МИНИСТЕРСТВО   ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ  ОБЛАСТИ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №200

С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧНИЕМ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ

 Направление  научно-техническое

Секция: техника и технология

Радиотехника на практике. Сборка многофункционального индикатора

Исполнитель: Максимов Егор Дмитриевич

9 класс,

МБОУ СОШ №200

                                                     Руководитель: Негатина Вера Сергеевна,  

                                                                    учитель физики высшей категории,

МБОУ СОШ №200

Екатеринбург

2013

Содержание

Введение        

Глава 1. Теоритическая часть        

1.1 Изучение азов        

1.2 Подбор схемы        

1.3 Подготовка печатной платы        

1.4 Пайка электронных компонентов        

Глава 2. Практическая часть        

2.1 Создание концепта        

2.2 ЛУТ        

2.3 Вытравливание печатной платы и пайка        

2.4 Программирование управляющего микроконтроллера (МК)        

2.5 Подведение итогов        

Заключение        

Источники информации        

Приложения        

Введение

В наше время в кругу инженеров слышатся все новые имена, которые порой выходят из узких рамок науки в социальную сферу жизни. Каждый изобретатель начинает с разработки простых устройств, для создания которых достаточно только воображения, личной заинтересованности и желания. К изобретению таких устройств подталкивает нежелание выполнять цикл однотипных действий. Для меня важно следить за показателями работы моего компьютера, следить за различными процессами, а также выполнением определенных сценариев (например, окончанием загрузки файла), что отнимает время и силы. Поэтому передо мной встала задача – придумать свое устройство, которое избавило бы меня от исполнения длинных алгоритмов,  и собрать его. Чтобы ускорить процесс, мною было принято решение взять за основу схему готового устройства, а затем доработать ее. За основу мною была взята идея о том, как сократить количество действий, необходимых для вывода наиболее часто востребованной информации с ПК, например отслеживать показатели загруженности ЦП или ОЗУ. Так как радиотехника достаточно трудоемкая наука, передо мной встал ряд трудностей, а именно подборка основной схемы, поиск необходимых деталей, выработка собственных параметров технологий на разных этапах сборки устройства, поиск метода переноса программы на управляющую устройством микросхему. В этом состоит актуальность работы.

Возникает проблемный вопрос: может ли человек, не имеющий базы знаний о практическом использовании физических знаний об электричестве, взять за основу готовую схему, модернизировать и собрать исправную модель электронного устройства, задействовав разные источники информации?

        Предположим, что, имея доступ к необходимым источникам, можно получить базу знаний и при помощи изученных материалов доработать готовую проверенную схему до желаемой концепции и собрать по ней работающее устройство.

Поэтому целью работы является собрать работоспособное устройство, обладающее полезным функционалом и выгодное с экономической точки зрения.

На основе поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• Изучить основы радиотехники, а также любительские радиосхемы;
• На основе полученных данных, разработать собственный концепт самодельного устройства;
• Выделить наиболее схожую с разработанным устройством схему путем отсеивания;
• Модернизировать выбранную схему до разработанного концепта на одном из предшествующих этапов;
• На основе коррективов, собрать устройство по схеме своими руками.
• Подвести итог полученному результату с экономической, технической и рациональной сторон и огласить возможное усовершенствование сделанного устройства в будущем.

Объектом исследования является радиотехника, предметом – индикатор-диммер («регулируемый» индикатор).

Основными источниками по теме исследования стали интернет-ресурсы, помощь специалистов.

Работа состоит из введения, двух глав и заключения.

Глава 1. Теоритическая часть

1.1 Изучение азов

Чтобы приступить к разбору практических моментов, прежде всего, нужно обладать базой знаний об электричестве из школьной программы. Наиболее важную роль здесь играет закон Ома, который гласит: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению». Важно знать, чем последовательное соединение отличается от параллельного. Зная эти и другие тонкости, можно обратиться собственно к тому, на основе чего и собираются все схемы – радиоэлементам. Радиотехника как наука появилась с изобретением полевого транзистора в 1927 году. Основные элементы, которые присутствуют почти на каждой схеме немного, это резистор, конденсатор, транзистор. Резистор служит для понижения силы тока, конденсатор – для стабилизации тока, транзистор исполняет роль «переключателя». Эти элементы сами по себе ничего дать не могут, они лишь создают условия для работы других элементов, например светодиодов, микросхем, ЖКИ, динамиков и т.д. (см. прил. №1). Конечно, этого недостаточно чтобы делать свои схемы, которые бы были полезны, но в исследовательской работе разбирается получение навыков радиолюбителя путем сборки видоизмененной готовой схемы, которая отбирается из интернета.

1.2 Подбор схемы

Теперь рассмотрим следующий шаг. Чтобы изменить схему, нужно точно знать, что нужно получить от измененной схемы и что дает схема начальная, и на основе этих фактов получить некий перечень функций, которые будут изменены или добавлены в новом устройстве. На основе полученных данных следует найти способы достижения результата. Здесь может помочь и помощь специалиста, и детальное рассмотрение другой схемы, которая позволяет использовать искомые возможности, затем несколько схем «совмещаются» в одну.

1.3 Подготовка печатной платы

После того, как схема с элементами подготовлена, необходимо в специальной программе составить изображение дорожек на плате в соответствии с подготовленной схемой. Здесь можно столкнуться с проблемой размещения, когда невозможно провести дорожку до искомой точки, не пересекая другую, образуя лишнее пересечение. В этом случае делают «мост» через ненужные дорожки для необходимого соединения путем припаивания проводка. Такой проводок или проволока будет играть роль перемычки.

Пайку осуществляют на текстолите или стеклотекстолите, который прочнее первого. На одну из сторон планки нанесен тонкий слой меди. Чтобы медь была только на месте будущих дорожек, нужно перенести рисунок с ними на текстолит поверх меди. Наиболее популярный способ в наши дни это ЛУТ (лазерно-утюжная технология). Он заключается в том, что дорожки переносятся при помощи лазерного принтера и утюга или ламинатора. На глянцевой бумаге лазерным принтером печатается схема дорожек, а затем бумага кладется на медный слой текстолита тонером вниз, после чего бумагу нагревают утюгом, тонер плавится и оседает на пластине. В этом способе есть много таких тонкостей, как выбор глянцевой бумаги, время прогрева утюгом и способ сдирания ненужной более бумаги с текстолита. В практической части был рассмотрен конкретный случай.

После того, как плата подготовлена, нужно вытравить лишнюю медь. Это можно сделать при помощи раствора хлорного железа или медного купороса. Раствор хлорного железа гораздо эффективнее купороса, но попадание его на кожу может вызывать ожоги, а его пары ядовиты. При вытравливании слой меди, на который не попал тонер, сходит, а под тонером остаются ровные дорожки. Когда процедура травления окончена, тонер с дорожек можно легко убрать ацетоном.

Для защиты от коррозии можно использовать сплавы Розе или Вуда, которые легко плавятся в кипятке и оседают на медных дорожках, однако этот шаг не был рассмотрен в рамках темы данной исследовательской работы.

Когда дорожки готовы, предпоследним шагом является высверливание отверстий, в который будут впаяны радиоэлементы: тонким сверлом (достаточно 1мм в диаметре) дрелью высверливаются голые участки текстолита, обведенные медным кольцом.

1.4 Пайка электронных компонентов

Последним шагом является сама пайка электронных компонентов на плату. Для пайки используют припой (сплав на основе олова и свинца) и специальную химию, которая защищает места пайки от коррозии. Химия бывает нескольких видов: жир (активный или нейтральный), кислота или канифоль. Для начала жало паяльника опускают в химический состав, затем жало одновременно с припоем подносят к ножке электронного компонента, который предварительно вставляется в нужные отверстия на плате с внешней стороны (см. прил. №7). Припой плавится под температурой жала и растекается ровным слоем на поверхности платы. Спустя секунду можно убирать паяльник и припой. Чтобы добиться одинаковых мест пайки требуется набраться опыта, со временем их будет трудно отличить друг от друга [http://fi-com.ru/technics/soldering.php].

Ножки электронных компонентов достаточно длинные, чтобы было удобно наносить припой, однако после пайки они будут мешать (средняя длина ножки у резисторов около 2,5 см) поэтому их следует аккуратно отрезать специальным инструментом или плоскогубцами. Припой легко плавится и прилипает к жалу паяльника, поэтому если во время пайки припой создал ненужное соединение, то убрать его не составит труда. При пайке важно, чтобы припой закрывал отверстие, в которое вставляется ножка радиоэлемента, после пайки они должны быть зафиксированы, если элемент болтается, нужно жалом паяльника расплавить припой в ненадежном месте и повторить пайку этого элемента.

На данном этапе изготовление схемы можно считать законченной.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Создание концепта

Действуя по плану задач, после изучения теории, был разработан концепт желаемого устройства. Выбор пал на индикатор, который выводил бы информацию, для получения которой простым способом требовалось совершить много однотипных действий. Люди, которые часто используют компьютер с различными целями порой прибегают к подобным алгоритмам, когда им требуется узнать важные для них данные о системе, производительности и другой деятельности персональных компьютеров.

После определения с концептом, я использовал интернет ресурсы для поиска уже разработанной схемы, наиболее близкой по функционалу к искомой. Было рассмотрено несколько таких схем, из которых была выбрана одна схема, которая подходила по многим параметрам, но также имела некоторые отличия (см. прил. №2). В найденной схеме отсутствовала связь с ПК через USB. Само устройство позволяло выводить на ЖКИ (жидкокристаллический индикатор) несколько запрограммированных эффектов. Питание осуществлялось через источник питания 12В [http://radiokot.ru/circuit/light/run/22/]. Для осуществления поставленной задачи требовалось заменить источник питания, обеспечить обмен данных между микросхемой с компьютером.

Снова обратившись к интернет ресурсам, мною был найден проект «V-USB», который позволял обеспечить обмен данных и питание через USB. К пояснениям прилагались схема для усовершенствования и исходные пакеты для программирования контроллера, в данном случае микросхемы, обеспечивающей работу устройства (см. прил. №5).

Поняв принцип действия, мне удалось объединить две схемы в одну сначала при помощи взаимодействия двух плат, а затем, вставить одну схему в другую, что облегчило итоговую конструкцию.

Устройство в своем концепте играет роль индикатора, который может выводить через ЖКИ информацию, получаемую из компьютера. Оно оборудовано четырьмя светодиодами и звуковым сигнализатором. Предусмотрено дополнительное подключение через запасной выход. 7 кнопок обеспечивают навигацию и настройку функций дисплея. Изначально схема предполагала наличие трех запасных выходов, но они были опущены на увеличение качества соединения платы с удлинителем USB. Устройство было названо мною МФПИ(многофункциональный программируемый индикатор).

При помощи специальной программы Sprint Layout мне удалось нарисовать схему дорожек для программатора, который необходим для задания программы микросхем на основе найденной схемы соединения электронных компонентов (см. прил. №3;4), а также дополнить схему индикатора.

2.2 ЛУТ

Изучив советы, касающиеся ЛУТ, я приступил к перенесению схем дорожек на платы. Для того чтобы получить приемлемый результат, пришлось выработать свою технологию. При переносе тонера с бумаги на печатную плату я испробовал 2 типа бумаги, 3 режима температуры, 3 способа проглаживания утюгом, 3 промежутка времени, которые приходились на нагревание утюгом платы и 4 способа снятия прикипевшей бумаги с платы. Хороший результат был получен с ламинированной бумагой с обложки журнала при температуре около 180оC (две точки на шкале утюга) при оказании среднего давления утюгом первые 20 секунд, чтобы бумага приклеилась к пластине, а тонер не растекся от излишнего давления, а затем поглаживая центром утюга по всей плате около 90 секунд (итого ~110 секунд). Сразу после того, как утюг был убран с поверхности бумаги, получившийся «бутерброд» следует немедленно остудить (его температура слишком высокая, чтобы взять его в руки) струей холодного воздуха, в воду плату опускать не стоит. Затем, когда ее можно будет держать в руках без причинения вреда, бумагу следует немедленно отклеить, иначе тонер при полном остывании может снова прилипнуть к бумаге. С таким способом мне удалось перенести около 96% тонера на плату (см. прил. №6). Места, плохо отпечатавшиеся на пластине, можно закрасить спиртовым или водостойким маркером (мною был использован водостойкий маркер, толщиной 0.8 мм). Перенесение тонера выполнено, плата готова к вытравливанию.

2.3 Вытравливание печатной платы и пайка

Для вытравливания меди я использовал рецепт, который был найден при помощи интернет ресурсов. 1 ложка медного купороса к 4 ложкам поваренной соли на 300 мл воды. Среднее время вытравливания при этом составило 6 часов. В дальнейшем мною было принято решение задействовать хлорное железо, так как оно намного эффективнее порошка медного купороса, но требует навыков обращения с опасными веществами. После вытравливания ненужный более тонер был снят ацетоном.

Места пайки получились не такими ровными, как ожидалось, однако хороший результат приходит с постоянной практикой, с чем я соглашаюсь. Несмотря на это главным приоритетом было выработать работоспособное соединение, что было достигнуто Результаты итоговой сборки остались удовлетворительными.

2.4 Программирование управляющего микроконтроллера (МК)

Чтобы МФПИ работал, следуя программе, мне потребовался программатор, который я собирал параллельно с разработанным девайсом [http://prottoss.com/projects/AVR910.usb.prog/avr910_usb_programmer.htm]. Программатор, в который вставляется микросхема, подключается к ПК через USB, а затем переносит на нее выбранные пакеты программы, после чего микросхема с программой вставляется в устройство и осуществляет его работу. Чтобы осуществить синхронизацию ПК с устройством, мне пришлось изучить соответствующую документацию, которая прилагалась вместе с несколькими пакетами исходного кода, разработанного проектом V-USB [http://www.obdev.at/products/vusb/index.html] [http://vusb.wikidot.com/hardware]. После доработки программы, я осуществил прошивку управляющего МК.

2.5 Подведение итогов

В ходе исследования, общие затраты на инструмент и электронные компоненты составили около 1400 рублей, из них 900 рублей было вложено непосредственно в сборку устройства (см. прил. №8).

Особенности девайса:

• Синхронизация с ПК через USB
• Вывод информации через ЖКИ
• Поддержка усовершенствования программного кода
• Разборчивый интерфейс из 7 кнопок
• Дополнительные элементы оповещения(5 светодиодов, звуковое устройство)
• Многозадачность

Устройство может обладать следующим функционалом:

• Отображение загрузки ЦП и оперативной памяти
• Отображение полосы загрузки выбранного процесса
• Календарь и часы
• Будильник
• Оповещение от специальных сценариев

Заключение

     Таким образом, в ходе исследования, по моему мнению, была достигнута цель путем выполнения всех задач, оправдана актуальность. Без определенных знаний мне удалось получить необходимые сведения и навыки, при помощи которых удалось собрать работоспособное устройство с внесенными поправками, которое обладает рядом полезных функций и приемлемой ценой.

Источники информации

1. http://radiokot.ru/circuit/light/run/22/
2. http://prottoss.com/projects/AVR910.usb.prog/avr910_usb_programmer.htm
3. http://www.obdev.at/products/vusb/index.html
4. http://vusb.wikidot.com/hardware
5. http://cxem.net – метод вытравливания печатных плат
6. http://habrahabr.ru – ЛУТ
7. http://promelec.ru – интернет-магазин электронных компонентов в Екатеринбурге
8. http://fi-com.ru/technics/soldering.php

Приложения

Приложение 1

Электронные компоненты

Приложение 2

 Готовая схема, взятая за основу

Приложение 3

Схема программатора

Приложение 4

 Чертеж дорожек программатора

Приложение 5

 Дополнение к схеме устройства, осуществляющее синхронизацию с ПК

Приложение 6

 Результат,   полученный при помощи ЛУТа

Приложение 7

 Пример спаивания электронного компонента с печатной платой

Приложение 8

Подсчет средств, потраченных на изготовление устройства

Приложение 9

 Готовые изделия (слева-направо: программируемый индикатор, программатор)