Разработка устройства автоматизации на микросхемах средней степени интеграции

4 оглавление.docx

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 7
СОСТАВЛЕНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ И СИНТЕЗ СХЕМЫ 8
ВЫБОР СЕРИИ МИКРОСХЕМ 11
1 Конечный выключатель 15
ВЫБОР РАБОЧЕГО ОРГАНА 23
ВЫБОР УСТРОЙСТВА СОГЛАСОВАНИЯ 24
ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 26
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 30
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СХЕМА ЭЛ. СТРУКТКРНАЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СХЕМА ЭЛ. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

Чертеж 2.cdw

1 титул.docx

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Южно - Уральский государственный университет»
Факультет «Машиностроительный»
Кафедра «Электрооборудование и автоматизация производственных процессов»
Разработка устройства автоматизации на микросхемах средней степени интеграции
ПОЯНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по дисциплине «Элементы систем автоматики»
ЮУрГУ -140604.2011.759.21.00 ПЗ КП
Нормоконтролер Руководитель доцент
Проект защищена с оценкой

2 ФормаЗаданияКурсов.doc

Форма задания на курсовую работу
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет «Машиностроительный»
Специальность «140604»
на курсовой проект студента
(Фамилия Имя Отчество)
Дисциплина: Элементы систем автоматики
Разработка устройства автоматизации на микросхемах средней степени интеграции
Срок сдачи студентом законченной работы 28 мая 2011 г.
Перечень вопросов подлежащих разработке
Разработать схему электрическую структурную
Составить логическую функцию
Синтезировать логическую схему реализующую заданный алгоритм
Выбрать серию микросхем
Выбрать источник питания
Разработать схему электрическую принципиальную
Разработать печатную плату
Разработать схему электрических соединений
Разработать конструкцию автомата внешний вид и определить габаритные размеры
Наименование разделов курсового проекта
Срок выполнения разделов проекта
Отметка о выполнении руководителя
Разработка структурной схемы
Составление логической функции и синтез схемы
Выбор серии микросхем
Выбор источника питания исполнительного органа и устройства сопряжения
Разработка схемы электрической принципиальной
Разработка печатной платы

5 Введение.doc

Широкое применение электроники обуславливает ускорение научно-технического прогресса а также интенсивное развитие экономики нашей страны и мировой экономики в целом. Для этих целей осуществляется автоматизация производства во многих отраслях промышленности на транспорте и в электроэнергетике.
Промышленная электроника (применение электроники в промышленности на транспорте в электроэнергетике) и радиоэлектроника (применение электроники в радиотехнике и телевидении) являются важнейшими составными частями электроники рассматриваемой в широком смысле.
В свою очередь в промышленную электронику обеспечивающую разнообразные виды техники электронными устройствами измерения контроля управления и защиты а также электронными системами преобразования электрической энергии входят: информационная электроника к которой относятся электронные системы и устройства связанные с измерением контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами и энергетическая электроника (преобразовательная техника) связанная с преобразованием вида электрического тока для целей электропривода.
В данном курсовом проекте ставится задача разработки устройства обеспечивающего полноценную работу в различных режимах исполнительного органа – электронагревателя (ЭН). При проектировании необходимо использовать современную элементную базу.

3 анотация.doc

Сарвардинов Э. А. Разработка устройства автоматизации.–
Златоуст: ЮУрГУ филиал в г.Златоусте; 2011г.30 с. 25 илл.
библиогр. список – 5 наим. 3 прил.
В данном курсовом проекте ставилась задача разработки устройства обеспечивающего полноценную работу в различных режимах исполнительного органа – электронагревателя (ЭН). При проектировании использовалась современная элементная база. Принцип действия основан на применении различных типов датчиков сигнал от которых поступает на логическое устройство создающее заданный алгоритм работы исполнительного органа. Разработано устройство автоматизации на микросхемах средней степени интеграции согласно заданию. Был сделан выбор необходимых датчиков разработано логическое устройство на основе различных типов микросхем выбран источник питания и устройство сопряжения удовлетворяющие заданным параметрам. В графической части проекта разработана схема электрическая структурная схема электрическая принципиальная схема электрическая соединений.

Чертеж.cdw

Спецификация2.bak.cdw

Спецификация.cdw

0604.2011.759.21.00 П
Устройство автоматики
Концевой выключатель ВКП2010
Электронагреватель RCT-TW3-PA-C
Герконовый датчик MK6-6-B
Преобразующее устройство
Полупроводниковое реле G3NA-220В
Исполнительный орган

ПИСЕЦ.docx

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
По заданию имеется четыре датчика сигналы от которых поступают на логическое устройство (ЛУ). После преобразования входных сигналов в (ЛУ) полученный на выходе ЛУ сигнал через устройство сопряжения (УС) поступает на исполнительный орган ИО который и совершает полезную работу. Датчики логическое устройство исполнительный орган должны получать энергию от источника питания ИП. Структурные связи между указанными выше устройствами отражает структурная схема.
На рисунке 1 изображена структурная схема.
Д1 – концевой выключатель; Д2 – датчик Холла; Д3 – оптодатчик; Д4 –герконовый датчик; ИП – источник питания; ЛУ – логическое устройство; ПУ – преобразующее устройство; ИО – исполнительный орган (электро тен).
Рисунок 1- Структурная схема
СОСТАВЛЕНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ И СИНТЕЗ СХЕМЫ
Таблица 1 – Исходные данные
В таблице истинности (таблицу 1) логическая функция уже задана можно записать её аналитически:
Для минимизации функции наиболее удобным является метод карт Вейча.
Карта Карно (рисунок 2) – прямоугольная таблица число клеток в которой равно числу возможных состояний входных переменных. Каждой клетке соответствует определенный набор состояний входных переменных а в самих клетках записаны значения функции. При минимизации используют либо нулевые либо единичные значения. В обоих случаях получают равнозначные выражения.
В таблице истинности (таблица 1) единичные значения имеют следующие комбинации:
Следовательно карта Карно исходной функции (рисунок 1) будет иметь вид:
Рисунок 2 – Карта Карно исходной функции
Таким образом минимизированная функция F будет иметь вид:
Минимизированная функция (1) состоит из трех слагаемых следовательно в синтезируемой схеме будет:
– три элемента НЕ (логическое отрицание – инверсия);
– три элемента И (логическое умножение – конъюнкция);
– один элемент ИЛИ (логическое сложение – дизъюнкция).
Синтезированная схема по выражению (1) представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Синтезированная логическая схема
ВЫБОР СЕРИИ МИКРОСХЕМ
00 серия интегральных микросхем — промышленный стандарт интегральных цепей реализующих различные логические функции используя КМОП технологию.
Она была представлена корпорацией RCA как CD4000 COSMOS в 1968 как малопотребляющая и более гибкая альтернатива 7400 серии с ТТЛ логикой.
Изначально 4000 серия была медленнее популярных 7400 ТТЛ микросхем но имела преимущество в намного меньшем энергопотреблении способностью работать с много большим диапазоном питающего напряжения (от 3В до 15В) а также в более простых схемах благодаря большей нагрузочной способности.
Но её скорость медленее (изначально была возможность работы на 1 МГц в сравнении с 10 МГц у ТТЛ) что ограничивало область применения статичными и низкоскоростными устройствами. Позже новые технологии производства решили проблемы быстродействия сохранив при этом обратную совместимость с большинством устройств. Все полупроводники могут быть повреждены статическим разрядом но из-за высокого сопротивления входов КМОП устройства более уязвимы чем биполярные ТТЛ. Со временем преимущества КМОП вытеснили старые ТТЛ микросхемы.
Микросхемы серии 4000 до сих пор широко доступны и их значимость также велика как и раньше.
В синтезированной логической схеме (рисунок 3) три элемента НЕ три элемента И один элемент ИЛИ.
Для этого выберем следующие серии микросхем:
069UB – 6 инверторов (рисунок 13)
073B – три логических элемента 3И (рисунок 14)
075B – три логических элемента 3ИЛИ (рисунок 15)
В таблице 7 представлены технические характеристики данных микросхем.
Рисунок 4 – Микросхема 4069UB
Рисунок 5 – Микросхема 4073B
Рисунок 6 – Микросхема 4075B
Таблица 2 – Технические характеристики микросхем 4069UB 4073B 4075B
Рисунок 7 – Схема реализованная на выбранных микросхемах
1 Конечный выключатель
Конечный выключатель серии ВПК2110 (рисунок 4) предназначен для включения отключения цепей питания бытовой аппаратуры
Рисунок 8 – Конечный выключатель ВПК2110
Таблица 3 – Технические характеристики ВПК2110
Номинальный ток нагрузки Ie
Минимальный ток нагрузки
Рисунок 9 – Габаритный чертёж ВПК2110
Датчики магнитного поля серии SS161A (рисунок 6) использующие эффект Холла относятся к активным датчикам так как они сами вырабатывают измерительное напряжение связанное с магнитным полем. При протекании тока через датчик Холла и при воздействии на него магнитного поля перпендикулярного плоскости датчика возникает напряжение Холла перпендикулярное протекающему току и пропорционально магнитному потоку.
Область применения: контроль скорости вращения контроль положения измерение тока бесконтактные переключатели компасы и т.д.
Рисунок 10 – Датчик Холла
Таблица 4 – Технические характеристики SS161A
Тип выходного сигнала
Тип чувствительного элемента
Индукция включения при 25оС Гаусс
Индукция выключения при 25оС Гаусс
Мин напряжение питания В
Макс напряжение питания В
Макс выходной ток мА
Рисунок 11 – Габаритный чертёж SS161A
Рисунок 12 – Схема электрическая принципиальная SS161A
Бесконтактный датчик FOD617A (рисунок 8) реагирующий на изменение светового потока.
Рисунок 13 – Оптопара с транзисторным выходом FOD617A
Таблица 5 – Технические характеристики FOD617A
Прямой пост. ток входа
Время переключения (выкл.)
Рисунок 14 – Габаритный чертёж FOD617A
На рисунке 15 дана схема электрическая принципиальная FOD617A.
Рисунок 15 – Схема электрическая принципиальная FOD617A
Геркон серии MK6-6-В (рисунок 10) под пайку в печатную плату.
Используются как датчик положения лифта в бытовой технике как датчик закрытия дверц и т.д. С целью повышения надежности устанавливается по два датчика соединенных последовательно. При установке на окнах каждая фрамуга окна защищается парой "геркон + магнит".
Магнитные датчики представляют собой пару геркон плюс магнит и срабатывают при открытиизакрытии двери или окна. Геркон – это герметически запаянный в стеклянную трубку контакт. Он замыкается или размыкается при поднесении к нему магнита. Обычно магнит крепится к подвижной части двери или окна а геркон к неподвижной.
Извещатели состоят из магнитоуправляемого датчика на основе геркона и задающего элемента (магнита). Извещатели выдают извещение путем размыкания контактов геркона на приемно-контрольный прибор концентратор или пульт централизованного наблюдения.
Рисунок 16 – Геркон МК6-6-В
Таблица 6 – Технические характеристики МК6-6-В
Коммутируемая мощность макс. Вт
Максимальное коммутируемое напряжение В
Максимальный коммутируемый ток A
Статическое сопротивление контакта макс. мOм
Сопротивление между разомкнутыми контактами мин. Ом
Время срабатывания макс. мс
Время восстановления макс. мс
Рисунок 17 – Габаритный размер
Рисунок 18 - схема включения МК6-6-В
ВЫБОР РАБОЧЕГО ОРГАНА
В качестве рабочего органа необходимо выбрать электронагреватель.
Термо-электро нагреватель Ariston жидкостный. Укомплектован датчиком температуры. Регулировка нагрева осуществляется в диапазоне от 20°C до 80°C.
Медный ТЭН серии RCT-TW3-PA-C (рисунок 12) изогнутой формы с латунным основанием.
Рисунок 19 – Электронагреватель RCT-TW3-PA-C
Таблица 7 – Технические характеристики RCT-TW3-PA-C
Номинальная мощность Вт
Номинальное напряжение В
ВЫБОР УСТРОЙСТВА СОГЛАСОВАНИЯ
По заданию в качестве РО применяется ЭН с номинальным током равным 9 А. На выходе ЛУ имеется малая величина тока не способная обеспечить работу РО.
Поэтому в качестве УС выберем полупроводниковое реле серии G3NE (рисунок 18).
Недорогие компактные твердотельные реле на токи от 5 до 20 А. Отличаются широким диапазоном напряжения нагрузки.
Встроенный варистор эффективно ограничивает броски напряжения во внешних цепях. Выводы ножевого типа обеспечивают легкое подключение внешних цепей.
Рисунок 20 – Полупроводниковое реле G3NE
Таблица 8 – Технические характеристики G3NE
Напряжение нагрузки В
Управляющее напряжение В
На рисунке 21 дана схема электрическая принципиальная G3NE
Рисунок 21- Схема электрическая принципиальная G3NE
Для питания датчиков устройства согласования используем стабилизированный источник питания 6 В – NK004.
Рассматривая преимущества предлагаемого устройства отметим что этот достаточно мощный источник питания может быть использован для питания схем работающих при стандартных напряжениях 6 В 9 В 12 В. Напряжение изменяется в соответствии с положением переключателя. Схема питается от трансформатора 220 В15 В с нагрузочной способностью 2 А. Транзистор BD680 должен быть установлен на охлаждающем радиаторе размером 100х60х40 мм (в комплект набора не входит). Размер печатной платы: 55х55 мм.
Рисунок 22 – Схема электрическая принципиальная источника питания 6 В – NK004
Рисунок 23 – Источник питания NK004
Для источника питания выберем корпус представленный на рисунке 16.
Рисунок 24 – Корпус источника питания NK004
В качестве понижающего трансформатора выбираем ТПК50-22015х2 внешний вид которого изображен на рисунке 17.
Рисунок 25 – Трансформатор ТПК50-22015х2
Наименования параметра ИП
В результате проведенной работы было спроектировано устройство автоматизации определены этапы создания данного устройства. А именно была разработана схема электрическая структурная составлена логическая функция синтезирована логическая схема реализующая заданный алгоритм выбраны датчики серии микросхем и источник питания по которым была разработана схема электрическая принципиальная.
Таким образом цель работы достигнута задачи – решены.

ПЗ (Восстановлен).docx

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
По заданию имеется четыре датчика сигналы от которых поступают на логическое устройство (ЛУ). После преобразования входных сигналов в (ЛУ) полученный на выходе ЛУ сигнал через устройство сопряжения (УС) поступает на исполнительный орган ИО который и совершает полезную работу. Датчики логическое устройство исполнительный орган должны получать энергию от источника питания ИП. Структурные связи между указанными выше устройствами отражает структурная схема.
На рисунке 1 изображена структурная схема.
Д1 – концевой выключатель; Д2 – датчик Холла; Д3 – оптодатчик; Д4 –герконовый датчик; ИП – источник питания; ЛУ – логическое устройство; ПУ – преобразующее устройство; ИО – исполнительный орган (электро тен).
Рисунок 1- Структурная схема
СОСТАВЛЕНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ И СИНТЕЗ СХЕМЫ
Таблица 1 – Исходные данные
В таблице истинности (таблицу 1) логическая функция уже задана можно записать её аналитически:
Для минимизации функции наиболее удобным является метод карт Вейча.
Карта Карно (рисунок 2) – прямоугольная таблица число клеток в которой равно числу возможных состояний входных переменных. Каждой клетке соответствует определенный набор состояний входных переменных а в самих клетках записаны значения функции. При минимизации используют либо нулевые либо единичные значения. В обоих случаях получают равнозначные выражения.
В таблице истинности (таблица 1) единичные значения имеют следующие комбинации:
Следовательно карта Карно исходной функции (рисунок 1) будет иметь вид:
Рисунок 2 – Карта Карно исходной функции
Таким образом минимизированная функция F будет иметь вид:
Минимизированная функция (1) состоит из трех слагаемых следовательно в синтезируемой схеме будет:
– три элемента НЕ (логическое отрицание – инверсия);
– три элемента И (логическое умножение – конъюнкция);
– один элемент ИЛИ (логическое сложение – дизъюнкция).
Синтезированная схема по выражению (1) представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Синтезированная логическая схема
ВЫБОР СЕРИИ МИКРОСХЕМ
00 серия интегральных микросхем — промышленный стандарт интегральных цепей реализующих различные логические функции используя КМОП технологию.
Она была представлена корпорацией RCA как CD4000 COSMOS в 1968 как малопотребляющая и более гибкая альтернатива 7400 серии с ТТЛ логикой.
Изначально 4000 серия была медленнее популярных 7400 ТТЛ микросхем но имела преимущество в намного меньшем энергопотреблении способностью работать с много большим диапазоном питающего напряжения (от 3В до 15В) а также в более простых схемах благодаря большей нагрузочной способности.
Но её скорость медленее (изначально была возможность работы на 1 МГц в сравнении с 10 МГц у ТТЛ) что ограничивало область применения статичными и низкоскоростными устройствами. Позже новые технологии производства решили проблемы быстродействия сохранив при этом обратную совместимость с большинством устройств. Все полупроводники могут быть повреждены статическим разрядом но из-за высокого сопротивления входов КМОП устройства более уязвимы чем биполярные ТТЛ. Со временем преимущества КМОП вытеснили старые ТТЛ микросхемы.
Микросхемы серии 4000 до сих пор широко доступны и их значимость также велика как и раньше.
В синтезированной логической схеме (рисунок 3) три элемента НЕ три элемента И один элемент ИЛИ.
Для этого выберем следующие серии микросхем:
069UB – 6 инверторов (рисунок 13)
073B – три логических элемента 3И (рисунок 14)
075B – три логических элемента 3ИЛИ (рисунок 15)
В таблице 7 представлены технические характеристики данных микросхем.
Рисунок 4 – Микросхема 4069UB
Рисунок 5 – Микросхема 4073B
Рисунок 6 – Микросхема 4075B
Таблица 2 – Технические характеристики микросхем 4069UB 4073B 4075B
Рисунок 7 – Схема реализованная на выбранных микросхемах
1 Конечный выключатель
Конечный выключатель серии ВПК2110 (рисунок 4) предназначен для включения отключения цепей питания бытовой аппаратуры
Рисунок 8 – Конечный выключатель ВПК2110
Таблица 3 – Технические характеристики ВПК2110
Номинальный ток нагрузки Ie
Минимальный ток нагрузки
Рисунок 9 – Габаритный чертёж ВПК2110
Датчики магнитного поля серии SS161A (рисунок 6) использующие эффект Холла относятся к активным датчикам так как они сами вырабатывают измерительное напряжение связанное с магнитным полем. При протекании тока через датчик Холла и при воздействии на него магнитного поля перпендикулярного плоскости датчика возникает напряжение Холла перпендикулярное протекающему току и пропорционально магнитному потоку.
Область применения: контроль скорости вращения контроль положения измерение тока бесконтактные переключатели компасы и т.д.
Рисунок 10 – Датчик Холла
Таблица 4 – Технические характеристики SS161A
Тип выходного сигнала
Тип чувствительного элемента
Индукция включения при 25оС Гаусс
Индукция выключения при 25оС Гаусс
Мин напряжение питания В
Макс напряжение питания В
Макс выходной ток мА
Рисунок 11 – Габаритный чертёж SS161A
Рисунок 12 – Схема электрическая принципиальная SS161A
Бесконтактный датчик FOD617A (рисунок 8) реагирующий на изменение светового потока.
Рисунок 13 – Оптопара с транзисторным выходом FOD617A
Таблица 5 – Технические характеристики FOD617A
Прямой пост. ток входа
Время переключения (выкл.)
Рисунок 14 – Габаритный чертёж FOD617A
На рисунке 15 дана схема электрическая принципиальная FOD617A.
Рисунок 15 – Схема электрическая принципиальная FOD617A
Геркон серии MK6-6-В (рисунок 10) под пайку в печатную плату.
Используются как датчик положения лифта в бытовой технике как датчик закрытия дверц и т.д. С целью повышения надежности устанавливается по два датчика соединенных последовательно. При установке на окнах каждая фрамуга окна защищается парой "геркон + магнит".
Магнитные датчики представляют собой пару геркон плюс магнит и срабатывают при открытиизакрытии двери или окна. Геркон – это герметически запаянный в стеклянную трубку контакт. Он замыкается или размыкается при поднесении к нему магнита. Обычно магнит крепится к подвижной части двери или окна а геркон к неподвижной.
Извещатели состоят из магнитоуправляемого датчика на основе геркона и задающего элемента (магнита). Извещатели выдают извещение путем размыкания контактов геркона на приемно-контрольный прибор концентратор или пульт централизованного наблюдения.
Рисунок 16 – Геркон МК6-6-В
Таблица 6 – Технические характеристики МК6-6-В
Коммутируемая мощность макс. Вт
Максимальное коммутируемое напряжение В
Максимальный коммутируемый ток A
Статическое сопротивление контакта макс. мOм
Сопротивление между разомкнутыми контактами мин. Ом
Время срабатывания макс. мс
Время восстановления макс. мс
Рисунок 17 – Габаритный размер
Рисунок 18 - схема включения МК6-6-В
ВЫБОР РАБОЧЕГО ОРГАНА
В качестве рабочего органа необходимо выбрать электронагреватель.
Термо-электро нагреватель Ariston жидкостный. Укомплектован датчиком температуры. Регулировка нагрева осуществляется в диапазоне от 20°C до 80°C.
Медный ТЭН серии RCT-TW3-PA-C (рисунок 12) изогнутой формы с латунным основанием.
Рисунок 19 – Электронагреватель RCT-TW3-PA-C
Таблица 7 – Технические характеристики RCT-TW3-PA-C
Номинальная мощность Вт
Номинальное напряжение В
ВЫБОР УСТРОЙСТВА СОГЛАСОВАНИЯ
По заданию в качестве РО применяется ЭН с номинальным током равным 9 А. На выходе ЛУ имеется малая величина тока не способная обеспечить работу РО.
Поэтому в качестве УС выберем полупроводниковое реле серии G3NE (рисунок 18).
Недорогие компактные твердотельные реле на токи от 5 до 20 А. Отличаются широким диапазоном напряжения нагрузки.
Встроенный варистор эффективно ограничивает броски напряжения во внешних цепях. Выводы ножевого типа обеспечивают легкое подключение внешних цепей.
Рисунок 20 – Полупроводниковое реле G3NE
Таблица 8 – Технические характеристики G3NE
Напряжение нагрузки В
Управляющее напряжение В
На рисунке 21 дана схема электрическая принципиальная G3NE
Рисунок 21- Схема электрическая принципиальная G3NE
ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Согласно таблицам 2 - 7 источник питания необходимо взять с напряжением равным 5 В. При этом необходимо:
входы микросхемы принимающей сигналы от датчиков подключить через четыре резистора R1 R2 R3 R5 с номиналами равными 500Ом (из ряда номинальных сопротивлений Е192);
чтобы выходной ток ИП был не менее ;
чтобы максимальная регулируемая мощность составляла
на входе на оптопары поставить резистор R4 с сопротивлением 442Ом (из ряда номинальных сопротивлений Е192).
Данным требованиям удовлетворяет источник питания 6 В – NK004.
Рассматривая преимущества предлагаемого устройства отметим что этот достаточно мощный источник питания может быть использован для питания схем работающих при стандартных напряжениях 6 В 9 В 12 В. Напряжение изменяется в соответствии с положением переключателя. Схема питается от трансформатора 220 В15 В с нагрузочной способностью 2 А. Транзистор BD680 должен быть установлен на охлаждающем радиаторе размером 100х60х40 мм (в комплект набора не входит). Размер печатной платы: 55х55 мм.
Рисунок 22 – Схема электрическая принципиальная источника питания 6 В – NK004
Рисунок 23 – Источник питания NK004
Для источника питания выберем корпус представленный на рисунке 16.
Рисунок 24 – Корпус источника питания NK004
В качестве понижающего трансформатора выбираем ТПК50-22015х2 внешний вид которого изображен на рисунке 17.
Рисунок 25 – Трансформатор ТПК50-22015х2
Наименования параметра ИП
В результате проведенной работы было спроектировано устройство автоматизации определены этапы создания данного устройства. А именно была разработана схема электрическая структурная составлена логическая функция синтезирована логическая схема реализующая заданный алгоритм выбраны датчики серии микросхем и источник питания по которым была разработана схема электрическая принципиальная.
Таким образом цель работы достигнута задачи – решены.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - К: Высщая школа 1983. - 240с.
Терещук З.М. Терещук К.М. Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. – К: Наукова думка 1989. – 820с.
Овсянников Н. ИМС серии К403. «РАДИО» №12 1992г. стр.61.
Электронные промышленные устройства. Ю.М. Гусин В.И. Васильев и др. – М.: Высш. шк. 1988. – 303с.
Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. – М: СОЛОН МИКРОТЕХ 1996. – 176с.
Разработка структурной схемы
составление логической функции по заданию и
синтез логической схемы
Выбор серии микросхем
1 Кнопочный выключатель серии DTS JW
3 Оптопара с открытым оптическим каналом
4 Герконовый датчик MKA-27101
Выбор источника питания исполнительного
органа и устройства сопряжения
2 Исполнительный орган
3 Преобразующее устройство сопряжения
Библиографический список
Приложение А – Графическая часть
Приложение В – Спецификация
Широкое применение электроники обуславливает ускорение научно-технического прогресса а также интенсивное развитие экономики нашей страны и мировой экономики в целом. Для этих целей осуществляется автоматизация производства во многих отраслях промышленности на транспорте и в электроэнергетике.
Промышленная электроника (применение электроники в промышленности на транспорте в электроэнергетике) и радиоэлектроника (применение электроники в радиотехнике и телевидении) являются важнейшими составными частями электроники рассматриваемой в широком смысле.
В свою очередь в промышленную электронику обеспечивающую разнообразные виды техники электронными устройствами измерения контроля управления и защиты а также электронными системами преобразования электрической энергии. В неё входят: информационная электроника к которой относятся электронные системы и устройства связанные с измерением контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами и энергетическая электроника (преобразовательная техника) связанная с преобразованием вида электрического тока для целей электропривода.
А – концевой выключатель; В – датчик Холла; С – оптодатчик; D –герконовый датчик; ИП – источник питания; ЛУ – логическое устройство; ПУ – преобразующее устройство; ИО – исполнительный орган (двигатель постоянного тока).
Составление логической функции по заданию и синтез логической схемы
В таблице истинности (таблица 1) задана логическая функция.
Таблица 1 – Таблица истинности
Исполнитель-ный орган ДПТ (05кВт)
Запишем логическую функцию аналитически при помощи таблицы истинности:
Аналитическая запись таблицы истинности – функция представленная в виде суммы произведений переменных то есть в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ). Повторяющихся членов нет то есть каждое входящее слагаемое включает все переменные (с инверсиями и без них) и нет одинаковых слагаемых следовательно имеется совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ).
Далее форму записи можно упростить (провести минимизацию функции). Эта операция важна так как схема реализации после упрощения формы записи функции содержит меньшее число элементов то есть проще и дешевле.
Для минимизации функции с числом переменных до пяти – шести наиболее удобным является метод карт Карно.
Карта Карно представляет собой графическое изображение значений всех возможных комбинаций переменных. Комбинация переменных при которых функция истинна называют минтермами. Карту Карно можно рассматривать как графическое представление всех минтермов заданного числа переменных. Каждый минтерм изображается на карте в виде клетки. Карта образуется путём такого расположения клеток при котором минтермы соседних клеток отличаются только значением одной переменной. В этой связи соседними считаются также крайние клетки каждого столбца или строки. Символ "1" характеризует прямое значение переменной а "0" – её инверсное значение. Минтермы минимизируемой функции отмечают единицами в соответствующих клетках карты. Минтермы не входящие в функцию отмечают в клетках нулями. На основании распределительного закона и аксиом алгебры логики два минтерма находящиеся в соседних клетках могут быть заменены одним логическим произведением содержащим на одну переменную меньше.
В виде минтермов функцию F можно записать так:
На рисунке 1 представлена карта Карно составленная по полученному аналитическому выражению.
Рисунок 2 – Карта Карно
По рисунку 1 производится минимизация:
Таким образом минимизированная функция F в СДНФ имеет вид:
Осуществляем проверку:
·0 + 1·0 + 1·1·1 + 0·0·1 +1·0·1 = 0;
·0 + 1·0 + 1·1·0 + 0·0·1 +0·0·1 = 1;
·0 + 1·1 + 1·0·1 + 0·1·1 + 1·0·1= 0;
·0 + 1·1 + 1·0·0 + 0·1·0 +0·0·1 = 0;
·1 + 1·0 + 0·1·1 + 0·0·1 +1·0·1 = 1;
·1 + 1·0 + 0·1·0 + 0·0·0 +0·0·1 = 1;
·1 + 1·1 + 0·0·1 + 0·1·1 +1·0·1 = 0;
·1 + 1·1 + 0·0·0 + 0·1·0 +0·0·1 = 1;
·0 + 0·0 + 1·1·1 + 1·0·1 +1·0·1 = 1;
·0 + 0·0 + 1·1·0 + 1·0·0 +0·0·1 = 0;
·0 + 0·1 + 1·0·1 + 1·1·1 + 1·0·1= 1;
·0 + 0·1 + 1·0·0 + 1·1·0 +0·0·1 = 1;
·1 + 0·0 + 0·1·1 + 1·0·1 + 1·0·1= 1;
·1 + 0·0 + 0·1·0 + 1·0·0 +0·0·1 = 1;
·1 + 0·1 + 0·0·1 + 1·1·1 +1·0·1 = 0;
·1 + 0·1 + 0·0·0 + 1·1·0 + 0·0·1= 1.
Синтезированная схема по выражению (1) представлена на рисунке 2.
На данном этапе раскрывается функционирование основных структурных блоков. Выбираются подходящие функциональные узлы серии микросхем. Выбирается оптимальная наиболее подходящая серия.
Самыми распространёнными на сегодняшний день являются ИС реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают высоким быстродействием (до 106 операций в секунду) и малой потребляемой мощностью (не более 20 мВт у серии К531).
Наиболее быстродействующими ИС ТТЛ являются ИС с диодами Шотки (ТТЛШ). Повышение быстродействия здесь получено снижением степени насыщения транзисторов за счёт применения диодов Шотки. Это маломощные ИС с диодами Шотки серий 533 К555 усовершенствованные маломощные ИС с диодами Шотки серии КР1533.
Для реализации этой схемы используем логические устройства на основе К555 серии. Выбор этой серии обусловлен ее оптимальным соотношением цена-качество. Эта серия имеет транзисторно-транзисторную логику с диодами Шотки. Эффект Шотки снижает пороговое напряжение открывания кремниевого диода от обычных 07 В до 02 В и значительно уменьшает время жизни не основных носителей в полупроводнике. Если сравним микросхемы серии К555 с микросхемами предшествующих серий то получим:
меньшее потребление энергии на перенос 1 бита информации в 15 раза меньше чем у К134;
по быстродействию соответствует серии К155 потребляемый ток уменьшен в пять раз;
мощность потребляемая одним элементом составляет это в 11 раз меньше чем у серии К131.
Возможностей микросхем серии К555 вполне достаточно для выполнения поставленных задач.
Выберем следующие микросхемы для ДНФ:
) КМ555ЛН1 (6 элементов НЕ)
) КМ555ЛИ1 (4 элемента 2И)
) КМ555ЛИ3 (3 элемента 3ИЛИ)
В качестве инвертора используем микросхему К555ЛН1 с шестью элементами НЕ. Имеет прямоугольный керамический корпус 201.14-8 рисунок 4. Напряжение источника питания: . Основные параметры микросхемы К555ЛН1 приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Параметры микросхемы КМ555ЛН1
Рисунок 4 — Прямоугольный керамический корпус 201.14-8.
На рисунке 5 представлено условное изображение микросхемы
Рисунок 5 –Условное изображение микросхемы КМ555ЛН1
Для устройства сопряжения используем микросхемы КМ555ЛИ1 и КМ555ЛИ3 которые имеют соответственно 2 элемента 2И и 3 элемента 3И что подходит к схеме. Имеют прямоугольные керамические корпуса.
Основные параметры микросхемы К555ЛИ1 приведены в таблице 4
Таблица 3— Параметры микросхемы К555ЛИ1
На рисунке 6 представлено условное изображение микросхем КМ555ЛИ1 и КМ555ЛИ3
Рисунок 6 – Условное изображение микросхем КМ555ЛИ1 и КМ555ЛИ3
Основные параметры микросхемы К555ЛИ3 приведены в таблице 4.
Таблица 4– Параметры микросхемы К555ЛИ3
Технические данные DTS JW:
-сопротивление контактов: не более 01 Ом
- сопротивление изоляции: не менее 100 МОм
-температурный диапазон: - 25 +70°С
На рисунке 8 представлены габаритные размеры DTS JW.
Рисунок 8 - Габаритные размеры DTS JW
На рисунке 9 показана схема включения DTS JW.
Рисунок 9 - схема включения DTS JW.
Однополярный магнитоуправляемый переключатель с логическим выходом А3141ELT предназначен для применения в качестве датчика магнитного поля в бесконтактной клавиатуре вентильных электродвигателях электронных реле измерителях скорости и направления движения (вращения) объектов преобразователях угла поворота системах промышленной автомобильной и бытовой электроники. При подаче напряжения питания и отсутствии магнитного поля на выходе напряжение логической единицы. Переключатель содержит преобразователь Холла (ПХ) малосигнальный усилитель (У) триггер Шмита (ТШ) выходной n-p-n транзистор с открытым коллектором стабилизатор напряжения (СН) и защиту от питания обратной полярности. Рабочий температурный диапазон от -40 °C до +85 °C. Выпускается в транзисторном SMD корпусе типа SOT89 TO243AA.
В таблице 3 приведены основные электрические и магнитные параметры выбранного датчика Холла.
Таблица 5 — Основные параметры датчика Холла А3141ELT
Напряжение питания Uпит В
Выходное напряжение насыщения Uнас мВ
Выходной ток утечки Iут мкА
Ток потребления Iп мА
Время нарастания выходного
Время спада выходного сигнала
Индукция срабатывания Вср мТл
Индукция отключения Вотк мТл
На рисунке 10 представлены габаритные размеры датчика Холла А3141ELT.
Рисунок 10 – Габаритные размеры датчика Холла А3141ELT
На рисунке 11 показана схема электрическая принципиальная А3141ELT
Рисунок 11 – Схема электрическая принципиальная А3141ELT
3 Оптопара с открытым оптическим каналом
Оптопары транзисторные с открытым оптическим каналом в пластмассовом корпусе состоящие из эпитаксиального инфракрасного диодного излучателя на основе соединения арсенид-галлий-алюминий и кремниевого эпитаксиально-планарного транзисторного фотоприемника предназначенные для использования в качестве миниатюрных первичных фотоэлектрических преобразователей (датчиков) линейных и угловых перемещений в радиоэлектронной аппаратуре.
Масса оптрона не более 03 г.
В таблице 4 приведены основные электрические параметры выбранной оптопары с открытым оптическим каналом АОТ137А1.
Таблица 6 — Основные электрические параметры оптопары АОТ137А1
На рисунке 12 показан внешний вид АОТ137А1.
Рисунок 12 – Внешний вид АОТ137А1
На рисунке 13 дана схема электрическая принципиальная АОТ137А1.
Рисунок 13 – Схема электрическая принципиальная АОТ137А1
Герконовые датчики предназначены для установки в цепях управления. Выберем Герконовый датчик серии MKA-27101.
Технические данные MKA-27101:
-наименование: МКА-27101
-конструкция: симметричная
-материал контактов: Ru
-диаметр колбы не более: 38 мм
-длина колбы не более: 28 мм
-МДС срабатывания: Гр. А 30 45; Гр. Б 40 60
-коэффициент возврата: 035 085
-количество срабатываний: 104 5·106
- коммутируемая мощность : 15ВА; 12Вт
- диапазон коммутируемых напряжений:5·10-2 250В(пост);5·10-2 150В(перем)
- диапазон коммутируемых токов : 10-6 05А
На рисунке 14 даны габаритные размеры MKA-27101.
Рисунок 14 - Габаритные размеры MKA-27101
Рисунок 15 - схема включения MKA-27101
Выбор источника питания исполнительного органа и
устройства сопряжения
Предлагаемый к сборке набор позволяет собрать стабилизированный источник питания 5 В.
Данное устройство можно применять как источник питания самодельных конструкций а также и других радиоэлектронных устройств.
Примененная в наборе микросхема параметрического стабилизатора позволяет получить на выходе блока питания стабильное во времени и неизменное от потребляемого тока напряжение.
Набор комплектуется понижающим трансформатором.
Технические характеристики:
-Входное напряжение переменное: 85-264 В.
-Выходое напряжение постоянное: 5 В.
-Размеры печатной платы: 65x45 мм.
На рисунке 16 показаны габаритные размеры PW0520.
Рисунок 16 – Габаритные размеры PW0520
2 Исполнительный орган
Электродвигатели предназначены для работы в электроприводах постоянного тока промышленного оборудования с питанием как от полупроводниковых преобразователей так и от генераторов.
Генераторы предназначены для питания различных приемников.
ПБМ - закрытого исполнения степень защиты IP44S по ГОСТ 17494-87 способ охлаждения IС0041 по ГОСТ 20459-87.
Применена изоляция класса нагревостойкости Н по ГОСТ 8865 - 87.
ПНМ 4ПБМ - изготавливаются с датчиком тепловой защиты возможна установка тахогенератора.
Двигатели 4ПБМ допускают регулирование частоты вращения вверх от номинальной до nmax при номинальном напряжении возбуждения изменением напряжения на якоре длительно с током якоря ≤08 Iномпри этом напряжение на якоре не должно превышать 220 В для двигателей на Uяном=110 В 330 В при Uяном=220 В и 460 В при Uяном=440 В допускают перегрузки по току якоря 3 Iном в течение 15 с при частоте вращения ≤nном и 15 Iном в течение 10с при nmax.
Вероятность безотказной работы за наработку 4000 ч не менее 093 (с заменой щеток при необходимости через 2000 ч).Средний ресурс до списания 20000 ч. Средний срок службы 15 лет
Устойчивость работы двигателей 4ПБМ во всех режимах работы должна обеспечиваться схемой управления
Исполнительным органом будет являться электродвигатели серии 4ПБМ
закрытого исполнения с естественным охлаждением 4ПБМ112МО4.
В таблице 7 представлены основные технические характеристики.
Таблица 7- основные технические характеристики двигателя4ПБМ112МО4.
Частота вращениямин-1
На рисунке 17 представлен внешний вид двигателя4ПБМ112МО4.
Рисунок 17 - Внешний вид двигателя4ПБМ112МО4.
На рисунке 18 представлены габаритные установочные и присоединительные размеры двигателя4ПБМ112МО4.
Рисунок 18 - Габаритные размеры двигателя4ПБМ112МО4
В качестве УС удовлетворяющего приведённым требованиям подходит G3NA-220В – твердотельное полупроводниковое реле для однофазных линий.
В таблице 8 даны характеристики G3NA–220В.
На рисунках 19 и 20 соответственно даны внешний вид и схема электрическая принципиальная G3NA-220В.
Рисунок 19 – Внешний вид G3NA-220В
Таблица 8 - Характеристики G3NA–220В
Выходные характеристики
На рисунке 20 дана схема электрическая принципиальная G3NA–220В.
Рисунок 20 - Схема электрическая принципиальная G3NA–220В
Схема электрическая принципиальная (Э3) и перечень элементов к ней (ПЭ3) проектируемого устройства автоматизации даны в приложении.
Разработка печатной платы
Печатная плата (ПП) – это плата содержащая на своих поверхностях печатные проводники электрического тока с контактными площадками служащие для соединения навесных элементов согласно электрической схеме функционального узла электро- или радиоаппаратуры а также металлизированные (переходные) и неметаллизированные (крепёжные) отверстия.
Печатные платы делятся на односторонние (ОПП) двусторонние (ДПП) многослойные (МПП) на жестком и гибком диэлектрическом основании. Применяются также гибкие печатные кабели (ГПК).
В данном проекте применена ОПП.
Конструирование ПП осуществляют ручным полуавтоматизированным и автоматизированным методами.
При ручном методе размещение ИЭТ на ПП и трассировку печатных проводников осуществляет непосредственно конструктор. Данный метод обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка. Он использован в проекте.
Печатная плата была разработана в среде P – CAD2001.
Печатная плата должна быть изготовлена из фольгированного стеклотекстолита и соответствовать требованиям ГОСТ 23752-79(Общие технические условия печатных плат).
Чертёж печатной платы схема электрическая соединений сборочный чертёж и спецификация проектируемого устройства автоматизации даны в приложении.
В ходе выполнения данного курсового проекта я ознакомился с принципами построения логических схем а также с требованиями предъявляемые к оборудованию исходя из заданных параметров. Освоил навыки разработки печатных плат. В ходе выполнения все цели достигнуты и задачи решены.
Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов Ю.С. Забродин — Москва: Высш. школа 1982. – 496 с.
Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): учебник для вузов Ю.Ф. Опадчий О.П. Глудкин А.И. Гуров; под ред. О.П. Глудкина — Москва: Телеком 2003. — 768 с.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник С.В. Якубовский Л.И. Ниссельсон В.И. Кулешова и др.; под ред. С.В. Якубовского – Москва: Радио и связь 1989. – 496 с.
Интегральные микросхемы: справочник Б.В. Тарабарин Л.Ф. Лунин Ю. Н. Смирнов и др.; под ред. Б.В. Тарабарина. – Москва: Радио и связь 1994 – 535 с.
Резисторы: справочник Ю.Н. Андреев А.И. Антонян Д.М. Иванов и др.; под ред. И.И. Четверткова. – Москва: Энергоиздат 1981. – 352 с.
ГОСТ 2-702-75. Межгосударственный стандарт. Единая система конструкторской документации. Правила выполнения электрических схем. – М.: Изд-во стандартов 2000. – 23 с.
ГОСТ 2-709-89. Межгосударственный стандарт. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов оборудования и участков цепей в электрических схемах. – М.: Изд-во стандартов 2002. – 8 с.
ГОСТ 2-710-81. Межгосударственный стандарт. Единая система конструкторской документации. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. – М.: Изд-во стандартов 2007. – 10 с.
ГОСТ 2-755-87. Межгосударственный стандарт. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения. – М.: Изд-во стандартов 1987. – 12 с.
ГОСТ 23752-79. Межгосударственный стандарт. Платы печатные. Общие технические условия. – М.: Изд-во стандартов 2010. – 34 с.