Введение

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

Цель курсового проекта – научиться использовать нормативно-техническую документацию при разработке изделия, ознакомиться с порядком построения, изложения и оформления конструкторской документации, а также в проектировании цифрового устройства.

Система из базового блока, находящегося в помещении дежурного по подъезду многоквартирного жилого дома, и абонентских, установленных в квартирах, обеспечивает дуплексную громкоговорящую связь между дежурным и жильцами. Ее особенность в том, что все блоки подключают параллельно лишь к одной паре проводов. Это выгодно отличает предлагаемое устройство от обычных коммутаторных, при монтаже которых приходится прокладывать многожильный кабель с отдельными парами проводов для каждого абонента.

Идея двухпроводного (линейного) переговорного устройства не нова. За рубежом давно выпускаются основанные на этом принципе бытовые системы голосовой связи. Однако базовый блок этих систем очень сложен и содержит множество микросхем, не имеющих отечественных аналогов. Предлагаемое устройство действует по тому же принципу, но значительно проще и построено на широко распространенных дешевых элементах. Базовый блок не предназначен для установки в общедоступном месте, он должен постоянно находиться под наблюдением дежурного. Связавшись с нужной квартирой и узнав, можно ли пропустить посетителя, дежурный откроет дверь вручную.

К одному базовому блоку можно подключить до ста абонентских блоков. Чтобы установить связь с любым из них, дежурному достаточно набрать на клавиатуре пульта управления присвоенный вызываемому абоненту двузначный номер. Принявший вызов блок через две секунды автоматически перейдет из пассивного в рабочее состояние, на нем зажжется светодиодный индикатор, прозвучит тональный сигнал вызова длительностью 2 с. С этого момента голосовая связь установлена. По завершении разговора дежурный нажимает на пульте кнопку «Отбой» - связь прекращается, система возвращается в исходное состояние.

1 Расширенное техническое задание

1. Наименование и область применения

Переговорное устройство на 100 абонентов предназначено для осуществления контроля доступа в помещение.

2. Технические требования:

напряжение питания, В 12;

потребляемый ток не более, мА 30;

проектируемое устройство должно удовлетворять следующим условиям эксплуатации:

температура окружающей среды, ⁰С -10 … +60;

влажность воздуха, % 50 … 70;

объект размещения стационарное;

условия транспортировки всеми видами транспорта.

3. Требования надежности:

наработка на отказ 10-15 тыс. часов;

интенсивность отказов 10^-7-10^-9 ч^-1;

4. Конструктивные требования:

элементная база дискретная и интегральная;

вид монтажа печатный и навесной;

форма корпуса прямоугольная;

размеры корпуса определяются конструктивно;

5. Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

• схема электрическая принципиальная – А2;

• сборочный чертеж устройства – А2;

• сборочный чертеж печатной платы – А2;

• таблица соединений – А4;

• печатная плата – А1.

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ.

ОЦЕНКА ЕЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Сравнительный анализ аналогов

При проведении поиска аналогов проектируемого устройства был найден следующий аналог:

- двухпроводная домофонная система CD-2000 [1].

Основной состав проектируемого устройства и аналога CD2000 приведены в таблице 1.

Идея двухпроводного переговорного устройства не нова. За рубежом давно выпускаются основанные на этом принципе бытовые системы голосовой связи. Однако базовый блок таких систем очень сложен и содержит множество микросхем не имеющих отечественных аналогов. Предлагаемое устройство действует по тому же принципу, но значительно проще и построено на широко распространенных элементах.

Таблица 1 - Основной состав проектируемого устройства и аналога CD2000

Состав	Название
	CD-2000	Проектируемое устройство
Блок вызова	+	+
Процессорный блок	+	-
Блок управления замком	+	-
Индивидуальное абонентское устройство	+	+
Электромагнитный замок	+	-
Блок питания	+	+

Проектируемое переговорное устройство имеет меньшую элементную базу, чем аналог, что позволяет уменьшить массогабаритные размеры проектируемого прибора.

2.2 Анализ функционирования устройства по схеме электрической принципиальной

В момент включения напряжения +12 В цепь C3R1 формирует импульс, приводящий триггеры на элементах DD1.1, DD1.2 и DD2.1 в исходное состояние. На триггер DD6.1 сигнал начальной установки поступает через диод VD5 с вывода 3 элемента DD1.2. благодаря цепям обратной связи через доли секунды перейдут в исходное состояние и триггеры DD2.2, DD6.2. Так как транзистор VT3 закрыт, на разговорном узле и на абонентских блоках напряжение питания отсутствует.

Во время набора номера абонентского блока двоичные коды его цифр поступают на контакты 3-6 вилки XP1, причем каждый код сопровождается импульсом на контакте 2. Первый из импульсов изменяет состояние триггера DD2.1 на противоположное. В результате перепад уровня на выводе 1 триггера. Продифференцированный цепью C9R14, записывает в счетчик DD4 код цифры десятков номера абонента.

Второй импульс на контакте 2 вилки XP1 вновь изменяет состояние триггера DD2.1. Теперь нужную полярность имеет перепад уровня на выводе 2 триггера, продифференцированный цепью C8R15. В результате в регистр DD3 заносится код цифры единиц номера, а триггер из элементов DD1.1, DD1.2 переходит в состояние лог.0 на выводе 3 элемента DD1.2. Транзистор VT3 открывается, подавая питание на разговорный узел базового блока. Через резистор R16 напряжение питания поступает в линию, связывающую базовый блок с абонентскими.

Спустя 2 с, необходимые для зарядки конденсаторов в абонентских блоках, изменяется состояние триггера DD2.2. Теперь на его выводе 12 – лог.0. Это снимает блокировку генератора тактовых импульсов на элементах DD5.1, DD5.2 и подсчитывающего импульсы счетчика DD7. Период повторения импульсов генератора – 12 мс. Выходы счетчика соединены с адресными входами мультиплексора DD8.

Параллельный код номера абонента, поданный с выходов регистров DD3 и DD4 на входы Х0-Х7 мультиплексора DD8, на выходе 3 последнего преобразуется в последовательный. Благодаря тактовым импульсам, поступающим на вход S мультиплексора, длительность его входных импульсов, соответствующих лог.1 кода, равна 6 мс.

Одновибратор (триггер DD6.2 с цепью обратной связи R30C15) формирует из тактовых импульсы длительностью 0.5 мс. Выходные импульсы одновибратора и мультиплексора DD8 логически складывает элемент DD5.3, на его выходе образуется последовательность, в которой лог.0 соответствуют короткие (0,5мс), а лог.1 – длинные (6мс) импульсы. Через элемент DD5.4, резистор R12 и диод VD3 эта последовательность поступает на базу транзистора VT2 и далее в линию связи. Амплитуда кодовой посылки на выходе базового блока – приблизительно 2 В.

После восьмого тактового импульса появляется лог.1 на выводе 2 счетчика DD7 и соединенном с ним входеRтриггераDD2.2. Это возвращает триггер в исходное состояние. Лог.0 на выводе 12 сменяется на лог.1, что прекращает передачу кода, блокируя тактовый генератор и устанавливая в исходное состояние6 счетчикDD7. С задержкой в 1 с. зависящей от постоянной времени цепиR19C10 и необходимой для зарядки конденсаторов во включившемся по вызову абонентском блоке, запускается ОдновибраторDD6.1, импульс которого на 2 секунды включает генератор сигнала тонального вызова на элементахDD1.3,DD1.4. Сигнал поступает на вход 6 элементаDD5.4 и далее в линию связи аналогично коду номера абонента.

2.3 Основание выбора элементной базы

Применяемая элементная база широко распространена в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями, а также имеет много отечественных и зарубежных аналогов, что повышает ремонтопригодность изделия. Система сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания 12В10%.

1. Микросхемы. В разрабатываемом устройстве применяются микросхемы серии К561, представляющие собой комплекс микромощных микросхем, второй – третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. Предназначены для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники с жесткими требованиями по потребляемой мощности, массе, габаритным размерам в условиях значительного изменения напряжения питания при работе от одного источника напряжения питания. Напряжение питания серии составляет 9В10%. Диапазон рабочих температур -10…+70С. Корпусное исполнение 238.16-1, 201.14-1 [8].

В качестве микросхем DD3,DD4 могут быть применены К561ИЕ14, К561ТМ3, К176ИР3. В позицииDD7 эту же микросхему можно заменить К561ИЕ14, К561ИЕ10, К176ИЕ1. Все замены производят с учетом различий в назначении выводов.

2. Элементы сопротивления.В качестве распределителей электрической энергии между цепями и элементами схемы применяются высокоомные резисторы КИМ – 0,125 с пределом номинального сопротивления 27 Ом – 100 МОм и резисторы ТВО – 0,125 с пределом номинального сопротивления 3 Ом – 100 кОм. Диапазон рабочих температур -60…+125С. Вариант установкиIIа[2].

Подстроечный резистор СП3-37А с пределом номинального сопротивления 10…110⁶Ом. Диапазон рабочих температур -30…+90С. Вариант установкиIIа [2].

3. Элементы емкости. В проектируемом устройстве используются конденсаторы предназначенные для работы в цепях постоянного, пульсирующего, а также переменного тока.

Конденсаторы серии К50-6(полярный) – алюминиевые оксидно-электролитический с пределом номинальной емкости 1-100мкФ и номинальным напряжением 16В. Диапазон рабочих температур -10…+85С. Вариант установкиIIа[2].

Конденсаторы серии К10У-5 (группа по ТКЕ – Н20 и Н50) с пределом номинальной емкости 0,01-0,1мкФ. Диапазон рабочих температур -25…+85С. Вариант установкиIIа[2].

Конденсатор С18 – К31-10 - слюдяной с пределом номинальной емкости 1000-1990 пФ. Конструкция: в металлическом корпусе герметизированный, уплотненный. Диапазон рабочих температур -60…+125С. Вариант установкиIIа[2].

Конденсатор С6 – К53 – 7, танталовый оксидно-полупроводниковый, с пределом номинальной емкости 0,47 мкФ. Диапазон рабочих температур

-60…+85С. Вариант установкиIIа[2].

4. Полупроводниковые элементы. В устройстве используется транзисторы КТ645А, КТ3102Г.

Транзистор КТ645А (n–p–n) средней мощности, высокочастотный; максимальный ток коллектор – эмиттер 0,3 А; максимальное напряжение коллектор – эмиттер 50В. Диапазон рабочих температур -40…+85С. Вариант установкиIIв[2].

Транзистор КТ3102Г (n–p–n) маломощный, высокочастотный; максимальный ток коллектор – эмиттер 100 мА; максимальное напряжение коллектор – эмиттер 50В. Диапазон рабочих температур -40…+85С. Вариант установкиIIв[2].

Также используется диод КД522Б – кремниевый импульсный маломощный, диапазон рабочих температур -60…+75С. Вариант установкиIIа[2].

Параметры элементной базы приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры элементной базы

Наименование элемента	Кол - во	Конструктивные параметры
		Установочная площадь, мм^2	Общая установочная площадь, мм^2	Диапазон температур, С
Конденсаторы: К10У–5–H50 -0,047мкФ К10У–5–H20-0,1мкФ К10У–5–H20-0,01мкФ К50-6-100мкФ16В К50-6-1мкФ16В К50-6-4,7мкФ16В К50-6-2,2мкФ16В К50-6-10мкФ16В К50-6-220мкФ16В К31-10-1000пФ К53-7-0,47мкФ	4 2 4 1 3 1 1 1 1 1 1	87,75 139,75 74,75 210,25 49 64 64 81 420,25 146 116,85	351 279,5 299 210,25 147 64 64 81 420,25 146 116,85	-25…+85 -25…+85 -25…+85 -10…+85 -10…+85 -10…+85 -10…+85 -10…+85 -10…+85 -60…+125 -60…+85
Микросхемы: К561ЛЕ5 К561ТМ2 К561ИЕ11 К561КП2	2 2 3 1	200 200 220 220	400 400 660 220	-10…+70 -10…+70 -10…+70 -10…+70
Резисторы: КИМ-0,125 ТВО-0,125 СП3-37А	6 25 3	52,5 42 81	315 1050 243	-60…+125 -60…+125 -30…+90
Диоды: КД522Б	12	27,7	332,6	-60…+75
Транзисторы: КТ645А КТ3102Г	4 3	51,6 56,8	206,4 170,55	-40…+85 -40…+85

Таким образом, с учетом выбранной элементной базы диапазон рабочих температур устройства составит -10…+70С, что соответствует техническому заданию.

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭА

3.1 Предварительная разработка конструкции устройства

Основной модуль

Модуль ключей

Разъем

Гнездо

105

85

б

Рисунок 1 – Варианты компоновки блока

3.1.1 Определение габаритных размеров блоков двух вариантов компоновки. Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) сравниваемых вариантов блоков. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (основная печатная плата – модуля выбора абонента, печатная плата модуля ключей).

Для определения объема основной печатной платы найдем ее размеры.

мм², (1)

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

С учетом рекомендуемого коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади ПП

мм², (2)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (50120 мм, 7090 мм) и был выбран следующий: 7090 мм ОСТ4.010.020-83.

Для определения объема ПП необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина ПП. Для данной печатной платы она равна 20,5 мм.

Тогда

мм³; (3)

Для определения объема печатной платы модуля ключей найдем ее размеры.

мм², (4)

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.

С учетом рекомендуемого коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади ПП

мм², (5)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП (4055 мм, 4050 мм, 4060 мм) и был выбран следующий: 4060 мм ОСТ4.010.020-83.

Для определения объема ПП необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина ПП. Для данной печатной платы она равна 9 мм.

Тогда

мм³, (6)

Также в проектируемом устройстве используются элементы которые имеют свой объем и площадь установки: гнездо 916 мм, разъем 351010 мм.

Определяем габаритные размеры блоков обоих вариантов в зависимости от расположения основной печатной платы устройства. В первом варианте печатная плата расположена вертикально (рисунок 1, а). Плата модуля ключей расположена параллельно, на передней стенке устройства находятся гнезда для подключения микрофона и громкоговорителя. Разъем для подключения пульта управления размещен на правой стенке корпуса. С учетом зазоров между печатными платами и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры первого варианта блока: длина А₁=85 мм, ширина В₁= 65 мм, высота H₁=105 мм.

Во втором варианте основная ПП расположена горизонтально (рисунок 1, б). Плата транзисторного модуля расположена параллельно, на передней стенке устройства находятся гнезда для подключения микрофона, громкоговорителя и разъем для подключения пульта управления. С учетом зазоров между печатными платами и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры второго варианта блока: длина А₂= 105 мм, ширина В₂= 85 мм, высота H₂= 55 мм.

3.1.2 Сравнение выбранных двух вариантов компоновки блоков.

Для выбора рациональной компоновки блока используют три параметра [13. стр. 4]:

1. приведенная площадь наружной поверхности;

2. коэффициент приведенных площадей;

3. коэффициент заполнения объема.

Определяем полный объем первого (рисунок 1, а) и второго (рисунок 2, б) вариантов:

мм³;

мм³,

Площади поверхностей вариантов компоновки блока:

мм²;

мм²,

Приведенная площадь наружной поверхности [13. стр. 4]:

мм^-1; (7)

мм^-1, (8)

Коэффициент приведенных площадей [13. стр. 4]:

, (9)

где S_{пр. ш} – приведенная площадь шара

, (10)

где d – диаметр шара, мм.

Для блока выполненного в форме шара, диаметр равен максимальной стороне блока, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда, т.е. для первого и второго варианта d₁=d₂=105 мм. Тогда

мм^-1, (11)

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен

; (12); (13)

. (14)

Следовательно, первый вариант блока оптимальный по площади наружной поверхности.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой:

• печатная плата основная V_ПП1=709020,5=129150 мм³;

• печатная плата модуля ключей V_ПП2=40609=21600 мм³;

• объем гнезда V_Г=9916=12961 мм³;

• объем разъема V_Р=351010=3500 мм³;