Введение
В процессе развития науки и техники создаваемые человеком технические системы, устройства, сооружения становятся все более сложными. Вместе с этим, требования предъявляемые к новым изделиям становятся более жесткими. Новые технические решения должны отличаться надежностью и ремонтопригодностью, удовлетворять установленным техническим условиям, быть дешевыми.
Основное требование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т. е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности.
Современные методы конструирования должны обеспечивать:
- снижение стоимости, в том числе и энергоемкости;
- уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы;
- увеличение степени интеграции, микроминиатюризацию межэлементных соединений и элементов несущих конструкций;
- магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода;
- взаимосвязь оператора и аппаратуры;
- широкое внедрение методов оптимального конструирования; высокую технологичность, однородность структуры;
- максимальное использование стандартизации.
Задача проекта состоит в том, чтобы, используя знания, полученные при изучении конструкторских и технологических дисциплин научиться создавать и моделировать конструкции радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, с учётом патентной чистоты и патентоспособности; обеспечивать надёжность конструкций по четырем составляющим - безотказности, долговечности, сохранности и ремонтопригодности.
1. Разработка технического задания
Наименование и шифр работы
Наименование ОКР -- «Разработать и изготовить опытные образцы модуля контроля полноты заряда аккумуляторных батарей».
Основание для выполнения ОКР.
Настоящая работа выполняется на основании задания на курсовое проектирование, от 01.09.2012 г.
Заказчик -- Кафедра РЭС.
Сроки выполнения.
Сроки выполнения ОКР в соответствии с заданием -- 01.09.2012 г. -- 01.12.2012 г.
Предприятие-исполнитель ОКР.
Предприятие-исполнитель - студент группы ИИТ 1.5 Предприятие-изготовитель.
Предприятие-изготовитель - студент группы ИИТ.
Источник финансирования.
Источник финансирования - кафедра РЭС.
Цель, задачи, назначение ОКР.
Целью работы является создание опытных образцов модуля контроля полноты заряда аккумуляторных батарей.
Основные требования
Модуль контроля полноты заряда аккумуляторных батарей должнен удовлетворять требованиям настоящего ТЗ.
Конструкторская документация должна соответствовать требованиям
ЕСКД.
Состав изделия
Состав изделия приведен в таблице1.1.
Таблица 1.1. Состав изделия
|
Наименование |
Кол-во |
Назначение |
|
|
1.Плата печатная |
1 |
Обеспечение работоспособности устройства |
|
|
2.Корпус |
1 |
Обеспечение защиты от внешних воздействий и удобство пользования |
|
|
3.Эксплуатационная документация |
1 |
Обеспечение потребителя сведениями о технических характеристиках, устройстве, работе и обслуживании |
Технические требования.
Требования к конструкции.
Напряжение питания: 9 В.
Ток потребления: 3 мА.
Габариты: 180x130x20
Требования к надежности.
Средняя наработка на отказ должна быть не менее 10000 ч.
Средний ресурс должен быть не ниже 10000 ч.
Средний срок службы должен быть не менее 5 лет.
Требования к технологичности
Должны быть разработаны и изготовлены технологическая оснастка и средства автоматической диагностики устройства.
Требования к уровню унификации и стандартизации.
При разработке должны по возможности максимально использоваться стандартные и унифицированные устройства, узлы и детали.
Требования к безопасности и экологии.
Модуль контроля полноты заряда аккумуляторных батарей не должен по возможности содержать вещества наносящие вред окружающей среде, а также требующие специальных мер при утилизации изделия.
Модуль контроля полноты заряда аккумуляторных батарей должен соответствовать требованиям безопасности, установленным ГОСТ 27451-87, ГОСТ 26104-89.
Эстетические и эргономические требования.
Форма, компоновка и внешний вид изделия должны соответствовать его функциональному назначению и обеспечивать удобство обслуживания при настройке, ремонте и эксплуатации.
Требования к метрологическому обеспечению.
Метрологическая экспертиза конструкторской документации должна производиться службой нормоконтроля предприятия-разработчика.
Требования к патентной чистоте.
По схемным и конструкторским решениям должен обладать патентной чистотой.
Требования к упаковке и маркировке.
Маркировка и упаковка должны соответствовать требованиям ГОСТ 27451-87.
Требования к транспортированию, эксплуатации, хранению модуль контроля полноты заряда аккумуляторных батарей в упакованном виде должен допускать транспортирование в закрытых транспортных средствах любого вида наземного транспорта, и в отапливаемых герметизированных отсеках самолета при температуре окружающего воздуха от минус 20 до плюс 45С и относительной влажности (90±3)% при температуре 35°С.
- модуль контроля полноты заряда аккумуляторных батарей должен быть устойчив к воздействию:
- температуры окружающего воздуха от -20 до +45°С;
- относительной влажности воздуха до 90%;
- атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа.
Условия хранения модуля контроля полноты заряда аккумуляторных батарей без упаковки должны соответствовать требованиям ГОСТ 27451-87.
Этапы ОКР
Этапы ОКР определяются планом в соответствии с заданием на курсовое проектирование.
Порядок рассмотрения, сдачи и приемки результатов ОКР.
Перечень конструкторской документации, предъявляемой на каждом этапе, должен соответствовать ГОСТ 2.102-68.
Порядок разработки, согласования и утверждения документов, предъявляемых по окончании отдельных этапов и работы в целом, должен соответствовать СТБ 1080-97.
Настоящее ТЗ в процессе выполнения работы может уточняться и изменяться. Изменения в утвержденное ТЗ вносятся выпуском дополнения, которое согласуется и утверждается в том же порядке, что и основной документ, либо через акты приемки этапов работы при условии подписания актов на том же уровне, что и ТЗ.
2. Патентный поиск
Предмет поиска: измерительный прибор, частотомер.
Индекс: G01R31/36
Страны поиска: СНГ.
Глубина поиска: 1996 - 2008 гг.
Источники информации: в качестве источников информации использовался фонд описания изобретения.
Результаты поиска и выявленные аналоги их существенные признаки сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1. Результаты патентного поиска
|
Признаки используемого объекта |
Номер охранного документа и название выявленного аналога |
Признаки выявленных аналогов |
|
|
Устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи |
№96115432 |
Устройство автоматического контроля технического состояния элементов свинцовой аккумуляторной батареи, содержащее блок определения остаточной емкости АБ в режиме импульсного разряда, который соединен с аккумуляторной батареей, отличающееся тем, что данное устройство дополнено блоком управления на выходы которого подключены блок коммутации, зарядное устройство и индикатор, на вход блока управления подключен блок сравнения, входы которого соединены с выходами блока эталонной кривой и измерителя внутреннего сопротивления, входы которых через блок коммутации подключены к испытываемому аккумулятору. |
|
|
Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора |
№95121423/09 |
Устройство предназначено для определения напряжения, плотности, уровня и температуры электролита, остаточной емкости и диагностического параметра свинцового аккумулятора, позволяющего оценивать сопротивление диффузии электролита и устанавливать время проведения профилактических мероприятий. Устройство содержит блок обработки результатов измерений с оперативной памятью, памятью программ и энергонезависимой памятью с электрическим стиранием, измеритель уровня электролита, цифровой вольтметр с аналого-цифровым преобразователем, интерфейсным блоком, модулем гальванической развязки и блоком питания. При этом ЭВМ выполнена вычисляющей остаточную емкость и диагностический параметр аккумулятора по полученным авторами формулам. Техническим результатом является снижение габаритов устройства и повышение точности определения состояния аккумулятора. |
|
|
Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока |
№2002128499/09 |
Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ). |
|
|
Устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей |
№2004123757/09 |
Устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей, содержит цифровой генератор напряжения инфранизкой частоты, подключенный одним выводом к аккумуляторной батарее, другим выводом через разделительный конденсатор - к измерителю напряжения, отличающееся тем, что цифровой генератор напряжения инфранизкой частоты выполнен в виде задающего генератора синусоидального тока инфранизкой частоты с одним дополнительным выводом, причем основной выход задающего генератора синусоидального тока инфранизкой частоты подключен к аккумуляторной батарее и через разделительный конденсатор ко входу нуль-органа измерителя напряжения, а дополнительный выход - ко входу вентиля, причем измеритель напряжения выполнен цифровым и содержит вентиль, нуль-орган, счетчик, преобразователь код-напряжение и генератор тактовых импульсов, причем выход генератора тактовых импульсов подключен ко второму входу вентиля, выход нуль-органа - к третьему входу вентиля и ко входу указателя емкости, выход вентиля - ко входу счетчика, выход счетчика измерителя напряжения подключен к указателю емкости и к кодовому входу преобразователя код-напряжение, а источник опорного питания - к дополнительному входу этого преобразователя, выход преобразователя подключен ко второму входу нуль-органа. |
|
|
Устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей |
№2005100370/09 |
Устройство используется для измерения реактивного сопротивления аккумуляторной батареи, соответствующего определенному значению степени ее заряженности. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности устройства. Устройство содержит задающий генератор синусоидального тока, подключенный одним выводом к измерителю, другим выводом к батарее, а измеритель выполнен цифровым и содержит компенсирующее устройства, преобразователь код-напряжение и регистр результата, причем упомянутый выход задающего генератора синусоидального тока подключен ко входу компенсирующего устройства, а дополнительный вывод - к кодовому входу преобразователя код-напряжение, источник опорного питания - к аналоговому входу этого преобразователя, выход преобразователя подключен ко входу регистра результата, выход компенсирующего устройства подключен ко входу преобразователя код-напряжение. |
Отличительными чертами разрабатываемого устройства являются большой спектр тестируемых батарей (от дисковых Д-0,1 до автомобильных аккумуляторов), экономичность и автономное питание.
3. Анализ исходных данных и основные технические требования к разрабатываемой конструкции
3.1 Анализ электрической схемы
На операционном усилителе DA1 (КР140УД1208) и полевом транзисторе VT1 (КП742) собран стабилизатор тока разрядки. Значение этого тока определяется напряжением на неинвертирующем входе DA1, которое устанавливается кнопками SB3.1 - SB3.3 и резистором (R10, R11 и R13). Переключают эти резисторы кнопками SB4.1 и SB4.2. Вход установки тока потребления DA1 (вывод 8) использован для управления стабилизатором тока. При высоком уровне на этом выводе транзистор VT1 закрывается и ток разрядки равен нулю.
На операционном усилителе DA2 (КР140УД1208) собран компаратор напряжения, который контролирует напряжение на аккумуляторе, при этом на неинвертирующий вход с резистивного делителя R21 R24 поступает стабильное напряжение около 1В, а на инвертирующий - напряжение с резистивного делителя R1-R6R23, который подключен к аккумулятору. С помощью кнопок SB1.1-SB1.5, SB2 изменяют коэффициент деления, а диоды VD4, VD5 защищают вход ОУ. Компаратор на DA2 переключится в состояние с высоким уровнем на выходе, если напряжение аккумулятора будет меньше значения, установленного кнопками SB1.1-SB1.5, SB2.
На операционном усилителе DA3 (КР140УД1208) собран компаратор, контролирующий напряжение батареи GB1, он переключится, если оно станет менее 7В. Стабилизатор напряжения питания собран на микросхеме DA4 (КР142ЕН19) и на транзисторе VT2 (КТ315Б). Напряжение делится на две неравные части: одну стабилизированную +5В, а вторую нестабилизированную (-2…-4В). Напряжение +5В использовано как образцовое для компараторов и стабилизатора тока разрядки.
Счетчик интервала времени собран на микросхемах DD1 (К561ТМ2), DD3, DD5 (К176ИЕ3), DD4, DD6 (К176ИЕ4), DD7 (К176ЛП2) и четырехразрядном цифровом индикаторе HG1. На микросхеме DD2 (К176ИЕ12) собран генератор импульсов я периодом следования 1 минута, частота его стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Кроме того, эта микросхема формирует импульсы с частотой 128Гц, которые поданы на счетный вход триггера DD1.2. На его выходе присутствуют импульсы с частотой следования 64Гц и скважностью 2, которые поступают на входы S микросхем DD3-DD6 и необходимы для работы ЖКИ. Импульсы с частотой 1Гц поступают на вход логического элемента DD7.1, а сего выхода - в цепь управления десятичной точкой второго разряда ЖКИ. Имеющийся в микросхеме делитель частоты на 60 имеет отдельный вход начальной установки (выход 9), что позволяет управлять подачей минутных импульсов без нарушения работы индикатора. В момент включения питания триггер DD1.1 устанавливается в состояние с высоким уровнем на инверсном выходе, поэтому импульсов с периодом следования 1 минута на выходе микросхемы DD2 нет. ОУ DA1 выключен, счетчики DD3-DD6 установлены в нулевое состояние, поэтому на ЖКИ выведены нули. После установки требуемых параметров режима разрядки (напряжения кнопками SB1.1-SB1.5, SB2, тока кнопками SB3.1 - SB3.3, SB4.1, SB4.2) подключают испытываемый аккумулятор и нажимают на кнопку SB6 «Пуск». Триггер DD1.1 переходит в состояние с низким уровнем на инверсном выходе, стабилизатор тока включается, на выводе 10 микросхемы DD2 появляются импульсы - начинаются разрядка и отсчет интервалов времени. При этом на индикаторе мигает точка между разрядами часов и минут.
По мере разрядки аккумулятора напряжение на нем уменьшается, и при достижении установленного уровня компаратор на ОУ DA2 переключится, на его выходе появится высокий уровень, который установит триггер DD1.1 в состояние с высоким уровнем на выводе 12. Стабилизатор тока отключится и отсчет времени прекратится. При этом на ЖКИ выводится продолжительность разрядки аккумулятора. Если напряжение батареи GB1 станет меньше 7В, то переключится компаратор на ОУ DA3 и высокий уровень поступит на вход элемента DD7.2, поэтому на ЖКИ будут мигать точки в первом, третьем и четвертом разрядах, сигнализируя о том, что батарею необходимо заменить..
3.2 Анализ условий эксплуатации и климатических факторов
Изделие должно сохранять свои параметры в пределах норм, установленных техническим заданием, стандартами или техническими условиями в течение сроков службы и сохраняемости, указанных в техническом задании после или в процессе воздействия климатических факторов, значения которых установлены в ГОСТ 15150-69.
Разрабатываемый модуль контроля полноты заряда аккумуляторных батарей предназначен для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатами.
Исходя из сказанного, контроллер будет изготавливаться в климатическом исполнении УХЛ.
Разрабатываемый модуль предназначен для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях (с отсутствием воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, ветра, песка, пыли, наружного воздуха, отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги), а конкретнее - в лабораториях, капитальных жилых и других подобного типа помещениях. Следовательно, устройство относится к категории исполнения 4.2.
Нормальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации изделия принимают равными следующим значениям:
- верхнее рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +35°C;
- нижнее рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +10°C;
- верхнее предельное рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +40°C;
- нижнее предельное значение рабочей температуры окружающего воздуха при эксплуатации +1°С;
- величина изменения температуры окружающего воздуха за 8 часов 40°С;
- верхнее значение относительной влажности при + 25°С - 80%;