Частотомер многофункциональный на однокристальном микроконтроллере АТ89С2051 (стр. 3 из 6)
4 Аналитическое обоснование принятых конструктивных решений частотомера
4.1 Расчет частоты собственных колебаний печатной платы (ПП)
Плата закреплена в четырех точках по углам. Размер печатной платы 95х85(мм). Расчет частоты собственных колебаний ПП выполняется по формуле 4.1:
, (4.1) 
, (4.2)где: D – цилиндрическая жесткость платы
n, m=1 – произвольные целые числа, определяющие основной вид колебаний
Е=2,1×1010(Н\м2) – модуль упругости 1го рода материала платы
r=1,6×103(кг\м3) – удельная плотность материала платы
а=95(мм) – длина платы
b=85(мм) – ширина платы
D=1,5(мм) – толщина платы
m=0,25 – коэффициент Пуансона
Подставляя коэффициенты в формулы 4.1 и 4.2, находим частоту собственных колебаний ПП:
Таким образом, частота собственных колебаний платы составила 76,038(кГц). Определим коэффициент динамичности h на частоте f=1(кГц), h - показывает, во сколько раз увеличится деформация (прогиб) платы при действии синусоидальной вибрационной нагрузки f, по сравнению с деформацией, обусловленной статической нагрузкой (т. е. деформацией за счет силы тяжести элементов расположенных на плате).
, (4.3)4.2 Оценка прочности и жесткости элементов конструкции при действии статических нагрузок
Статические нагрузки обусловлены непосредственным действием сил тяжести и реакции опор. Для решения задачи выбираем систему координат: OXY – параллельна основанию платы и проходит через середину её толщины, начало координат выбирается в центре платы, OZ – направлено вертикально вниз. Ось OX – параллельна большей стороне а=95(мм), меньшая сторона b=85(мм). Закрепление платы соответствует жесткому закреплению всех сторон платы.
Находим величину удельной статической нагрузки:
, (4.4)где: miэ, mпл – соответственно массы всех элементов и узлов размещенных на плате, и масса платы (кг)
S – площадь поверхности платы (м2)
Находим изгибающий момент вокруг оси ОУ – Мх, приходящийся на единицу длины стороны b с коэффициентом k1=0,025 – используется для случая жесткого закрепления четырех сторон ПП:
Мх=k1×qст×b2=0.025×280.619×0.0852=0.051, (4.5)
Находим изгибающий момент вокруг оси ОХ – Му, приходящийся на единицу длины стороны а с коэффициентом k2=0,022 – используется для случая жесткого закрепления четырех сторон ПП:
Му=k2×qст×а2=0.022×280.619×0.0952=0.056, (4.6)
По максимальным значениям Мх и Му определяем, максимальное нормальное напряжение в сечении, перпендикулярном оси ОХ и ОУ в начале координат:
, (4.7) 
, (4.8)Тангенциальные напряжения, действующие в этих сечениях, по величине значительно меньше sхmax и sуmax, и их можно не учитывать.
Рассчитываем максимальную деформацию прогиба платы:
, (4.9)где: k3=0,017 – коэффициент, зависящий от отношения сторон платы и способа закрепления Е=2,1×1010(Н\м2) – модуль упругости 1го рода материала платы
Рассчитали фактические значения напряжений и деформаций. Теперь сравним их с допустимыми значениями. Которые рассчитываются по формуле 4.10:
, (4.10)где: sВ=3,1×108(Н\м2) – временное сопротивление
Кпр=4 – коэффициент запаса прочности для статических нагрузок
Определяем допустимую величину деформации:
[h]=0.25×D=0.25×0.0015=0.000375 (4.11)
Фактическая величина деформации h=0,00032 меньше допустимой [h]=0,000375.
Решим задачу синтеза, т. е. определение необходимой толщины сечения платы. Из условия обеспечения прочности можно использовать формулу 4.12:
, (4.12)Для нахождения толщины сечения, из условий обеспечения требуемой жесткости, воспользуемся формулой 4.13:
, (4.13)По результатам расчета определили, что фактические значения прочности и жесткости элементов конструкции при действии статических нагрузок меньше допустимых значений этих нагрузок, и соответствую т выбранной конструкции, и выбранным элементам конструкции.
5. Разработка конструктивной документации с применением САПР
В настоящее время существует множество программ для разработки конструкторской документации, такие как AutoCad, Pcad, Smart Artwork, Or-Cad и другие. В данном курсовом проекте использовались программы Auto-Cad и OrCad так как, на мой взгляд, они наиболее просты в эксплуатации и решают все поставленные задачи. Программа OrCad служит для проектирования печатных плат, работа с которой будет изложена в последующих пунктах, а программа "AutoCad 2000" служит для реализации конструкторских решений.
5.1 Разработка печатной платы в САПР "OrCad 9.2"
В данной программе мы использовали две подпрограммы OrCAD Capture, и OrCad Layot.
5.1.1 Создание нового проекта
Проекты, созданные с помощью программы OrCAD Capture, заносятся в файлы с расширением “.opj”. По терминологии, принятой в программе, проекты называется Project. Которые содержат ссылки на имена всех используемых файлов: файлов отдельных схем (*.dsn, по принятой терминологии файлы схем называются Design), библиотек, текстовых VHDL-файлов, файлов отчетов о проекте. В файле проекта могут содержаться ссылки на одну или несколько папок, и папки изображаются в окне менеджера проектов, ассоциируемых с файлами принципиальных схем. Папка принципиальной схемы содержит одну или несколько страниц схемы. Файл схемы содержит также Design cahe — кэш проекта, который содержит копии символов компонентов, используемых в схеме. Проект может содержать ссылки на несколько библиотек. Однако он может иметь только одну схему (файл с расширением имени .dsn). Можно создать новый проект и затем создать новые схемы, библиотеки и VHDL-файлы. Для создания нового проекта выполняется команда FiIe>New Project, после чего в открывшемся диалоговом окне на строке Name указывается имя проекта, а на строке Location — имя подкаталога, где его файл должен быть расположен (при этом для просмотра файловой структуры удобно пользоваться кнопкой Browse). Далее в средней части этого окна выбирается тип проекта. Analog or Mixed-Signal Circuit — аналоговые или смешанные аналого-цифровые устройства, моделируемые с помощью программы PSpice (возможна дальнейшая разработка печатной платы с помощью OrCAD Layout). Библиотеки символов, используемых в проекте, указываются под управлением Мастера создания проекта. По команде Design Properties или Schematic Page Properties задаются параметры индивидуальной текущей схемы. В появившемся окне можно выбирать требуемую систему измерений, а также выбрать формат листа либо поставить размеры, которые необходимы.
5.1.2 Создание схемы
Библиотеки программы Capture содержат в себе символы компонентов, источников питания и «земли». Они размещаются на схеме по команде: Place>Part, активизируемой также нажатием на пиктограмму меню инструментов. В диалоговом окне этой команды сначала в списке Libraries выбирается имя одной или нескольких библиотек, содержание которых отображается на панели Part (для выбора нескольких библиотек нажимается и удерживается клавиша [Ctrl]). После этого на панели Part выбирается имя компонента, символ которого должен быть помещен на схему (если выбрано несколько библиотек, то после имени каждого компонента помещается символ / и затем имя библиотеки). В разделе Graphic выбирается обычное (Normal) или эквивалентное изображение логических компонентов в стиле DeMorgan (Convert).
В разделе Packaging указывается номер секции компонента, после чего в расположенном ниже окне выводится изображение выбранной секции компонента с указанием номеров цоколевки его выводов (на строке Parts per Pkg. указывается общее количество секций компонента). Нажатием на кнопку Add Library открывается диалоговое окно для добавления библиотек в список Libraries, мы на данном этапе использовали библиотеку Pspice, так как она наиболее подходит для дальнейшего моделирования платы в Layout. Нажатие на кнопку Remove Library удаляет выбранную библиотеку из списка. Кнопка Part Search предназначена для поиска конкретного компонента в библиотеках из списка Libraries. После нажатия на кнопку [ОК] символ выбранного компонента переносится на схему. Движением курсора компонент перемещается в нужное место схемы и фиксируется нажатием левой кнопки мыши. После этого на схему может быть размещена еще одна копия этого же символа.
Нажатие правой кнопки мыши открывает всплывающее меню, в котором дублируется вызов команд основного меню для вращения (Rotate), зеркального отображения (Mirror), изменения масштаба изображения (Zoom), редактирования параметров компонента (Edit Properties) и ряд других. Завершение размещения на схеме символа выбранного компонента производится после выбора в этом меню команды End Mode или нажатия на клавишу [Esc]. Если, не прерывая режима размещения символов компонентов на схеме во всплывающем меню на выбрать команду Edit Properties, выводится диалоговое окно редактирования параметров текущего символа. В нем имеются следующие поля: