Проектирование цифровых устройств

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

  

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕШЕНИЕМ В ПОМЕШЕНИИ

ДОПУСКАЮ курсовой проект к защите на промежуточной аттестации ___________________ 2020 г.   Зам. директора по ООП   ___________________ Е.А. Волобуева

Выполнил: Попов Андрей Владимирович (Ф. И.О. полностью) Обучающийся 3 курса _17ИТ16К_ группы По специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы углубленный уровень подготовки, очной формы обучения   Руководитель курсового проекта Преподаватель: Шмокин Алексей Михайлович                                                                    Оценка ________________________________

Пенза, 2020 г

 

Министерство образования Пензенской области

ГАПОУ ПО «Пензенский колледж информационных и промышленных технологий

 (ИТ - колледж)»

Учебный комплекс информационных технологий

 

УТВЕРЖДЕНО   Председатель методической цикловой комиссии профессиональных дисциплин по укрупнённой группе специальностей 090000 Информатика и вычислительная техника (Компьютерные системы и комплексы) М.Н. Шмокин ____ __________ 2020 г.

ЗАДАНИЕ

На курсовое проектирование

 по специальности 09.02.01

Компьютерные системы и комплексы

по дисциплине

Проектирование цифровых устройств

Вариант 100

Попова Андрея Владимировича группа 17ИТ16К

Дата утверждения задания: 10 февраля_ 2020 г. Дата окончания курсового проекта: 30 апреля 2020 г.

Тема курсового проекта: Блок управления освещением в помещении.

Техническое задание на проектирование:

1. Устройство для управления четырьмя осветительными приборами, состоящее из кнопки счётчика сигналов и реле, в зависимости от того какое число получается в счётчике выбирается последовательность работы 2-х парных осветительных приборов.

2. Устройство должно обеспечивать разный порядок включение двух нагрузок, работающих при напряжении питания 220 В и мощности каждой до 150 Вт. Необходимо обеспечить небольшие габариты, высокую надежность и экономичность.

Основные функции устройства и требования к нему:

напряжение питания Устройства 220 В, 50 Гц;

3. произвести компьютерное моделирование работы устройства.

Разработать:      

1.сборочный чертеж и чертеж печатной платы;

2. конструкцию управления освещением с помощью кнопки управления.

 

Содержание пояснительной записки

Разделы пояснительной записки	Содержание раздела	Сроки выпол-нения
Введение	Содержит постановку решаемой задачи; проблему, решаемую при проектировании устройства; характеристику области применения разработки; преимущества, получаемые при использовании устройства, а также описание физических явлений, лежащих в основе функционирования проектируемого устройства, анализ условий эксплуатации и технических данных.	10.03.2020
Разработка схемы электрической структурной	Содержит структурное описание разрабатываемого устройства, назначение основных блоков и узлов, их основные характеристики, а также раскрывается взаимодействие структурных элементов устройства.	18.03.2020
Разработка схемы электрической функциональной	Содержит описание функционирования как всего устройства в целом, так и функционирования отдельных блоков и узлов проектируемого устройства по схеме электрической функциональной.	24.03.2020
Разработка схемы электрической принципиальной	Содержит описание основных электрических характеристик элементной базы, расчеты параметров цепей, а также содержит описание работы проектируемого устройства по схеме электрической принципиальной.	28.03.2020
Моделирование работы схемы	Моделирование работы схемы проводится для подтверждения работоспособности устройства, уточнения его технических характеристик и оценки степени соответствия заданию.	02.04.2020
Разработка конструкции устройства	Содержит описание конструкции устройства. Расчет показателей надёжности устройства	08.04.2020
Заключение	Содержит краткие выводы по разделам курсового проекта.	13.04.2020
Список литературы	Содержит перечень используемой при работе над курсовым проектом литературы.	15.04.2020
Приложения	В приложения включаются результаты расчётов, выполненных компьютерным способом, перечень элементов (ПЭ3), спецификация (00), а также необходимые иллюстрации чертежи и схемы, не выносимые на листы графической части курсового проекта.	22.04.2020
Графическая часть	Лист 1 – схема электрическая структурная (Э1) Лист 2 – схема электрическая функциональная (Э2) Лист 3 – схема электрическая принципиальная (Э3) Лист 4 – чертёж печатной платы (ПП)	30.04.2020

 

Руководитель
курсового проекта_____________Шмокин А.М.

 

Задание получил_______________Попов А.В.

Содержание

Введение                                                                                               4

1 Разработка схемы электрической структурной                                 6

2 Разработка схемы электрической функциональной                          7

2.1 Сравнение аналогичных систем                                                      8

2.2 Описание схемы электрической функциональной                                ..8

3 Разработка схемы электрической принципиальной                            10

3.1 Выбор элементной базы                                                                10

3.2Описание работы схемы                                                              12

3.3Определение потребляемой мощности                                                   13

4 Моделирование работы схемы                                                        14

5Разработка конструкции устройства                                                17

5.1 Оценка показателей надежности                                                            18

Заключение                                                                                          21

Список литературы                                                                             22

..Приложение А Перечень элементов                                                       23

..Приложение Б Плата печатная                                                               25

..Приложение В Схема электрическая размещения                       27

..Приложение Г Ведомость курсового проекта…………………………...…29

Введение

Очень часто требуется в определённой части помещения, и не всегда удобно для этого пользоваться большим количеством переключателей. Для реализации этой задачи используется счётчик сигналов.

Управление осветительными приборами находит широкое применение в жилых домах, административных и производственных помещениях.

Контроль рабочего состояния и возможность переключения осветительных приборов при помощи одной кнопки стали популярными не только на производстве, но и в домашних условиях.

Выключатель света с одной кнопкой позволяет удобно включать или отключать свет для разных зон отдыха или работы.

Типичным устройством, позволяющим осуществить процесс, является выключатель света.

Подобные устройства, как правило, состоят из двух частей:

− Счётчика, который считает количество нажатий на кнопку от которого зависит в какой последовательности включатся лампы.

− Реле, которое управляет подачей тока к осветительным приборам.

Выполнение курсового проекта имеет главную цель – научиться самостоятельно решать конкретную техническую задачу по созданию цифровых устройств, выполняющих заданные функции имеющих заданные технические характеристики.

В ТЗ определены основные функции устройства и требования к нему

− Устройство для управления двумя парами осветительных приборов, состоящее из двух модулей, считающего и переключающего, которые можно использовать для двух канального управления.

− Устройство должно обеспечивать включение двух нагрузок, работающих при напряжении питания 220 В и мощности каждой до 150 Вт. Необходимо обеспечить небольшие габариты, высокую надежность и экономичность.

Основные функции устройства и требования к нему:

− напряжение питания Устройства: 220 В, 50 Гц;

− небольшие габариты, высокая надежность и экономичность.

Кроме основных задач, требуется произвести компьютерное моделирование работы устройства в САПР, разработать схему расположения и чертёж печатной платы.

Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) опирается на прочную научно-техническую базу. Это – современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации.

При выполнении данного курсового проекта требуется разработать структурную, функциональную и принципиальную схемы, определить номенклатуру микросхем, на базе которых будет реализовано данное устройство. Кроме того, необходимо выполнить ряд электрических расчётов потребляемой мощности устройства и расчёт надёжности.

 

Выбор элементной базы

При выборе элементной базы вычислительного устройства следует руководствоваться комплексом показателей от быстродействия до конструктивно-технического исполнения элементов. Исходными данными для обоснованного выбора элементов являются требования задания.

По условиям эксплуатации, по своей стойкости к внешним механическим и климатическим воздействиям интегральные микросхемы и дискретные компоненты (транзисторы, резисторы, конденсаторы и пр.) обычно на несколько порядков превосходят устройства, построенные на них. Анализ справочных данных на основе типы микросхем подтверждает это.

Основные параметры интегральной микросхемы стабилизатора 142ЕН12, используются в радио-электронной аппаратуре в широком спектре применения с функциональным назначением управляемый стабилизатор напряжения положительной полярности с напряжением на выходе 1,2-36,5V, сведенные в таблице 3.1

Таблица 3.1- Основные электро параметры микросхемы 142ЕН12.

Наименование параметра	Характеристики
Входное напряжение	1,2-36,5V
Минимальное падение напряжения	3.5V
Минимальный выходной ток	10mA
Нестабильность по току	0,2%/A
Нестабильность по напряжению	0,02%/V

В таблице 3.2 приведены основные параметры серий микросхем ТТЛ, которые по функциональному составу близки друг к другу, питаются от источника 5 В и отличаются друг от друга быстродействием и потребляемой мощностью. Как видно из таблицы 3.2, условиям проектируемого устройства наиболее полно отвечают микросхемы серии 74ALS190,                                                                                                                          которые при достаточном быстродействии 25 МГц обладают низкой потребляемой мощностью 12 мА. Именно эта серия микросхем выбирается в качестве базовой для разрабатываемого устройства.

Таблица 3.2 - Основные параметры микросхем ТТЛ

Тип микросхемы	74190	74ALS190	74F190	74LS190
Максимальная тактовая частота МГц	20	25	125	20
Ток потребления, мА	65	12	38	20

Из данной серии в устройстве применена микросхема 74ALS190 изображена на рисунке 3.1

  

Рисунок 3.1 – УГО микросхемы 74ALS190

Описание работы схемы

Схема электрическая принципиальная устройства приведена в графической части курсового проекта на листе КП-09.02.01-ПКИПТ-29-С-100-20 Э3. Перечень элементов к схеме электрической принципиальной представлен в приложении А курсового проекта.

В основе системы лежит счётчик сигналов. При нажатии на кнопку электрический сигнал проходит от блока питания к счётчику тем самым меняя в нём двоичное число на следующее. В зависимости какое число было получено на определённые входы подаётся сигнал.

Эти сигналы передаются в транзисторы которые находятся в полностью открытом состоянии для того чтобы получившийся сигнал был высокой мощности и смог переключить реле.

После того как сигнал от транзистора передался на реле оно переключается и передаёт напряжение от сети в нагрузку которая сможет запитать осветительные приборы.

Рисунок 3.2 – Схема блока управления освещением в помещении.

 

Моделирование работы схемы

Моделирование схемы проводится с целью подтверждения работоспособности устройства, уточнения его технических характеристик и оценки степени соответствия заданию. Во многих случаях, например в процессе разработки БИС, моделирование оказывается единственным способом достоверной верификации схемы.

В рамках курсовой работы эксперимент целесообразно осуществить с помощью моделирующей программы САПР Proteus, которая способна анализировать как цифровые, так и аналоговые схемы. Однако время моделирования схемы, включающей аналоговые узлы, может оказаться чрезмерным. Поэтому имеет смысл раздельное исследование функциональных узлов. Проверка цифровых узлов на уровне функциональной схемы выполняется с помощью логического анализатора (Logic Analyzer) и генератора двоичных слов (Pattern Generator). Необходимо также определить частоту следования (Clock) и частоту повторения циклов (Trigger). Задание параметров необходимо осуществлять после запуска симуляции (нажатием на кнопку  ) и перевода симуляции в режим паузы (нажатием на кнопку ), возможен также пошаговый режим симуляции (нажатием на кнопку ).

На рисунке 4.1 представлена основная форма проектирования устройства в САПР Proteus. После подбора аналогов электронных компонентов (при необходимости) и сборки схемы, устранения грубых ошибок и предупреждений САПР начинается окончательный этап моделирования.

Далее, после налаживания устройства, на уровне модели принципиальной схемы, произвели разработку конструкции.

На начальном этапе – разработка печатной платы, расположение и трассировка электрических компонентов по печатной плате в автоматическом, а при необходимости и в ручном режиме. Промежуточный и окончательный результаты предоставлены на рисунке 4.2.

 

Рисунок 4.1 – Основная форма проектирования устройства в САПР Proteus

 

 

Рисунок 4.2 – Полученная форма проектирования устройства в САПР Proteus

 

Проверка функционирования заключается в чтении логических состояний выходов, подключённых к зажимам логического анализатора, в каждом такте.

В результате построения комбинационной схемы (см. рисунок 4.3) были получены соответствия входных и выходных сигналов, которые подтвердили правильность работы схемы.

 

Рисунок 4.3 – Схема устройства в САПР Proteus

Заключение

В процессе выполнения работы данного курсового проекта была разработана схема блока управления освещением в помещении. Это устройство является частью системы автоматизации освещения.

В процессе проектирования приведён функциональный и структурный синтез цифрового устройства с заданными техническими характеристиками.

В результате курсового проектирования разработано устройство на уровне структурной, функциональной и принципиальной электрических схем, определена номенклатура микросхем. Кроме того, проведён фактической мощности потребления данного устройства и основные показатели надёжности.

В рамках проекта проверена работоспособность схемы путём моделирования в САПР Proteus и разработана конструкция.

Разработанное устройство полностью соответствует техническому заданию.

 

Список литературы

1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.

2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учебное пособие.- СПб, Изд-во БХВ – СПб, 2004

3. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств: Учеб. пособие / Под ред. Л.Н.Преснухина. - М.: Высшая школа, 1982.

4. Ридико Л. И. Применение кода RC-5. Схемотехника. – 2001. – №1, – С.2 – 4, Схемотехника. – 2001. – №2, – С.2 – 5.

5. Дж. Ф. Уэкерли Проектирование цифровых устройств. М, Постмаркет,

2002.

6. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2004.

7. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ.–М.: Высш.школа., 1987 г. – 318 с.

8. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. - М.: ИТАР-ТАСС, 1993.

9. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов.радио, 1979.

10. Схемотехника ЭВМ: Методические указания по курсовому проектированию./ Лернер М.И., Смирнов А.М., Шадрин М.П., Трифонов Е.Ф. -Пенза, РИО ППИ, 1986.

11. Чулков В.А., Смагин Ю.А., Фролов Г.В. Компьютерное макетирование электронных схем: Методическое пособие. - Пенза, Изд-во Пензенского технологического института, 1999.

12.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Блок управления освещением в помещении.

Перечень элементов

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(обязательное)

Блок управления освещением в помещении.

Плата печатная

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ В

(обязательное)

Блок управления освещением в помещении.

Схема электрическая расположения.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

(обязательное)

Блок управления освещением в помещении.

Ведомость курсового проекта

 

 

N стр.	Фор мат	Обозначение	Наименование	Кол-во листов	N экз	Прим.
1	А4	КП-09.02.01-ПКИПТ-29-С-100-20 ПЗ	Документация текстовая Пояснительная записка	30
2
3
4
5	А3	КП-09.02.01-ПКИПТ-29-С-100-20 Э1	Документация графическая Блок управления освещением в помещении. Схема электрическая структурная	1
6
7
8
9
10	А3	КП-09.02.01-ПКИПТ-29-С-100-20 Э2	Блок управления освещением в помещении. Схема электрическая функциональная	1
11
12
13
14
15
16
17

18	А2	КП-09.02.01-ПКИПТ-29-С-100-20 Э3	Блок управления освещением в помещении.   Схема электрическая принципиальная	1
19
20
21
22
23
24

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

  

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕШЕНИЕМ В ПОМЕШЕНИИ

ДОПУСКАЮ курсовой проект к защите на промежуточной аттестации ___________________ 2020 г.   Зам. директора по ООП   ___________________ Е.А. Волобуева

Выполнил: Попов Андрей Владимирович (Ф. И.О. полностью) Обучающийся 3 курса _17ИТ16К_ группы По специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы углубленный уровень подготовки, очной формы обучения   Руководитель курсового проекта Преподаватель: Шмокин Алексей Михайлович                                                                    Оценка ________________________________

Пенза, 2020 г

 

Министерство образования Пензенской области

ГАПОУ ПО «Пензенский колледж информационных и промышленных технологий

 (ИТ - колледж)»

Учебный комплекс информационных технологий

 

УТВЕРЖДЕНО   Председатель методической цикловой комиссии профессиональных дисциплин по укрупнённой группе специальностей 090000 Информатика и вычислительная техника (Компьютерные системы и комплексы) М.Н. Шмокин ____ __________ 2020 г.

ЗАДАНИЕ

На курсовое проектирование

 по специальности 09.02.01

Компьютерные системы и комплексы

по дисциплине

Проектирование цифровых устройств

Вариант 100

Попова Андрея Владимировича группа 17ИТ16К

Дата утверждения задания: 10 февраля_ 2020 г. Дата окончания курсового проекта: 30 апреля 2020 г.

Тема курсового проекта: Блок управления освещением в помещении.

Техническое задание на проектирование:

1. Устройство для управления четырьмя осветительными приборами, состоящее из кнопки счётчика сигналов и реле, в зависимости от того какое число получается в счётчике выбирается последовательность работы 2-х парных осветительных приборов.

2. Устройство должно обеспечивать разный порядок включение двух нагрузок, работающих при напряжении питания 220 В и мощности каждой до 150 Вт. Необходимо обеспечить небольшие габариты, высокую надежность и экономичность.

Основные функции устройства и требования к нему:

напряжение питания Устройства 220 В, 50 Гц;

3. произвести компьютерное моделирование работы устройства.

Разработать:      

1.сборочный чертеж и чертеж печатной платы;

2. конструкцию управления освещением с помощью кнопки управления.

 

Содержание пояснительной записки

Разделы пояснительной записки	Содержание раздела	Сроки выпол-нения
Введение	Содержит постановку решаемой задачи; проблему, решаемую при проектировании устройства; характеристику области применения разработки; преимущества, получаемые при использовании устройства, а также описание физических явлений, лежащих в основе функционирования проектируемого устройства, анализ условий эксплуатации и технических данных.	10.03.2020
Разработка схемы электрической структурной	Содержит структурное описание разрабатываемого устройства, назначение основных блоков и узлов, их основные характеристики, а также раскрывается взаимодействие структурных элементов устройства.	18.03.2020
Разработка схемы электрической функциональной	Содержит описание функционирования как всего устройства в целом, так и функционирования отдельных блоков и узлов проектируемого устройства по схеме электрической функциональной.	24.03.2020
Разработка схемы электрической принципиальной	Содержит описание основных электрических характеристик элементной базы, расчеты параметров цепей, а также содержит описание работы проектируемого устройства по схеме электрической принципиальной.	28.03.2020
Моделирование работы схемы	Моделирование работы схемы проводится для подтверждения работоспособности устройства, уточнения его технических характеристик и оценки степени соответствия заданию.	02.04.2020
Разработка конструкции устройства	Содержит описание конструкции устройства. Расчет показателей надёжности устройства	08.04.2020
Заключение	Содержит краткие выводы по разделам курсового проекта.	13.04.2020
Список литературы	Содержит перечень используемой при работе над курсовым проектом литературы.	15.04.2020
Приложения	В приложения включаются результаты расчётов, выполненных компьютерным способом, перечень элементов (ПЭ3), спецификация (00), а также необходимые иллюстрации чертежи и схемы, не выносимые на листы графической части курсового проекта.	22.04.2020
Графическая часть	Лист 1 – схема электрическая структурная (Э1) Лист 2 – схема электрическая функциональная (Э2) Лист 3 – схема электрическая принципиальная (Э3) Лист 4 – чертёж печатной платы (ПП)	30.04.2020

 

Руководитель
курсового проекта_____________Шмокин А.М.

 

Задание получил_______________Попов А.В.

Содержание

Введение                                                                                               4

1 Разработка схемы электрической структурной                                 6

2 Разработка схемы электрической функциональной                          7

2.1 Сравнение аналогичных систем                                                      8

2.2 Описание схемы электрической функциональной                                ..8

3 Разработка схемы электрической принципиальной                            10

3.1 Выбор элементной базы                                                                10

3.2Описание работы схемы                                                              12

3.3Определение потребляемой мощности                                                   13

4 Моделирование работы схемы                                                        14

5Разработка конструкции устройства                                                17

5.1 Оценка показателей надежности                                                            18

Заключение                                                                                          21

Список литературы                                                                             22

..Приложение А Перечень элементов                                                       23

..Приложение Б Плата печатная                                                               25

..Приложение В Схема электрическая размещения                       27

..Приложение Г Ведомость курсового проекта…………………………...…29

Введение

Очень часто требуется в определённой части помещения, и не всегда удобно для этого пользоваться большим количеством переключателей. Для реализации этой задачи используется счётчик сигналов.

Управление осветительными приборами находит широкое применение в жилых домах, административных и производственных помещениях.

Контроль рабочего состояния и возможность переключения осветительных приборов при помощи одной кнопки стали популярными не только на производстве, но и в домашних условиях.

Выключатель света с одной кнопкой позволяет удобно включать или отключать свет для разных зон отдыха или работы.

Типичным устройством, позволяющим осуществить процесс, является выключатель света.

Подобные устройства, как правило, состоят из двух частей:

− Счётчика, который считает количество нажатий на кнопку от которого зависит в какой последовательности включатся лампы.

− Реле, которое управляет подачей тока к осветительным приборам.

Выполнение курсового проекта имеет главную цель – научиться самостоятельно решать конкретную техническую задачу по созданию цифровых устройств, выполняющих заданные функции имеющих заданные технические характеристики.

В ТЗ определены основные функции устройства и требования к нему

− Устройство для управления двумя парами осветительных приборов, состоящее из двух модулей, считающего и переключающего, которые можно использовать для двух канального управления.

− Устройство должно обеспечивать включение двух нагрузок, работающих при напряжении питания 220 В и мощности каждой до 150 Вт. Необходимо обеспечить небольшие габариты, высокую надежность и экономичность.

Основные функции устройства и требования к нему:

− напряжение питания Устройства: 220 В, 50 Гц;

− небольшие габариты, высокая надежность и экономичность.

Кроме основных задач, требуется произвести компьютерное моделирование работы устройства в САПР, разработать схему расположения и чертёж печатной платы.

Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) опирается на прочную научно-техническую базу. Это – современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации.

При выполнении данного курсового проекта требуется разработать структурную, функциональную и принципиальную схемы, определить номенклатуру микросхем, на базе которых будет реализовано данное устройство. Кроме того, необходимо выполнить ряд электрических расчётов потребляемой мощности устройства и расчёт надёжности.