Устройство стетоскопа содержит микроконтроллер, который является управляющим и измерительным узлом. В данном пункте рассмотрим алгоритмы работы микроконтроллера DD 1.
На рисунке 2.15 приведён общий алгоритм работы микроконтроллера. Микроконтроллер проходит режим инициализации, в процессе которого:
- настраивается тактовый генератор;
- настраиваются прерывания;
- настраиваются таймера микроконтроллера;
- настраиваются порты ввода/вывода;
- настраивается АЦП.
Измерения начинаются с нажатия любой кнопки, до этого микроконтроллер находится в спящем режиме ожидания, где происходи постоянный цикличный опрос кнопок. После нажатия любой из кнопок микроконтроллер переходит к непосредственному анализу, а именно:
- нажатие кнопки SB 1 приводит к увеличению громкости звука в наушниках;
- нажатие кнопки SB 2 приводит к уменьшению громкости звука в наушниках;
- нажатие кнопки SB 3 приводит к выбору канала звука, низкочастотного или высокочастотного.
Рисунок 2.15 – Общий алгоритм работы микроконтроллера
Измерение сигнала производится посредствам поочерёдного включения соответствующего канала АЦП. Данные, полученные от АЦП передаются по USB интерфейсу на персональный компьютер.
На рисунке 2.16 приведён алгоритм измерения пульса сердца.
Рисунок 2.16 – Алгоритм измерения пульса сердца
Измерение пульса основано на подсчёте импульсов компаратора, которые отражают удары сердца человека. По истечение пятнадцати секунд, полученное количество импульсов умножается на 4 и отображается на ЖКИ.
КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ
Расчет надежности
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, и сохраняемость или определённые сочетания этих видов.
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени или наработки. Свойства проявляются как в период использования объекта по прямому назначению, так и в период его хранения и транспортирования.
Показателями безотказной работы стетоскопа могут служить вероятность безотказной работы и средняя наработка по отказу. В схеме устройства можно выделить i – элементов, последовательный (постепенный) отказ которых выражается формулой
(3.1)
где n – число групп элементов шт;
ni – количество элементов i – группы;
li – количество отказов i – группы;
аi – коэффициент, учитывающий эксплуатационные факторы.
Условия эксплуатации:
- температурный режим от - 10 до +40ºС.
- влажность воздуха от 60 до 70% при t=25 ºC;
- высота от 0 до 1 км;
- прибор не герметизирован и не амортизирован;
- P(t) заказчика - 0,75
Вероятность безотказной работы P(t) прибора в течении заданного промежутка времени (t) определяется по формуле
(3.2)
Для микросхем цифровых и аналоговых, полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов, разъёмов, дросселей эксплуатационный коэффициент равен
аi = b1∙b2∙b3∙b4∙b5, (3.3)
где b1, b2 - коэффициенты, учитывающие влияние механических воздействий на интенсивность отказов механических элементов;
b3 - коэффициент, учитывающий влияния влажности воздуха на интенсивность отказов;
b4, b5 - коэффициенты, учитывающие влияние высоты и влияние температуры и режима работы механически элементов на интенсивность отказов.
Для печатной платы эксплуатационный коэффициент равен
аi = b1∙b2∙b3∙b4. (3.4)
Для соединений пайкой эксплуатационный коэффициент равен
аi = b6∙b7∙b8, (3.5)
где b6, b7- коэффициенты, учитывающие влияние механических воздействий на интенсивность отказов механических элементов;
b8- коэффициент, учитывающий влияния влажности воздуха на интенсивность отказов.
Согласно формул (3.3), (3.4), (3.5) определяем аi
a1 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 = 1,35;
a2 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 =1,35;
a3 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 =1,35;
a4 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 =1,35;
a5 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,075 = 0,135;
a6 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,23 = 0,414;
a7 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,3 = 0,54;
a8 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,07 = 0,126;
a9 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,38 = 0,684;
a10 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,075 = 0,135;
a11 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1× 0,42 = 0,756;
a12 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1× 0,42 = 0,756;
a13 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 = 1,8;
a14 = 5 × 2 × 1 = 10.
a15 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 = 1,8.
Необходимые для расчета надежности данные сведены в таблицу 3.1
Таблица 3.1 – Суммарная интенсивность отказов
| № груп-пы | Наименование и тип элементов | Кол-во элементов ni, шт | Интенсивность отказа элемента li×10-6, ч-1 | Эксплуатационный коэффициент, аi | Произведение ni×li ×ai, ч-1 |
| Полупроводниковые цифровые ИС 3-й степени интеграции | 0,5 | 1,35 | 1,35 | ||
| Полупроводниковые цифровые ИС 4-й степени интеграции | 0,6 | 1,35 | 0,81 | ||
| Полупроводниковые аналоговые ИС 2-й степени интеграции | 0,55 | 1,35 | 1,48 | ||
| Полупроводниковые аналоговые ИС 3-й степени интеграции | 0,65 | 1,35 | 3,51 | ||
| Диоды выпрямительные I ср.выпр.<300 мА | 0,2 | 0,135 | 0,027 | ||
| Резисторы постоянные непроволочные Pном< 0,5 Вт | 0,05 | 0,414 | 0,352 | ||
| Резисторы переменные непроволочные | 0,5 | 0,54 | 0,54 | ||
| Конденсаторы керамические | 0,05 | 0,126 | 0,04 | ||
| Конденсаторы электролитические танталовые | 0,25 | 0,684 | 0,513 | ||
| Индикаторы цифровые на ЖК | 0,65 | 0,135 | 0,088 | ||
| Разъемы | 0,2 | 0,756 | 0,605 | ||
| Продолжение таблицы 3.1 | |||||
| Кнопки | 0,4 | 0,756 | 0,91 | ||
| Плата печатная | 0,2 | 1,8 | 0,36 | ||
| Места пайки | 0,004 | ||||
| Корпус | 1,1 | 1,8 | 1,98 | ||
| L = Sni×li×ai | 24,6 × 10-6 |
По формуле (3.1) находим интенсивность отказов устройства в целом.
Вероятность безотказной работы определяем для наработок 1000, 5000, 10000, 15000 по формуле (3.2)
;
;
;
.
Рисунок 3.1 - График зависимости вероятности безотказной работы Р = f (t)
При вероятности безотказной работы 0,75 наработка на отказ 12000 часов.
Анализ надежности
Проведем анализ надежности по группам элементов. Анализ надежности проводим с целью выявления самых ненадежных элементов в схеме. Разделения элементов на группы производим согласно схемы электрической структурной.
В состав блоков входят следующие элементы:
1. Входное устройство;
2. Блок обработки и управления;
3. Блок индикации и передачи данных.
Интенсивность отказов первого блока определяется по формуле
l1=lDA5+lDA1-DA3 +lR1-R6,R8,R9,R13,R14+lR11+lC1-C5 +lXP1+lМЕСТА ПАЙКИ (3.6)
Интенсивность отказов второго блока определяется по формуле
l2=lDA4+lDA6+lDD1+lDD2+lR7,R10,R12,R15,R18,R19+lC7+
+lC6,C8+lSB1-SB3+lXS1+lМЕСТА ПАЙКИ (3.7)
Интенсивность отказов третьего блока определяется по формуле
l3=lDD3+lHG1+lVD1+lR16+lR17+lC9+
+lXS2,XS3+lМЕСТА ПАЙКИ (3.8)
l1=(0,55+0,65∙3+0,05·10+0,5+0,05·5+0,2+0,004∙100) ∙10-6=4,35∙10-6 ч-1
l2=(0,55+0,65+0,6+0,5+0,05∙6+0,05+0,25∙2+0,4·3+0,2+0,004∙100)∙10-6= 4,95∙10-6 ч-1
l3=(0,5+0,65+0,2+0,05+0,5+0,25+0,2·2+0,004∙100)∙10-6= 2,95∙10-6 ч-1
Определяем вероятность безотказной работы блоков P(t) в течении времени t по формуле
tкр.i = ln(P)/λi (3.9)
tкр.1 = -ln(0,75)/4,35∙10-6 = 66100 ч;
tкр.2 = -ln(0,75)/4,95∙10-6 = 58100 ч;
tкр.3 = -ln(0,75)/2,95∙10-6 = 97500 ч.
По полученным данным строим график зависимости вероятности безотказной работы Р=f(t) который приведен на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - График зависимости вероятности безотказной работы отдельно взятых блоков
Согласно графику, изображенному на рисунке 3.2 tкр1 равно 66100 часов, tкр2 - 58100 часов, tкр3 - 97500 часов, в то время как наработка на отказ всего устройства в целом составляет 12000 часов.
Так как технический ресурс (габаритный) значительно меньше приведенных значений tкр, то это дает возможность повысить Рэкспл.
Рисунок 3.3 - Схема соединения блоков
Для проверки стетоскопа выбираем метод последовательной поэлементной проверки, он заключается в том, что элементы изделия при поиске неисправности проверяются по одиночке в определенной, заранее установленной последовательности. Если очередной проверяемый элемент оказался исправным, то переходят к проверке следующего. При обнаружении неисправного элемента поиск прекращается, и элемент заменяется (ремонтируется). Затем проверяют работоспособность. Если при этом система не функционирует нормально, то приступают к дальнейшей проверке. Причем проверка начинается с той позиции, на которой был обнаружен неисправный элемент.
Устанавливаем время измерения в точках схемы:
- для первого блока τ1 = 3 мин;
- для второго блока τ2 = 4 мин;
- для третьего блока τ3 = 3 мин.
Определим условные вероятности отказов. Для метода последовательных поэлементных проверок условные вероятности отказов q по значению соответствуют l. Тогда q1=4,35, q2=4,95, q3=2,95.
Определяем отношение
τ1/q1 = 3/(4,35) = 0,69;
τ2/q2 = 4/(4,95) = 0,8;
τ3/q3 = 3/(2,95) = 1,01.
Исходя из расчетов, первое измерение необходимо производить на выходе первого блока, так как у него наименьшее значение отношения. Второе - на выходе второго блока и т.д.
Для аналитического процесса поиска неисправностей, как правило, применяют его графическое изображение в виде программы поиска неисправностей. Условное обозначение элемента производят в виде прямоугольника, а измерение в виде круга (с порядковым номером). Тогда программа поиска неисправности будет представлена ветвящейся схемой, состоящей из кружков с двумя выходами, обозначающих результат измерения (есть нужный сигнал или нет – «да» или «нет» соответственно) и оканчивающейся прямоугольниками, обозначающими неисправный элемент.
Рисунок 3.4 - Программа поиска неисправности изделия
Среднее время поиска неисправности по программе вычисляется по формуле
TПН=q1·τ1+q2·(τ1+τ2)+q3·(τ1+τ2+τ3) (3.9)
TПН = 4,35·3+4,95·(3+4)+2,95·(3+4+3) » 60 мин.
Для обеспечения допустимой величины вероятности безотказной работы Р(t)=0,75 определим некоторые эксплуатационные показатели.
Параметр потока отказов ω, ч-1 определяется по формуле
ω = 1 / tкр, (3.10)
ч-1
Периодичность проведения регламентных работ tРР, ч, определяется по формуле
, (3.11)
ч.
Вычислим оптимальный период выполнения регламентных работ ТРопт, ч, по формуле
, (3.12)
где Тпр – среднее время выполнения одной профилактики (Тпр=1,5 ч);
ΛПО – интенсивность постепенных отказов изделия, обнаруживаемых во время выполнения техобслуживания, ч-1.
Интенсивность постепенных отказов ΛПО, ч-1 рассчитываем по формуле
; (3.13)
ч-1;
ч.
Одним из важнейших показателей эксплуатационных свойств изделия является коэффициент технического использования КТИ. Он показывает какая, доля от всего времени эксплуатации изделия приходится на время его работы. КТИ рассчитывается по формуле
, (3.14)
где tп - время пребывания изделия в исправном состоянии, независимо от того работало оно или находилось в ожидании;
tТО - общее время, затрачиваемое на техническое обслуживание (без восстановления);
tв - общее время, затрачиваемое на восстановление (устранение неисправности).
Согласно общего расчета надежности, проведенного в пункте 3.1, принимаем время tП равным 12000 часам, а время tТО согласно формулы равным 482 часа. Общее время tВ принимаем равным двум часам. Тогда:
.
В качестве основного критерия оценки эксплуатационных свойств изделия служит коэффициент простоя изделия Кп. Рассчитываем данный показатель по формуле
, (3.15)
.
Рассчитанное значение КП является показателем высоких эксплуатационных свойств системы управления двигателем.
3.3 Расчет печатной платы
Ширина печатных проводников определяется по максимальному току для разных цепей схемы, если допустимая плотность тока JДОП=60 А/мм2, максимальный ток: для шин +5В ІМ1=20 мА, а толщина металлизированного покрытия mПОК=0,4 мм, тогда ширина будет равной
(3.16)
Принимаем толщины проводников: 0,25мм.
Расстояние между проводниками найдем по разнице потенциалов, с учетом электрических характеристик выбранного метода изготовления. В нашей схеме, в основном, максимально возможное напряжение не превышает 5 В, расстояние между печатными проводниками - 0,25 мм.
На плате производится поверхностный монтаж. После выбора элементной базы, рассчитываем площадь, занимаемую каждым элементом S, мм2.
Исходные данные и сводим в таблицу 3.2.
Определим суммарную площадь электрорадиоэлементов S,мм2, устанавливаемых на плату, таблица 3.2, по формуле (3.17)
, (3.17)
где Sуст – установочная площадь электрорадиоэлементов, м2·10-6.
Таблица 3.2 - Установочная площадь элементов
| Наименование и тип элемента | Кол-во N, шт. | Установочная площадь элемента, S0, м2·10-6 | Установочная площадь группы элементов, Sуст, м2·10-6 |
| LT1016 | 65,00 | 65,00 | |
| LMC6001 | 65,00 | 130,00 | |
| MCP100-475 | 5,00 | 5,00 | |
| ADG419 | 15,00 | 15,00 | |
| LM386 | 65,00 | 65,00 | |
| DS1805 | 35,00 | 35,00 | |
| PIC16F877 | 728,00 | 728,00 | |
| FT232RL | 54,00 | 54,00 | |
| Конденсатор SMD 0805 | 2,6 | 15,6 | |
| Конденсатор SMD С105 | 5,2 | 15,6 | |
| Резистор 0805 | 2,60 | 44,2 | |
| R17N3-B10K | 25,00 | 25,00 | |
| Диод 1N4001 | 14,00 | 14,00 | |
| Кнопка FSM16JH | 36,00 | 108,00 |
Определяем площадь платы с учетом коэффициента заполнения площади платы Sпл, м2, по формуле
, (3.18)
где Кз – коэффициент заполнения платы.
Коэффициент заполнения площади выбирается в пределах от 0,2 до 0,5. Возьмем Кз=0,5, тогда по формуле получим
Исходя из этой площади, с учетом монтажных и крепежных отверстий, получаем печатную плату с размерами сторон равными 87х52 мм.