3.Описание структурной и электричкой схемы электронного кодового замка

4 Выбор и обоснование элементной базы и материалов конструкции

4.1 Выбор и обоснование элементной базы

Критерием выбора радиоэлементов в любом РЭС является соответст­вие технологических и эксплуатационных характеристик РЭС заданным усло­виям работы и условиям эксплуатации.

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и до­пустимых эксплуатационных параметров радиоэлементов, используемых в данном изделии.

Из технических условий на РЭС и справочной литературы [8] имеем следующие данные об условиях эксплуатации применяемой элементной базы:

Основными критериями выбора типа конденсаторов являются:

• номинальная емкость и допустимые отклонения емкости;

• номинальное напряжение;

• тангенс угла потерь;

• сопротивление изоляции и ток утечки;

• температурный коэффициент емкости;

• Масса-габаритные параметры;

Конденсаторы по возможности следует выбирать с минимальными габа­ритами и массой.

В качестве задающего конденсатора (С9 220пФ 1%) следует выбрать тип К10-43, т.к. только этот тип имеет необходимый допуск на номинальное значение. Остальные конденсаторы типа К10-17 (керамические низко­вольтные). Электролитические конденсаторы типа К50-27, кроме С7 и С8 – К50-35.

Основными критериями выбора типа резисторов являются:

• номинальная мощность и предельное напряжение;

• номинальное сопротивление и допуск;

Таблица 4.1 – Основные электрические и габаритные параметры некоторых типов конденсаторов

Тип	Номинальное напряжение, В	Группа ТКЕ	Диапазон номинальных емкостей, * - пФ ^ - мкФ	Допуск, % (ряд промежу- точных емкостей)	Габаритные размеры
					диаметр (ширина)	длина	Высота
К10-17	25; 50 25; 40	П33 М47 Н50 Н90	2,2…10000* 2,2…12000* 680…2200000* 2200…220000*	5;10; 20 (Е24) +50/-20; (Е6)	1,5…12	1,3…8,6	1,8…5,5
К10-43	50	МП0	21,5…44200*	1; 2;5 (Е192)	4…16,5	2,9…12	2,4…6,5
К50-27	160 450	---	10…470 ^ 2,2…220 ^	-10/+30 (Е3)	9…34	34…92	---
К50-35	25	---	22…2200 ^	-20/+50 (Е3)	6…18	12…40	---

Таблица 4.2 – Основные климатические и надежностные параметры некоторых типов конденсаторов

Тип	Диапазон рабочих температур, оС	Предельная относи­тельная влажность воздуха	Предельное ат­мосферное дав­ление	Минимальная нараборка, ч.
К10-17	-60…+150	До 95% при 35оС	10-6…800мм р.ст.	10000
К10-43	-60…150	До 95% при 35оС	10-6…800мм р.ст.	10000
К50-27	-20…+75	До 95% при 40оС	1,3…2500ГПа	2000*
К50-35	-20…+75	До 95% при 40оС	1,5…2500ГПа	1500*

Примечание: * - при температуре 70 ^оС.

• температурный коэффициент сопротивления;

• различные функциональные характеристики;

• соответствие температурному режиму работы;

• ряд промежуточных значений;

• габаритные размеры;

Рассмотрим три пита постоянных резисторов (Табл. 4.3):

• С2-33Н;

• С2-10;

• МЛТ;

Таблица 4.3 – Основные параметры резисторов типа С2-33Н,С2-10,МЛТ

Тип	Ном. мощ-ность, Вт	Темпер. режим ра­боты, 0С	Пред. отн. Влаж­ность, %	Диапазон ном. сопротивлений	Допуск, % (ряд пром. знач.)	Габаритные раз­меры, мм
						ширина	длина
С2-33Н	0,125 0,25 0,5 1 2	-30…125	98 при 40оС	1ом …3Мом 1ом …5,1Мом 1ом …5,1Мом 1ом …10Мом 1ом …10Мом	1;2; 5; 10 ряд Е24; Е96	2,2 3 4,2 6,7 8,8	6 7 10,2 13 18,5
С2-10	0,125 0,25 0,5 1 2	-20…125	98% при 40С	10ом …9,88ком 1ом …9,88ком 1ом …9,88ком 1ом …9,88ком 1ом …9,88ком	0,1; 0,5; ряд Е192	2 3 4,2 6,6 8,6	6 7 10,8 13 18,5
МЛТ	0,125 0,25 0,5 1 2	-30…125	98% при 40С	8,2ом …3Мом 8,2ом …5,1Мом 1ом …5,1Мом 1ом …10Мом 1ом …10Мом	2;5; 10 ряд Е24; Е96	2,2 3 4,2 6,6 8,6	6 7 10,2 13 18,5

Из табл. 4.3 видно, что параметры резисторов практически одина­ко­вы.

Резисторы выбираем типа С2-33Н, т.к. они имеют более широкий диапа­зон рабочих температур, в этом типе есть резисторы точные +/- 1% и об­щего назначения +/-10%, диапазон номинальных сопротивлений шире, чем у остальных типов резисторов.

Два резистора R2 (47Ком) и R24 (2,2Ком) – переменные. Основные требо­вания, предъявляемые к ним следующие: соответствие номинальной мощ­ности, диапазон номинальных сопротивлений, габаритные размеры.

Рассмотрим некоторые типы переменных резисторов (см. таблицу 4.4):

Таблица 4.4 – Основные параметры переменных резисторов типа СП5-16ВА, СП3-1, СП5-16ВВ

Тип	Ном. мощ-ность, Вт	Диапазон ном. сопротивлений	Допуск, % (ряд пром. знач.)	Габаритные размеры
				ширина, мм	длина, мм	высота, мм
СП5-16ВА	0,25 0,5 1	3,3ом …22Ком 3,3ом …33Ком 4,7ом …47Ком	5; 10 Е6;	11 13 16,5	11,5 11,5 11,5	---
СП3-1	0,25	470ом…1Мом	20; 30 Е6;	15,5	16,5	8,2
СП5-16ВВ	0,125 0,05	10ом …6,8Ком 47ом …47Ком	---	8 6	6 4,2	---

Выбираем резисторы типа СП5-16ВВ. Их главное преимущество: мини­мальные габаритные размеры и, следовательно масса.

Основными критериями выбора типа диодов являются:

• прямое предельное напряжение и ток;

• обратное предельное напряжение и ток;

• масса;

Таблица 4.5 – Основные параметры диодов типа КД 209А, КД 247А,

КД 522Б.

Тип	Iпр.ср.,А	Uобр.max.,В	Uпр.ср.,В	Iпр.ср.,А	Iобр.ср.,mA	Масса, г
КД 209А	0,7	400	1	0,7	0,1	0,5
КД 247А	0,3	200	1	0,4	0,05	0,5
КД 522Б	0,1	60	1,1	0,1	5	0,15

Данные диоды удовлетворяют требованиям прямого и обратного предель­ного напряжение и тока, обладают небольшой массой и габаритными раз­мерами. Внешний вид диодов типа КД 209А, КД 247А, КД 522Б пред­ставлен на (рис 4.1) [9]:

Рис 4.1 Внешний вид диодов КД 209А, КД 522Б, КД 247А

Выбираем стабилитрон VD13 на 5,6В. Это КС 456А (рис 4.2), его ос­нов­ные параметры:

• Напряжение стабилизации – 5,6В;

• Максимальный (минимальный) ток стабилизации – 55(3) мА;

• Масса — 1г.

• В качестве светодиода VD20 выбираем АЛ336К. Его основные параметры:

• Предельный ток – 10 мА;

• Предельное напряжение питания – 2В;

• Масса – 0,35г;

Рис 4.2 Внешний вид стабилитрона КС 456А

В ССД все транзисторы, кроме VT1 используются в режиме ключей, по­этому основными параметрами для выбора являются:

• Максимальная рассеиваемая мощность транзистора;

• U_кэ не менее 12В;

• I_к не менее 200мА;

• U_{кэ нас} не более 0,3В при I_кэ=50мА;

• Максимальная частота f не более 4МГц;

VT1 используется как в режиме ключа, так и в режиме усиления, поэтому кроме перечисленных параметров, для него важной характери­стикой яв­ляется коэффициент усиления. В качестве транзисторов выби­раю КТ 6114А, КТ6115Б.

Таблица 4.6 – Основные параметры транзисторов типа КТ 6114А, КТ 6115Б, КП 505А

Тип		Uкбо(и),В	Uкэо(и), В	Iкmax(и), мА	Iкбо, мкА	Pкmax(т), Вт, при t=25оС	Масса, г
КТ 6115Б	p-n-p	40	25	1500	 150	1	0,25
КТ 6114А	n-p-n	40	25	1500	 150	1	0,25
КП 505А	p-n-p	300	300	1000	 100	1	0,25

Таблица 4.7 – Основные климатические и надежностные характеристики транзисторов типа КТ 6114А, КТ 6115Б, КП 505А.

Тип	Диапазон рабо­чих температур, оС	Предельная относи­тельная влажность воздуха	Предельное ат­мосферное дав­ление	Минимальная нараборка, ч.
КТ 6115Б	-20…+125	До 98% при 35оС	10-6…800мм р.ст.	10000
КТ 6114А	-20…+125	До 98% при 35оС	10-6…800мм р.ст.	10000
КП 505А	-20…+125	До 98% при 35оС	10-6…800мм р.ст.	10000

Рис 4.3 Внешний вид корпуса транзисторов КТ 6114А, КТ 6115Б, КП 505А

Выбираемый микроконтроллер должен обладать минимум 16 циф­ро­выми ли­ниями ввода вывода и шестью аналоговыми. Также он должен до­вольно легко програм­мироваться (по возможности без программатора).

С точки зрений программирования очень привлекательны микро­кон­тролле­ры, в которых реализована так называе­мая ISP-технология (In-System Programming — внутри­схемное програм­мирование). Для того чтобы загру­зить в микроконтроллер новый про­граммный код, его не нужно выни­мать из платы: программирование производится внут­рисхемно через специ­альные выводы. Более того, для некоторых модификаций не нужен даже про­грамма­тор — "про­шивка" осуществляется через парал­лельный порт компью­тера. Есте­ственно, что наиболее приемлемое решение — использование в системе именно такого микроконтроллера, который не требует дополнитель­ных средств для прошивки.

Для реализации поставленной за­дачи выбран микроконтроллер PIC16F870-4/4IP.

Он имеет 8 Кбайт внутрисхемно програм­мируемой флэш-памяти про­грамм с ре­сурсом 1000 циклов перезаписи, 2 Кбайт встроенной EEPROM (электри­чески стираемой программи­руемой по­стоянной памяти), 256 байт ОЗУ, 16 ли­нии ввода/вывода, три тай­мера, сторо­жевой таймер, аппаратно поддержива­ет SPI интерфейс. Тактовая час­тота — 0...24 МГц (один машин­ный цикл выполняется за 12 тактов, следовательно, мак­симальная про­изводи­тельность — два миллиона операций в секунду).

Выбор именно этого микроконтрол­лера обоснован следующим. Мик­рокон­трол­леры имеют обширный набор инструкций, что об­легчает програм­мирование на низком уровне (на­пример, поддерживаются операции над от­дельными битами). ISP-техноло­гия ускоряет отладку и об­легчает разработ­ку, аппаратная поддержка SPI интерфейса позволяет под­ключать флэш-память без дополнительного про­токола. 2 Кбайт встроенной EEPROM можно ис­пользовать для хранения ин­формации, со­хран­ность которой должна быть обеспечена независимо от наличия внешнего пита­ния. 16-х линий ввода/вы­вода вполне достаточно для реализации описы­ваемой системы.

Сторожевой таймер гарантирует ра­ботоспособность системы при воз­дей­ствии силь­ных электромагнитных помех, которые могут привести к зави­санию кон­троллера. Сто­рожевой таймер пред­ставляет собой независи­мую подсистему в микро­контроллере, ко­торая каждые N тактов проверяет состоя­ние одного бита в статус-регистре микро­процессо­ра. Если этот бит, ус­танов­лен, происхо­дит сбрасывание микро­контроллера в начальное состоя­ние, а если сбро­шен, — устанавливается в 1 и проверка прекращается. Соот­ветст­венно выполняемая программа должная с периодичностью не более N тактов сбрасывать этот бит. Если этого не происходит, значит, работа мик­ро­кон­троллера была нарушена внешней помехой и при сле­дующем срабатыва­ний сторо­жевого таймера микроконтроллер будет сброшен в начальное со­стоя­ние.

Структурная схема микроконтроллера PIC16F870-4/IP приведена на рис.4.4 [10].

Проведем анализ приведенных характеристик ЭРЭ на предмет их со­от­ветствия заданным условиям работы изделия.

Рис 4.4 Структурная схема микроконтроллера PIC16F870-4/IP

Заданный температурный диапазон -10…+60С. Очевидно, что все эле­менты удовлетворяют данному требованию, т.к. их интервалы рабочих тем­ператур шире заданного. То же имеем и с диапазоном давлений и относи­тельной влажностью воздуха – задано 80% влажность, а большинство эле­ментов работают при влажности до 98%.