

Режим "PROGRAM" включают нажатием на кнопку SB1 "Mode". Дисплей высветит '00 (точка, стоящая впереди, указывает на включение программиро­вания). Если программы уже были вве­дены и какую-то из них надо откоррек­тировать, ее выбирают кнопками SB2 "<<" или SB3 ">>".

Символ в первом знакоместе таб­ло — номер набираемой программы в шестнадцатиричном коде (0 — первая, F — шестнадцатая), а во втором — поряд­ковый номер шага (команды) в програм­ме, также в шестнадцатиричном коде.

Обращаем внимание на тип используемого пульта управления. Дело в том, что в системах ДУ используют несколь­ко видов команд. Отличий в работе с те­левизором или видеомагнитофоном может быть совершенно не видно, од­нако в устройство «ЦИКЛОП» эти коман­ды вводятся по-разному. Для простых команд (без энергосбережения) все просто: одно нажатие — одна команда. При вводе команд другого вида нужно будет сделать три нажатия на одну и ту же кнопку пульта, чтобы «ЦИКЛОП» по­нял переданную команду. Разницу будет видно сразу по работе устройства. Пока команда достоверно не определена, пе­рехода на следующий шаг не будет!

Определив команду, устройство пере­ходит на следующий шаг программирова­ния — номер на дисплее увеличится на единицу. Сейчас можно ввести в програм­му время паузы между командами или следующую команду. Время паузы наби­рают кнопками "<<" или ">>", его мож­но изменять от 1 до 256 с. Каждое нажатие добавляет задержку на 1 с, общее время в секундах дисплей показывает в шест­надцатиричном коде. После каждого на­жатия на эти кнопки дисплей в течение приблизительно одной секунды индици­рует длительность задержки, которая бу­дет выполнена после только что задан­ной команды. По умолчанию она имеет минимально возможное значение — 1с.

После задания всех шагов програм­мы нажатием на кнопку SB1  "Mode" можно прервать программирование и кнопками SB2 и SB3 выбрать для ввода следующую программу. По­вторное нажатие на кнопку "Mode" вызовет переход устройства в режим "WORK" (об этом будет сказано ниже). Если при программировании вво­дится команда, уже введенная ранее, ей не отводится отдельное место в па­мяти, а в программу помещается лишь ее номер. Различить первичное и по­вторное введение какой-либо коман­ды можно следующим образом: при первичном вводе, когда устройст­во не идентифицирует ее ни с одной из команд, уже имеющихся в памяти, на индикаторе появляется точка во втором знакоместе дисплея ('0'0) и ос­тается до отпускания кнопки пульта; в том же случае, если вводимую ко­манду устройство находит среди уже сохраненных в памяти, точка во вто­ром знакоместе не появляется.

Эту особенность удобно использо­вать для определения достоверности захвата кода устройством. Если вы многократно вводите одну и ту же ко­манду и все попытки или некоторые из них, кроме первой, сопровождаются появлением точки во втором знакомес­те, значит, код определяется неуверен­но. Следует подобрать расстояние между устройством и пультом либо из­бавиться от излишнего инфракрасного фона (задернуть шторы, если на дворе ярко светит солнце).

РЕЖИМ "TEST".

Режим "TEST" предназначен для от­ладки и проверки программы. Он состо­ит из двух разделов: проверки команд и программ. Войти в эти режимы можно из режима программирования.

При нажатии одновременно на кнопки SB2 и SB1 дисплей покажет L0. Символ L означает проверку команды, а цифра 0 указывает ее номер — пер­вый. Выбрать проверяемую команду можно кнопками SB2 и SB3. При нажа­тии на кнопку SB1 устройство воспро­изведет выбранную команду.

При нажатии одновременно на кноп­ки SB3 и SB1 дисплей покажет НО. В этом режиме можно проверить целую программу. Выбрать проверяемую про­грамму можно кнопками SB2 и SB3. При нажатии на кнопку SB1 устройство воспроизведет выбранную программу. Таким образом можно проверить работу каждой отдельной команды и програм­мы в целом. В случае неработоспособ­ности хотя бы одной команды необходи­мо более внимательно перепрограмми­ровать устройство.

При нахождении ошибки в выполне­нии программы можно будет вернуться в режим "PROGRAM" и перепрограмми­ровать только ее.

Выйти из режима "TEST" можно, если снова нажать на те же кнопки, которые были нажаты при входе.

РЕЖИМ "WORK".

Режим "WORK" является основным. Пользователь может сам выбрать но­мер программы, записанной в память, по которой устройство будет работать.

Примеры показаний дисплея в режи­ме "WORK": мигающие символы 10 или 3- или 04. Это — режим ожидания им­пульса от любого входа. Первая цифра показывает номер программы, которая будет запускаться от входа 1, а вторая цифра — номер программы, которая бу­дет запускаться от входа 2. Если вместо цифры дисплей высвечивает прочерк, это значит, что соответствующий вход отключен и устройство не будет реагиро­вать на импульс. Когда на дисплее мига­ют два прочерка — отключены оба входа и «ЦИКЛОП» не будет выполнять ни одну программу. Выбрать программу для каж­дого входа можно кнопками SB2 и SB3.

Если в течение определенного вре­мени импульс на вход не поступает, дисплей выключается, а устройство продолжает работать в режиме "WORK" без индикации. Эта функция нужна для того, чтобы дисплей не привлекал из­лишнего внимания. Включение дисплея можно вызвать нажатием на кнопку SB2 или SB3. Временной интервал до вы­ключения дисплея устанавливается в параметрах устройства.

РЕЖИМ "ACTIVE".

Если устройство находится в режиме "WORK" и на любой из его входов, для ко­торого определена программа, поступа­ет импульс, оно переходит в режим "ACTIVE". Длительность импульса должна превышать некоторое значение (пара­метр Р0 или Р1 в разделе параметров). Это нужно для предотвращения ложных срабатываний устройства от коротких импульсов, которые могут появиться в результате проникновения помех. Сра­зу после перехода в режим "ACTIVE" ЦИК­ЛОП начинает выполнять программу, оп­ределенную для данного входа. Дисплей высвечивает специальный символ в виде трех горизонтальных линий и номер ко­манды, которая передается. В это время устройство не способно воспринимать нажатия на кнопки или повторные им­пульсы на вход. Закончив выполнять про­грамму, устройство вернется в режим "WORK".

РЕЖИМ "PARAMETER".

Этот режим необходим только в про­цессе программирования устройства. Войти в него можно из режима програм­мирования, нажав одновременно на кнопки SB2 и SB3.

Перечислим параметры, которые можно устанавливать в этом режиме:

Р0 — защитный интервал 1 -го канала (0 — FF) (1/100 с).

Р1 — защитный интервал 2-го канала (0 —FF) (1/100 с).

Р2 — число посылок в пачке (2—32).

РЗ — интервал между посылками (40—95 %).

Р4 — частота кварцевого резонато­ра, МГц.

Р5 — <зарезервировано>.

Р6 — номер программы 1-го входа.

Р7 — номер программы 2-го входа.

Р8 — время до гашения индикато­ров, с.

Lx — каждая команда.

Нх — каждая программа.

Параметры РО и Р1 задаются в со­тых долях секунды и, соответственно, могут принимать значения от 0,01 до 2,56 с. Задание параметров РО или Р1 равными нулю обеспечивает срабаты­вание устройства по первому измене­нию уровня сигнала. Активным уров­нем для входов является уровень, про­тивоположный тому, который имелся на входе в момент перехода устройст­ва в режим "WORK". Если необходимо на вход 2 подать переменное напряже­ние частотой 50 Гц, тогда параметр Р1 необходимо выставить равным нулю, так как при этом на входе будет пульси­рующее напряжение частотой 50 Гц и длительностью менее 0,01 с.

Параметр Р2 задает число посылок кода команды при выполнении уст­ройством каждого шага программы. Этот параметр нужен в ситуациях, ког­да управляемый объект неуверенно воспринимает посылаемые команды. Обычно бывает достаточно значения, равного 2—3.

Смысл параметра РЗ — интервал между посылками команд в пачке, вы­раженный в процентах от длины ко­манды (ее продолжительности во вре­мени). Введен он на всякий случай, так как "фирменный" интервал между командами с пульта не измеряется и не фиксируется в памяти.

Параметр Р4 изменяют в случае ис­пользования кварцевого резонатора с частотой, отличающейся от указанной на схеме. Используется этот параметр исключительно для корректной генера­ции временных интервалов между коман­дами и защитных интервалов. Не нужно забывать, что чем ниже тактовая частота, тем хуже точность записи и воспроизве­дения команд. По умолчанию задана час­тота кварцевого резонатора 24 МГц.

Параметры Р6 и Р7 — справочные, они отражают номера программ, привя­занных ко входам 1 и 2 соответственно. В режиме "PARAMETER" они не могут быть изменены.

Параметр Р8 определяет время в се­кундах между последним нажатием на кнопки и выключением дисплея.

В процессе программирования "ЦИКЛОП" может индицировать ошиб­ки. Почти все ошибки сбрасываются ав­томатически. Вот их описание:

Е1 — ошибка приема кода.

Е2 — слишком длинный код.

ЕЗ — слишком короткий код.

Е5 — переполнение памяти.

Е6 — неисправность памяти.

В случае переполнения памяти уст­ройства необходимо произвести операцию стирания. Для этого нужно войти в режим "PROGRAM" и нажать сразу все три кнопки. На дисплее появятся мигаю­щие символы в виде трех горизонтальных линий. Не отпуская кнопок, нужно дож­даться появления прочерков, при этом вся информация в памяти команд и про­грамм будет стерта. Параметры устрой­ства остаются без изменения [1].

Выбор элементной базы

В современных устройствах необходимо стараться применять элементную базу, характеризующуюся высокими функциональными возможностями, гибкостью использования, высокой надежностью и массогабаритными показателями. По возможности следует использовать технологию поверхностного монтажа, так как она способствует уменьшению габаритов печатных плат, а также упрощает технологию производства.

Инфракрасные диоды выбраны различных типов (АЛ156А и АЛ145А), так как длинна волны излучения пультов дистанционного управления различной радиоаппаратуры может различаться. Их основные характеристики: длинна волны излучения – от 820 до 900 нм у диода АЛ156А и от 900 до 1050 нм у диода АЛ145А; максимальный прямой ток - 100 мА; максимальный ток при работе в импульсном режиме – 1500 мА; прямое напряжение – 1,8 В; обратное напряжение – 1В; диапазон рабочих температур – от минус 60 до плюс 70°С. На рисунке 1.1 изображены диоды.

Рисунок 1.1 – Внешний вид диодов: а) АЛ145А; б) АЛ156А

Рисунок 1.2 – Посадочные места диодов: а) АЛ156А; б) АЛ145А

Модуль BL1 – стандартный однокристальный фотоприемник. Фотоприемник выбран типа SBX1483-52 фирмы SONY, устанавливается на корпус прибора.

Рисунок 1.3 – Посадочное место модуля SBX1483-52

Конденсаторы С1, С2, С5, С8, С9 и С11 керамические ЧИП конденсаторы фирмы «muRata», предназначены для поверхностного монтажа на печатные платы с последующей пайкой оплавлением, горячим воздухом или в инфракрасных печах. Используются  в электрических цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. Данный выбор обоснован стремлением уменьшения массогабаритных размеров конструкции.

Конденсаторы C2, С8 и С11 - GRM188R71H104K имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ – X7R – стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью; номинальное рабочее напряжение – 50 В; емкость – 0,1 мкФ; точность 10%; диапазон рабочих температур – от минус 55 до плюс 125°С.

Конденсаторы С1, С4 и С5 -  GRM1885C1H330J имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ – NPO – используются в прецизионных цепях, в рабочем диапазоне емкость практически не зависит от температуры, времени, напряжения и частоты; рабочее напряжение – 50 В; емкость - 33 пФ; точность - 5%; диапазон рабочих температур – от минус 55 до плюс 125°С.

Конденсатор С9 - GRM1885C1H221J имеет те же характеристики что и конденсаторы типа GRM1885C1H330J (емкость – 220 пФ) [2].

Рисунок 1.4 – Конденсаторы типоразмера 0603

Рисунок 1.5 – Посадочное место конденсаторов типоразмера 0603

Конденсаторы С3, С6, С10 – электролитические конденсаторы фирмы «BC components». Данный тип конденсаторов отличается меньшими габаритными размерами. Приведем основные технические характеристики данных конденсаторов: точность - 20%; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С; тангенс угла диэлектрических потерь – 0,18.

Конденсатор С7 – электролитический конденсатор фирмы «Chang», его технические характеристики аналогичны характеристикам конденсаторов фирмы «BC components» [2].

На рис. 1.6 показан внешний вид конденсаторов С3, С6, С7, С10, а в таблице 1.1 приведены их размеры.

Рисунок 1.6 – Внешний вид конденсаторов С3, С6, С7, С10

Рисунок 1.7 – Посадочное место конденсаторов С3, С6, С7, С10

Таблица 1.1 – Размеры конденсаторов С3, С6, С7, С10

Стабилизатор напряжения MC7805CT приведен на рисунке 1.8. Его основные технические характеристики: выходное напряжение – 5 В; выходной ток – 1,5 А; входное напряжение – 12 В [2].

Рисунок 1.8 – Размеры стабилизатора напряжения MC7805CT

Рисунок 1.9 – Посадочное место стабилизатора напряжения MC7805CT

Микросхема DD1 – К561ЛЕ5 – стандартная отечественная логика. Она содержит четыре элемента «2ИЛИ-НЕ», выполнена в корпусе DIP14. Рабочая температура окружающей среды – от минус 10 до плюс 70°С.

Рисунок 1.10 – Корпус микросхемы К561ЛЕ5

Рисунок 1.11 – Посадочное место микросхемы К561ЛЕ5

DD2 – микроконтроллер АТ89С52 фирмы «ATMEL». Выполнен в корпусе DIP40, тактовая частота – 24 МГц, рабочая температура окружающей среды – от минус 40 до плюс 85°С [2].

Рисунок 1.12 – Корпус микроконтроллера  АТ89С52

Рисунок 1.13 – Посадочное место микроконтроллера  АТ89С52

DS1 – микросхема памяти – 24СО8. Объем памяти 8 Кб, напряжение питания – 5В, интерфейс – I2C. Выполнена в корпусе SO-8, с шагом выводов 2,54 мм [2].

Рисунок 1.14 – Корпус микросхемы  24СО8

Рисунок 1.15 –Посадочное место микросхемы  24СО8

HG1 – цифровой сегментный индикатор DA56-11EWA фирмы «Kingbright» (рис. 1.16). Высота знака – 14,2 мм; подключение – общий анод; количество разрядов – 2; яркость свечения – 8 мКд; цвет свечения – красный; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С [2].

Рисунок 1.16 – Цифровой сегментный индикатор DA56-11EWA

Рисунок 1.17 – Посадочное место индикатора DA56-11EWA

Индуктивность L1 – ЧИП дроссель CM322522-101KL фирмы «BOURNS» - проволочный, намотка на ферритовом сердечнике, изолированные. Типоразмер – 1206; габариты 3,2×2,5×2,2; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 100°С [2].

Рисунок 1.18 – Посадочное место дросселя CM322522-101KL

В качестве резисторов выбираем толстопленочные чип резисторы типа РН1 - 12, (производство фирмы «muRata») которые предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов для поверхностного монтажа. Приведем их основные технические характеристики: номинальная мощность – 0,125 Вт; типоразмер – 1206; точность - 5%; рабочее напряжение – до 200 В; диапазон рабочих температур – от минус 55 до плюс 125°С. На рис. 1.19 изображен резистор типа РН1 – 12 [2].

Рисунок 1.19 – Внешний вид резистора РН1 – 12

Рисунок 1.20 – Посадочное место резистора РН1 – 12

U1 – оптопара отечественного производства – АОТ128А (рис. 1.21). Число каналов – 1; напряжение пробоя изоляции – 1500 В; сопротивление изоляции – 100 ГОм; диапазон рабочих температур - от минус 45 до плюс 85°С [2].

Рисунок 1.21 – Оптопара АОТ128А

Рисунок 1.22 – Посадочное место оптопары АОТ128А

VD1 – стабилитрон BZX84C8V2 фирмы «General Semiconductor» (рис. 1.23). Напряжение стабилизации – 8,2 В; мощность рассеивания – 300 мВт; тип корпуса SOT – 23; диапазон рабочих температур - от минус 55 до плюс 125°С. Катодом является вывод 2, а анодом – 3 [2].

Рисунок 1.23 – Стабилитрон BZX84C8V2

Рисунок 1.24 – Посадочное место стабилитрона BZX84C8V2

Транзисторы VT1 и VT2 – КТ315Б и КТ972А соответственно, изображены на рисунке 1.12.

Рисунок 1.25 – Транзисторы: а) КТ315Б, б) КТ972А

Рисунок 1.26 – Посадочные места транзисторов: а) КТ972А, б) КТ315Б

Кварцевый резонатор ZQ1 - HC-49S (рис. 1.27) рассчитан на рабочую частоту 24 МГц; диапазон рабочих температур - от минус 10 до плюс 70°С. [2].

Рисунок 1.27 – Кварцевый резонатор HC-49S

Рисунок 1.28 – Посадочное место кварцевого резонатора HC-49S

В качестве разъема питания используется разъем DJK-02А гнездо 2,0 мм фирмы TYCO Electronics. Его основные технические характеристики: сопротивление контактов от 10 до 20 мОм; сопротивление изоляции – 50 Мом; рабочий диапазон температур от минус 55 до плюс 105°С [2].

Рисунок 1.29 – Разъем DJK-02А

Рисунок 1.30 – Посадочное место под разъем DJK-02А

Разъемы для коммутации датчиков и выносных светодиодов MDN-4FR фирмы TYCO Electronics (MiniDIN-4 розетка) и MND-4M (MiniDIN-4 вилка), количество контактов 4. Технические характеристики разъема: максимальный ток 1А; максимальное напряжение 30 В; сопротивление изоляции 500 Мом; диапазон рабочих температур от минус 55 до плюс 105°С [2].

Рисунок 1.31 – Разъем: MDN-4FR (розетка)

Рисунок 1.32 – Посадочное место под разъем MDN-4FR

Таблица 1.2 – Сводная таблица элементов

2 РАСШИРЕНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРИБОР«ЦИКЛОП»

1.  Наименование изделия: блок управления «Циклоп».

2.                 Предназначен для автоматического управления системы видеонаблюдения.

3.                 Прибор относится к группе наземной переносной РЭА. Габаритные размеры: не более 200´150´100 мм. Масса не более 1 кг. Конструкция прибора должна предусматривать возможность программирования с пульта дистанционного управления, а также возможность подключения излучателей для управления РЭА.

4.                 Категория размещения – 4 (для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, отсутствие прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра песка и пыли, отсутствие конденсации влаги).

5.                 Вариант исполнения – ТМ (для макроклиматического района с тропическим морским климатом).

6.                 Температура внешней среды может изменяться от 00С до 450С. Относительная влажность воздзуха до 90% при температуре окружающей среды +350С.

7.                 Программа выпуска – 1000 штук/год.

8.                 Среднее время наработки на отказ – не менее 30 тыс. ч. ЗИП не предусматриваются.

9.                 Материал корпуса – силумин АЛ34 (ВАЛ5), ГОСТ 2685 – 75 [4].

10.            Гарантийный срок эксплуатации – 1 год.

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ

Корпус прибора должен обеспечивать жесткое закрепление печатной платы и элементов объемного монтажа, защиту платы и ЭРЭ от внешних климатических и механических воздействий. Кроме того, корпус должен быть технологичен, экономически выгоден, обеспечивать требования ремонтопригодности и удобства в эксплуатации.

Прибор предполагает использование в условиях тропического морского климата, это говорит о том, что возможно воздействие влаги и вредных коррозионных веществ на элементы конструкции. Материал корпуса – cплав АЛ34, ГОСТ 2685 – 75, предназначен для литья крупных корпусных деталей, сложных по конфигурации. Сплав АЛ34 является сплавом на основе Al-Si (силумин) отличается высокими литейными свойствами и герметичностью изготовленных отливок. У силуминов удовлетворительная коррозионная стойкость. Обрабатываемость резанием, в термически обработанном состоянии — удовлетворительная. Все элементы корпуса изготавливаются литьем под давлением. После литья поверхности, требующие дополнительной обработки, обрабатывают шлифованием. На основании корпуса создается ступенька, с которой будет контактировать медный островок на плате – теплоотвод для стабилизатора напряжения [4].

Для обеспечения герметичности корпуса между его основанием и крышкой предусмотрена уплотнительная прокладка из резины СКБ ГОСТ 2915-75 [5] (синтетический каучук бутадиеновый). Данный вид герметизации выбран т. к. необходимо создать разборную конструкцию, а герметизация пайкой и сваркой не обеспечивает данного требования. Перед установкой платы в корпус необходимо одеть на разъемы, фотоприемник и индикатор  прокладки (их чертежи приведены в приложении Д).

Для улучшения коррозионной стойкости и придания корпусу удовлетворительных декоративных свойств на него необходимо нанести  покрытия. Для этих целей используется покрытие из 2-х слоев:

- грунтовка ЗП-09Т ТУ 6-10-1155-76 цвет желтый. Матовое, твердое, механически прочное, эластичное покрытие. Назначение - самостоятельное покрытие для защиты от коррозии металлических деталей при временном хранении и при транспортировке. Температурный диапазон применения -  от минус 60 до плюс 150°С. Толщина слоя – от 15 до 20 мкм.

- краска П-ЗП-219 ТУ 6-10-1597-76 цвет белый. Ровное, однородное покрытие, обладает защитно-декоративными свойствами. Назначение: изделия из стали, магния, алюминия и его сплавов, электробытовые машины и приборы. Температурный диапазон применения – от минус 60 до плюс 100°С.  Толщина слоя – от 50 до 80 мкм.

Выбираем коробчатый тип корпуса. Корпус состоит из двух частей: несущей конструкции  (основания) и верхней крышки. На основании корпуса создается прижимная ступенька для контакта с островком меди – теплоотводом. Кнопки SB1 – SB2 монтируются в отверстия в корпусе, диаметр отверстий определяется исходя из крепежных параметров кнопки. После сверления отверстий необходимо произвести удаление заусенцев. Надписи на лицевой панели маркировать как указано на рисунке 3.1 краской БМ черной, ТУ029-02-859-78. Шрифт 5 по ГОСТ 2.304-81, тип А без наклона.

Рисунок 3.1 – Лицевая панель

Надписи на задней стенке маркировать как показано на рисунке 3.2 таким же образом, как и лицевую панель.

Рисунок 3.2 – Задняя стенка

Размеры корпуса – 105х150х30 мм. Размер 105 мм обусловлен габаритами платы, т.к. на краях установлены разъемы и фотоприемник которые должны быть доступны для коммутации. Размер 150 мм получен путем сложения размера платы (100 мм) и посадочного места для кнопок. Расположение корпуса – вертикальное (данное расположение улучшает устойчивость корпуса), обусловлено расположением платы.  Плата устанавливается вертикально, табло индикатора должно быть направлено вверх. Корпус изготавливается без перфорационных отверстий, т.к. мощность, потребляемая устройством мала. К тому же, дополнительные отверстия способствуют лучшему проникновению в корпус агрессивных веществ, пыли и влаги, что в условиях тропического морского климата будет недопустимо.

Способ охлаждения в корпусе — естественный воздушный. В применении устройств амортизации нет необходимости, так как не предполагается, что разрабатываемое устройство будет подвергаться значительным механическим нагрузкам во время эксплуатации.

Плата крепится к основанию на стойки винтами М3-6g×10 ГОСТ1476-84 [4]. Затем в основание корпуса вставляются резиновые вставки, ложится резиновая прокладка, а затем устанавливается крышка. Перед установкой крышки на корпус необходимо установить на ее кнопки, а затем произвести распайку соединительных проводников. В качестве соединительных проводников используется провод МГШВ 0,12 ГОСТ 10349 – 79 [6].  

Материл, из которого изготавливается печатная плата – стеклотекстолит, марка СФ-2-20Г-1,5 ГОСТ 103160 – 78 [6]. Метод изготовления печатной платы - комбинированный позитивный, так как необходимы металлизированные отверстия. Использование этого метода дает возможность выполнить печатный монтаж с высокой разрешающей способностью. Рисунок формируется путем фотолитографии.

Использование ЧИП элементов для поверхностного монтажа снижает площадь печатной платы. Пайка установленных на плате поверхностно-монтируемых элементов ведется методом оплавления в печи, остальных (компоненты, монтируемые в отверстия) – индивидуальной пайкой паяльником. Сегментный индикатор и фотоприемник устанавливаются на плату с одной стороны, а все остальные компоненты с другой. Выводы фотоприемника формуются таким образом, что бы его корпус лежал на плате, а лицевая сторона не выступала за пределы платы.

Травление платы осуществляется согласно чертежам ПП, островок меди, создаваемый в области стабилизатора напряжения является теплоотводом. После травления платы необходимо провести ее лужение припоем ПОС 61 ГОСТ 21931 – 76 [6]. При установке стабилизатора его необходимо приклеить к островку меди клеем 88Н ТУ 38-105-1061-76. Затем производится покрытие платы лаком УР – 231 ТУ 6-10-863-76 (бесцветный) для улучшения коррозионной стойкости элементов монтажа. Необходимо учесть то, что попадание лака на медный теплоотвод недопустимо, т. к. это ухудшит его теплопроводящие свойства.

Для соединения прибора с датчиком используется кабель типа STP2S – экранированная витая пара. Количество пар – 2. Это дает возможность не меняя кабель, при выходе из строя рабочей витой пары, заменить ее на резервную. Экранированная витая пара имеет защиту от электромагнитных помех и обеспечивает высокое качество передачи данных. Этот же кабель используется и для связи прибора со светодиодами.

Надписи, поясняющие назначения разъемов и кнопок выполнены краской ЧМ, черной ТУ 029-02-859-78. Надписи наносятся непосредственно над элементами управления или под элементами коммутации.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

Исходные данные для расчета:

К - коэффициент заполнения, К = 2…3, принимаем К = 3;

Суммарная площадь занимаемая радиоэлементами на плате (таблица 1.2), SΣ = 3500 мм2;

 - суммарный объем всех ЭРИ, установленных на плате (таблица 1.2), ;

 - суммарная масса всех ЭРИ, установленных на плате, (таблица 1.2), ;

Находим общую площадь платы:

                         мм2,                                                         (4.1)

 мм2.

Согласно ГОСТ 10317-79 принимаем размеры платы 100x100 мм.

Коэффициент заполнения устройства по объему:

                                         ,                                             (4.2)

где  - объем проектируемого устройства, мм3 (габаритные размеры корпуса 150´105´30 мм3 определены в п.3 Разработка конструкции изделия);

                                        .

Объемная плотность устройства:

                                ,                                                         (4.3)

                                      (г/мм3).

4.2 Расчёт элементов печатного монтажа

Выбирается двусторонняя печатная плата с металлизацией сквозных отверстий из СФ-2-20Г-1,5 ГОСТ 10316-78 толщиной 1,5 мм (толщина фольги – 0,020 мм). ДПП с металлизацией переходных отверстий отличается высокой трассировочной способностью, обеспечивает высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления, она допускает монтаж элементов на поверхности и является наиболее распространенной в производстве радиоэлектронных устройств.

Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы. В первую очередь это относится к минимальной ширине проводников, минимальному зазору между элементами проводящего рисунка  и к ряду других параметров.

По ГОСТ 23.751-86 предусматривается пять классов точности печатных плат, которые обусловлены уровнем технологического оснащения производства. Выбираем 3-ий класс точности ОСТ 4.010.022— 85. Метод изготовления печатной платы – комбинированный [7].

Диаметры выводов для ZQ1, монтажа проводов для кнопок и для переходных отверстий равны 0,4 мм – 1-я группа; для элементов BL1, DD1, DD2, HG1, U1, C3, C6, C7, C10  и VD2 равны 0,6 мм – 2-я группа; для элементов DA1, VD3, VT1, VT2, SX1-SX3 – 1,1 мм – 3-я группа; для элемента SX4 – 2,6 мм – 4-я группа. Произведем расчет печатного монтажа с учетом созданных групп.

Расчет печатного монтажа состоит из трех этапов: расчет по постоянному и переменному току и кон­структивно-технологический.

Исходные данные для расчёта:

1.                 Imax — максимальный постоянный ток, протекающий в провод­никах (определяется из анализа электрической схемы),  Imax = 0,25  A;

2.                 Толщина фольги, t = 20  мкм;

3.                 Напряжение источника питания, Uип = 12  В;

4.                 Длина проводника, l = 0,04  м;

5.                 Допустимая плотность тока, jдоп = 75 А/мм2;

6.                 Удельное объемное сопротивление ρ = 0,0175 Ом·мм2/м;

7.                 Способ изготовления печатного проводника: комбинированный позитивный;

         Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводни­ка по постоянному току для цепей питания и заземления:

                                       ,                                                 (4.4)

где  bmin1 - минимальная ширина печатного проводника, мм;

        jдоп - допустимая плотность тока, А/мм2;

          t – толщина проводника, мм;

           мм.

  Определяем  минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

                                        ,                                            (4.5)

где ρ — удельное объемное сопротивление [7], Ом·мм2/м;

       l — длина проводника, м;

       Uдоп— допустимое падение напряжения, определя­ется из анализа электрической схемы. Допустимое падение напря­жения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем.

  мм.

Определяем  номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

                    ,                                                  (4.6)

где dэ — максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

 Δdн.о — нижнее предельное отклонение от номинального диаметра       монтажного отверстия, Δdн.о = 0,1  мм;

 r — разница между минималь­ным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах от 0,1  до 0,4 мм. Примем r = 0,1  мм.

d1 = 0,4+0,1+0,1 = 0,6  мм;

d2 = 0,6+0,1+0,1 = 0,8  мм;

d3 = 1,1+0,1+0,1 = 1,3  мм;

d4 = 2,6+0,1+0,1 = 2,8  мм;

Рассчитанные значе­ния d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Принимаем для выводов 1-й группы d1 = 0,6  мм; для второй - d2 = 0,8  мм; для третей d3 = 1,3 мм; для четвертой d4=2,8мм.

Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, мм:

      ,                                    (4.7)

где t — толщина фольги, мм; D1min— минимальный эффективный      диаметр площадки, мм:

,                      (4.8)

где bм — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, [7],  bм=0,035мм;

δd и δр — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, [7], δd=0,08мм и δр=0,20мм;

 dmax — максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

     ,                                  (4.9)

где Δd — допуск на отверстие, мм, [7], Δd=0.05мм

Для 1-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 2-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 3-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Для 4-й группы:

   мм;

   мм;

 мм.

Максимальный диаметр контактной площадки Dmax, мм:

       ,                                 (4.10)

Для 1-й группы:

мм.

Для 2-й группы:

мм.

Для 3-й группы:

мм.

Для 4-й группы:

мм.

Определяем ширину bmin3, проводников при изготовлении комбинированным позитивным методом, мм:

,                                   (4.11)

где b1min — минимальная эффективная ширина проводника b1min=0,18 мм для плат 3-го класса точности.

   мм.

Принимаем bmin = max{bmin1, bmin2, bmin3} = 0,25  мм

Максимальная ширина проводников, мм:

                                   (4.12)

                                      мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм:

,               (4.13)

где L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм, L0 = 4 мм;

 — допуск на расположение проводников, мм, =0,05.

мм

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:

,                              (4.14)

мм

Минимальное расстояние между двумя проводниками, мм:

,                                  (4.15)

мм.

Контактные площадки для поверхностно монтируемых элементов выбираются исходя из их установочных размеров. Для резисторов размеры контактных площадок 0,8×2 мм; для элемента DS1- 1,6×3 мм; для VD1 - 0,9×0,9 мм; для конденсаторов С1, С2, С4, С5, С8, С9 - 1,2×0,8 мм; для дросселя 1×3 мм.

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъ­являемым к платам 3-го класса точности. Имеем диаметр отверстия/диаметр контактной площадки (мм) для элементов 1-й группы  0,6/1,5; для элементов 2-й группы – 0,8/1,7; для элементов 3-й группы – 1,3/2,2; для элементов 4-й группы – 2,8/3,6. Принимаем ширину печатного проводника равной 0,3 мм, минимальные расстояния между: проводником и контактной площадкой – 0,75 мм; двумя контактными площадками - 0,2 мм; двумя проводниками - 0,35мм.

4.3 Расчет теплового режима

Исходные данные.

Длина блока L1,м - 0,105;

Ширина блока L2, м – 0,15,;

Высота блока L3,м - 0,3;

Коэффициент заполнения Kз - 0,054;

Мощность расеиваемая в блоке Pз, Вт – 5;

Давление среды H1i=H2i, мм.рт.ст - 770;

Мощность рассеевания элементов Pэл., Вт - 3,5;

Максимально допустимая температура тепловыделяющего элемента (DA1) Тэ.эл1., К – 358;

Максимально допустимая  температура элемента (ZQ1) Тэ.эл2., К – 343;

Максимально допустимая температура для материала корпуса Тк1, К -  473;

Температура среды Тв., К – 323.

  — Рассчитывается  поверхность  корпуса  блока:

                                м2,                                 (4.16)     где   и   - горизонтальные  размеры  корпуса  аппарата, м.

         - вертикальный  размер, м.

          м2.

   — Определяется  условная  поверхность  нагретой  зоны:

                          м2,                                   (4.17)

где  - коэффициент  заполнения  корпуса  аппарата  по  объему,

   — Определяется  удельная  мощность  корпуса  блока:

                                  Вт/ м2 ,                                                      (4.18)

где  Р - мощность,  рассеиваемая  в  блоке,  Вт.

  Вт/ м2

   — Определяется  удельная  мощность  нагретой  зоны:

                        Вт/ м2,                                                                (4.19)

  Вт/ м2.

    — Находится  коэффициент    в  зависимости  от  удельной  мощности    корпуса  блока:

      ,                      (4.20)

   — Находится  коэффициент    в  зависимости  от  удельной  мощности   нагретой  зоны:

            ,                   (4.21)

   — Находится  коэффициент    в  зависимости  от  давления  среды  вне  корпуса  блока  :

 ,                                                          (4.22)

где  - давление  окружающей  среды  в  Па.

.

   — Находится  коэффициент    в  зависимости  от  давления  среды  внутри корпуса  блока  :

               ,                                               (4.23)

где  - давление  внутри  корпуса  аппарата  в  Па.

.

   — Определяется  перегрев  корпуса  блока:

                   K,                                                                     (4.24)

  К.

   — Рассчитывается  перегрев  нагретой  зоны:

                   К,                                              (4.25)

  К.

   — Определяется  средний  перегрев  воздуха  в  блоке:

                    К,                                                      (4.26)

  К.

   — Определяется  удельная  мощность  элемента:

                                      Вт/,                                      (4.27)

где   - мощность,  рассеиваемая  теплонагруженным  элементом (узлом),      температуру  которого  требуется  определить, Вт;

 площадь поверхности элемента (вместе с радиатором),  омываемая  воздухом, . Т. к. в данном случае радиатором будет являться корпус блока, то за  принимаем площадь корпуса равную Sк .

  Вт/ м2.

   — Рассчитывается  перегрев  поверхности  элемента:

                     К,                                        (4.28)

    К.

   — Рассчитывается  перегрев  среды,  окружающей  элемент:

  К,                                                         (4.29)

  К.

   — Определяется  температура  корпуса  блока:

                  K,                                                            (4.30)

где  - температура  среды, окружающей  блок , К.

   К.

   — Определяется  температура  нагретой  зоны:      

 , K,                                                                                    (4.31)

       .

   — Находится  температура  поверхности  элемента:

                 К,                                                                        (4.32)

            К.

   — Находится  средняя  температура  воздуха  в  блоке:

                K,                                                                   (4.33)

     К.

   — Находится  температура  среды,  окружающей  тепловыделяющий элемент:

   К,                                                                             (4.34)

                    К.        

При сравнении расчётных данных с необходимыми условиями:                Тэ.эл 1> Тэ.эл2 > Т в (343>358 > 331,7 K),

Тэ.эл 1> Тэ.эл2 > Т эс(343>358 > 330,7 K),

Тэ.эл 1> Тэ.эл2 > Т з (343>358 > 338,5 K),

Тк1 > Tк (473>326,9 К).

Подтверждается, что тепловой режим  блока соблюдается.

4.4 Расчет надежности

Исходными данными для данного расчета является схема электрическая принципиальная устройства «Циклоп» ПАЛ.437291.002.Э3, а также перечень элементов.

Время наработки на отказ tз = 30000 ч.

Коэффициенты электрической нагрузки элементов РЭУ:

Активные: 0,6

Резисторы: 0,7

Конденсаторы: 0,8

Другие: 0,8

В данном расчете учитываются электрический режим и условия эксплуатации элементов, кроме того, принимаются во внимание конструктивные элементы устройства.

1. Используя справочные данные  [8], определяем поправочные коэффициенты (учитывающие влияние температуры и коэффициента нагрузки-α1,2; влияние механических воздействий- α3; влияние относительной влажности- α4; влияние атмосферного давления-  α5;   вносим их в таблицу. Подсчитываем суммарный поправочный коэффициент:

                   αΣ = α1,2 ∙ α3∙ α4 ∙ α5,                                                      (4.35)

Результаты расчета занесены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 – Суммарный поправочный коэффициент

Элемент

Коэффициенты

αΣ

α1,2

α3

α4

α5

Конденсатор

0,5

1,07

1

1

0,535

Конденсатор электролитический полярный

0,9

1,07

1

1

0,963

Кнопка

1,3

1,07

1

1

1,391

Фотоприемник

0,7

1,07

1

1

0,749

Резистор

0,9

1,07

1

1

0,963

Стабилизатор напряжения

0,8

1,07

1

1

0,856

Микросхема

0,8

1,07

1

1

0,856

Стабилитрон

0,9

1,07

1

1

0,963

Индикатор сегментный

0,8

1,07

1

1

0,856

Транзистор кремниевый

0,7

1,07

1

1

0,749

Дроссель

0,5

1,07

1

1

0,535

Разъем

1,2

1,07

1

1

1,284

Оптопара

0,8

1,07

1

1

0,856

Резонатор

0,5

1,07

1

1

0,535

Светодиод

0,9

1,07

1

1

0,963

Провод монтажный

0,8

1,07

1

1

0,856

Соединение пайкой

0,7

1,07

1

1

0,749

Плата печтная

0,5

1,07

1

1

0,535