Министерство образования и науки Украины
Факультет Электронные аппараты
Кафедра: Проектирование и эксплуатация электронных аппаратов
Частотомер многофункциональный на однокристальном микроконтроллере АТ89С2051
Студент гр. ПЕА-00-1
Кошкарёв В.В.
2004
1. Конструкторский анализ технического задания
1.1 Анализ технического задания
На основе технического задания (ТЗ) произведём анализ многофункционального частотомера на однокристальном микроконтроллере АТ89С2051. Прибор, предназначен для решения большинства радиолюбительских задач по измерению времени и частоты. Устанавливается в помещениях в том месте, где необходимо измерять частоту, может эксплуатироваться в быту. Условия установки и эксплуатации по УХЛ 4.2. Прибор подключается к сети через источник питания +7.5 .. +12 V (предусмотрен соответствующий соединитель), так же предусмотрены два соединителя для подключения ”щупа” измерения частоты, времени и других вспомогательных функций.
Габариты и форма прибора зависят от компоновки всех элементов и не должны превышать размеров указанных в техническом задании (ТЗ) (120х100х50мм). Масса изделия определяется по выбранным элементам и составляет не менее 1кг.
Климатические воздействия определяются по ГОСТ15150-69 УХЛ 4.2, противопоказано прямое попадание влаги.
Предельные отклонения температуры Т0С: –400….+400
Рабочая температура Т0С: +10….+100
Влажность: 98% при 250С
Механические воздействия по группе 1, предусматриваются воздействия при переноске и транспортировки в соответствии с ГОСТ16019-78.
Ударная прочность: Линейное ускорение(g) – 15
Длительность ударного импульса (мс) – 11
Виброустойчивость: Ускорение(g) – 0
Частота (Гц) – 0
Ударная устойчивость: Ускорение(g) – 0
Длительность ударного импульса (мс) - 0
Базовый коэффициент автоматизации – 0,5, базовый коэффициент технологичности – 0,6, предусмотреть возможность применения автоматизации и механизации производства. Программа выпуска изделия – 1500 штук. Обеспечить время безотказной работы более чем 15000часов. Обеспечить ремонтопригодность на уровне замены дискретных электрорадио элементов.
Для удобства пользования регулирующие элементы, индикацию вынести на переднюю панель. Внешние соединители вынести на заднюю панель.
При настройке прибора учитывать, что он питается от сети переменного тока напряжением 220В частотой 50Гц. Соблюдать требования безопасности при работе с электрическим током. Так же учитывать меры безопасности при настройке, установки, эксплуатации микроконтроллера (МК) и генератора.
Обеспечить наименьшую стоимость прибора и конкурентоспособность прибора на рынке Украины и стран СНГ.
1.2 Анализ схемы электрической принципиальной
Основные технические характеристики прибора: частота-0..50МГц, чувствительность 0.2В, период - 1мкс-100с, чувствительность 1В, длительность импульсов обеих полярностей, скважность-1..100000, число импульсов (счетчик) - 0..100000000, напряжение питания +7.5 .. +12 V, потребляемый ток до 100 мА.
Согласно схеме электрической принципиальной ГЮИК.411140.001Э3, на элементах микросхемы DD7 собран кварцевый генератор, вырабатывающий сигнал с частотой 12МГц, которая является образцовой для всех режимов работы прибора, а также служит для внутренней синхронизации микроконтроллера DD8. Подстроечный конденсатор С12 служит для точной установки этой частоты при настройке частотомера (конденсатор С13 подбирают для установки границ подстройки). Для увеличения стабильности частоты генератор питается от отдельного стабилизатора DA2. Кроме того, генератор конструктивно поместить в электропроводящий экран. Напряжение с выхода генератора дополнительно выведено на соединитель ХА2 (вывод5).
В режиме измерения частоты(F), сигнал поступает с вывода 1 соединителя ХА2 на формирователь, собранный на транзисторах VT2, VT3, VT5, где усиливается и ограничивается до ТТЛ-уровня. Элементы DD1.3, DD1.4 образуют управляемый ключ, необходимый для работы алгоритма подсчета частоты. На элементах DD4.2, DD5.1 и DD5.2 собран делитель частоты на 512. Далее, сигнал поступает на вход таймера/счётчика Т1, встроенного в МК(16-разрядов плюс один дополнительный разряд – бит переноса). Измерение частоты происходит следующим образом (предположим, что в начале работы МК сброшен в нулевое значение). Открывая ключи DD1.3, DD1.4 на 1 секунду (временная база, для отсчета которой и нужен высокостабильный кварцевый генератор), МК обеспечивает прохождение входного сигнала на делитель DD4.2, DD5.1 и DD5.2, а далее на внутренней счетчик Т1 и дополнительный бит переноса (в сумме 26 разрядов, чему соответствует число 67108864, определяющее максимальную измеряемую частоту - около 67МГц, которая, кроме того, ограничена применяемым входным формирователем и быстродействием триггера DD4). Таким образом, дискретность измерения частоты составляет 1Гц. По окончании счета временной базы, контроллер закрывает ключ DD1.4, и, управляя ключом DD1.3, определяет содержимое внешнего делителя (содержимое счетчика Т1 и бита переноса контроллер считывает непосредственно). После этого результат отображается на индикаторе. Далее цикл измерения частоты повторяется. При использовании внешнего делителя частоты на 10 вывод 4 соединителя ХА2 соединяется с выводом 2(общий) перемычкой, при этом происходит сдвиг десятичной точки на экране индикатора.
В режиме измерения периода, длительности и скважности импульсов, а также подсчета числа импульсов используется формирователь на транзисторе VT1 и элементах DD1.2, DD1.1. В режиме подсчета количества импульсов входной сигнал (или проинвертированный входной сигнал с выхода DD2.1, в зависимости от выбранной полярности) поступает на мультиплексор DD3, а с его выхода 1Y-на вход внутреннего счетчика Т0 МК, содержимое которого выводится на индикатор. В режиме измерения периода (Т) и длительности импульсов на выход 2Y DD3 поступает входной сигнал, прошедший через триггер DD4.1, входной сигнал с выхода формирователя и инвертированный входной сигнал соответственно. На элементах DD6.1, DD6.2, DD2.2, DD2.4 и DD2.3 собран формирователь одиночных импульсов, перезапускаемый МК (сигнал BL0, вывод 2 DD8). Одиночный импульс с измеряемой длительностью поступает на вход INT0 контроллера, который в этом режиме запускает и далее останавливает внутренний счетчик Т0. На вход Т0 подается сигнал опорной частоты 1МГц, полученный делением сигнала кварцевого генератора на 12 встроенными МК делителями. После остановки счетчика его содержимое выносится на индикатор.
Для питания устройства можно применить любой стандартный маломощный блок питания с выходным напряжением +7,5 – 12В.
Наиболее теплонагруженные элементы это: стабилизаторы DA1, DA2 и микроконтроллер DD8. Эти элементы являются источниками теплового излучения. Источником электромагнитных излучений является генератор, собранный на элементах DD7, BQ1, C12, C13, R21. Генератор поместить в жестяной электропроводящий экран.
Органы управления прибора (кнопки SB1,SB2), индикации (жидкокристаллический индикатор HQ1), XА1, ХА2 - вход и XА3 – выход питания.
Соединение прибора с другими устройствами производится с помощью соединителей. Все корпуса элементов в схеме выбраны унифицированными и стандартизированными для удобства проектирования конструкции.
1.3 Анализ элементной базы
Анализ элементной базы производится сопоставлением эксплуатационных характеристик элементов, с теми данными, которые характеризуют условия работы разрабатываемого изделия по ТЗ. Для выполнения анализа составляют таблицу 1. 1.
| Тип элемента | Кол-во, шт. | Температура, Т0С | Влажность, % | Вибрации | Удары | Линейные ускорения | Интенсив- ность отказов, 10-6 1/ч | |||
| Частота Гц | g | Длитель- ность, мс | gy | Времяс | g | |||||
| К73-17 К50-35 КТП4-23 | 11 1 1 | -60+125 -40+70 -20+60 | 90 | - | 7,5 | 10 | 12 | 15 | 50 | 0,08 0,3 0,01 |
| С1-4М | 27 | -30+70 | 90 | - | 10 | 15 | 15 | 20 | 35 | 0,02 |
| КД522Б | 4 | -60+120 | 98 | 10-2000 | 5 | 20 | 30 | 20 | 1470 | 0,3 |
| К1533 КР142ЕН5 АТ89С2051 | 7 2 1 | -10+70 | 98 | 5-600 | 4 | 15 | 25 | 15 | 1200 | 0,5 |
| МП11 | 2 | -40+60 | 93 | - | - | - | - | - | - | 0,4 |
| ОНЦВГ5 СР-50-154Ф | 2 1 | -45+50 | 93 | - | - | - | - | - | - | 0,11 |
| HT1611M10 | 1 | -25+60 | 93 | - | - | - | - | - | - | 0,5 |
| РС-20-1 | 1 | -45+100 | 98 | 5-3000 | 10 | 20 | 40 | - | - | 0,005 |
| РК171БА | 1 | -30+65 | 93 | - | - | - | - | - | - | 0,22 |
| КТ3102 КТ3107 КТ363 КТ368 | 1 1 2 1 | -60+120 | 98 | 15-2500 | 5 | 25 | 35 | 15 | 30 | 0,45 0,45 0,35 0,35 |
Рассчитываем среднюю наработку на отказ (Тс):
Тс=1/∑λi·Пi·Кнi (1.1)
где;
li – интенсивность отказов (1/ч.)
Пi – количество элементов данного типа
Kni=1 – коэффициент нагрузок для заданных условий эксплуатации
Тс=1/(0,08·11+0,3+0,01+0,02·27+0,3·4+0,5·10+0,4·2+0,11·3+0,5+0,005+0,22+0,45·2+0,35·3)·10-6= =82406,27(ч.)
По данным таблицы 1. 1. Сделали вывод, что элементы схемы соответствуют климатическим воздействиям, указанным в ТЗ – УХЛ 4. 2 ГОСТ15150-69 и механическим воздействиям – группа 1 ГОСТ16019-78. Подсчитали среднюю наработку на отказ, которая составляет 82406,27ч., больше чем в ТЗ. Можем считать, что элементная база выбрана, верно, и соответствует условиям ТЗ.