PROJEKT BROB UV LED OSVITKA DOKUMENTACE

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technoligií PROJEKT BROB UV LED OSVITKA DOKUMENTACE AUTOR PRÁCE Jakub Picmaus VEDOUCÍ PRÁCE Ing. František Burian, Ph.D. Brno 2016

ZADÁNÍ Vytvoření UV osvitové jednotky na DPS, která bude umístěna do skeneru. Jako zdroj bude použito LED. Jako řízení bude použito mikroprocesoru AVR a čas doby osvitu bude zobrazen na displeji. 1

1 TEORETICKÝ ROZBOR 1.1 Fotocitlivá vrstva Pro výrobu desek plošných spojů pomocí fotocitlivé vrstvy se nejčastěji používá pozitivní fotocitlivá vrstva, která brání přístupu a odleptání vrstvy mědi z desky. 1.1.1 Pozitivní fotocitlivá vrstva Vrstva se nanáší na desku s vrstvou mědi. Po nanesení se nechá v peci vytvrdit. Vytvrzená vrstva poté jde jen těžko odstranit a je odolná proti spoustě chemických látek. Aby mohla být odstraněna musí se nechat po určitou dobu osvítit světlem ultrafialového spektra, což se většinou děje přes masku. Exponovaná část po tomto kroku jde odstranit slabým roztokem hydroxidu sodného NaOH, okolo 5%. Po odstranění fotocitlivé vrstvy nebrání nic tomu, aby kyselina mohla odleptat odhalenou měď. 1.2 Osvit desek Jako zdroj světla se nejčastěji používá zářivkových trubic u průmyslově vyráběných osvitek, pro osvitky vyráběné individuálně se ale stále častěji využívá LED. 1.2.1 Osvitky s LED Většinou se tyto osvitky vyrábějí tak, že se zabudují do starého skeneru. Při návrhu ale nastává problém, protože je potřeba ji zvolit, jak budou diody rozmístěny a kolik diod máte k dispozici. Protože čím větší je rozestup mezi diodami, tak o to je i větší vzdálenost, která musí mýt mezí deskou s diodami a osvicovanou plochou. Tento vztah určuje směrová charakteristika vyzařování světla z diody, jestliže totiž osvěcujeme z moc velké blízkosti, tak dochází k přesvícení určitých oblastí a nerovnoměrnému odstranění a prosvícení masky fotocitlivé vrstvy. Nejlépe vzdálenost ze které je potřeba osvěcovat zjišťuje experimentálně svícením na bílý papír a pozorování obrazce intenzity světla na papíře. Další možnost je využití speciálních programů, které toto dokáží vypočítat. 2

2 POPIS DPS Popis funkce zapojení jednotlivých DPS 2.1 Osvitová jednotka Tvoří ji tři desky plošných spojů, dvě velké a jedna poloviční. Desky tvoří 12 řad a 15 sloupců diod, celkově 180 LED. V ředě za sobou jsou diody rozmístěny po třech LED v sérii s odporem na omezení proudu a napětí na diodách, ten je nastaven tak, aby napájecí napětí bylo 12V. Potřebná minimální vzdálenost DPS od osvicované plochy je 5mm a to z důvodu rovnoměrného osvětlení plochy. 2.2 Řídící deska Na této desce je umístěn spínaný zdroj s obvodem LM2594, který je nastaven na 5V pro napájení řídící elektroniky a displeje. Druhou část mikroprocesor ATMega8, který běží na krystalu 16MHz. Spínání desek s LED je řešeno pomocí dvou unipolárních tranzistorů IRL530N. Pro připojení displeje slouží šestipinový konektor MLW, pro připojení tlačítek je zde desetipinový konektor MLW a pro programování mikroprocesoru jsou určeny piny pinové lišty umístěné u příslušné ho pinu mikroprocesoru. 2.3 LED displej Displej je realizován jako třímístný, z displejů KW1-402ASA se společnou anodou. Jako ovládání je zde použito tří obvodů 74HC595, které jsou zapojeny do série. 2.4 Vstupní zdroj Vstupní napájecí napětí je ve výrobku stabilizováno pomocí spínaného zdroje LM2576, který je nastaven na přibližně 12V. Tento obvod zajišťuje, že napájecí zdroj může mít výstupní napětí 12 až 45V a minimální napájecí proud 2A. 2.5 Tlačítka Deska je realizována a jsou použity součástky takové, aby šla připevnit na panel. Obsahuje tři tlačítka (start červené, plus žluté, mínus žluté), která propojují odvodové vodiče na společnou úroveň napětí, které je přivedeno, v tomto případě na zem. Napojení na mikroprocesor je realizováno pomocí plochého kabelu, který je přípájen přímo na DPS. 3

3 POPIS MECHANICKÉ KONSTRUKCE 3.1 Prostor pro osvit Je realizován ze dvou kusů, které jsou k sobě svařeny. Celkové rozměry jsou 340 x 240 x 7 mm se sílou stěny 1,5 mm. Po celém obvodu ve výšce 20 mm od horního okraje a s mezerou 20 mm mezi sebou jsou umístěny otvory pro přichycení vrchní desky ze skeneru pomocí vzpěr. V pravé části je pak otvor na protáhnutí přívodních vodičů DPS s LED. 3.2 Prostor s řídící elektronikou Tvoří ho dvoudílná krabice o rozměrech 120 x 120 x 50 mm s tloušťkou stěny 1,5 mm. Do víka jsou umístěny DPS displeje a tlačítek, do spodní části pak řídící jednotka a vstupní zdroj, dále je zde umístěn vypínač a konektor pro připojení napájecího zdroje. 4

4 PROGRAM PRO MIKROPROCESOR Popis programu, který je nahrán v řídícím mikroprocesoru ATMega8 a je napsán pomocí Assembleru. 4.1 Nastavení Vytvoří se čtyři proměnné, tři pro počítání času (SEG1, SEG2, SEG3) a jedna pro stav chod/vypnuto (STST). Přejmenují se registry portů a nastaví se port c a port b jako výstupní a port d jako vstupní s pull-up rezistory. Nastaví se externí přerušení INT0 na sestupnou hranu a časovač 1 se nastaví tak, že je v porovnávacím módu a jeho frekvence je 1 Hz, přerušení je ponecháno vypnuté. Jako poslední se zapíše nula do všech proměnných. 4.2 Hlavní programová smyčka Začíná voláním podprogramu pro displej, ten se volá při každém průchodu smyčkou. Poté se rozhoduje pomocí proměnné STST v jakém jsme stavu. Pokud je osvitka v chodu, tak se jde zpátky na MAIN, pokud jsme ve stavu vypnuto, tak testujeme zmáčknutí tlačítka plus a mínus. A jako poslední testujeme, zda je povoleno externí přerušení, pokud ne, tak se 1s počká a zapne se. 4.3 Program přerušení od časovače Zde se nejprve zapne externí přerušení a poté se berou hodnoty čísel v proměnných a postupně se dekrementují, SEG1 sekundy, SEG2 desítky sekund a SEG3 stovky sekund. Jako další část se testuje, zda není ve všech proměnných hodnota 0, pokud ano, tak se vypne přerušení od časovače, proměnná STST se nastaví do stavu vypnuto a vypnou se výstupní porty, které ovládají zapnutí napájení desek s LED. 4.4 Program přerušení od externího přerušení INT0 Vypne se externí přerušení a rozhoduje se pomocí proměnné STST, zda se má osvit zapnout, nebo vypnout. Pokud zapnout, tak se testuje, zda je nastavena hodnota doby osvitu, když ne, tak se vracíme z programu, když ano, tak se vynuluje hodnota v čítači 1 a zapne se přerušení od tohoto čítače, zapínají se ovládací porty a proměnná STST se nastavuje do stavu chod. Ale jestliže je na začátku programu ve stavu vypnutí, tak se volá stop, kdy se vypne přerušení od časovače 1, vypnou se ovládací porty, do proměnných SEG1-3 se nastaví hodnota 0 a STST se přepne do stavu vypnuto. 5

4.5 Podprogram pro přičtení a odečtení času osvitu Po zavolání těchto podprogramů se počká 100ms a testuje se, zda je příslušné tlačítko stále zmáčknuté, pokud ano, tak se inkramentuje/dekrementuje SEG2, popřípadě i SEG3. U odečítání se navíc hlídá podtečení hodnot v proměnných. 4.6 Podprogram odesílání hodnot na displej Program postupně vezme hodnotu z proměnné, zjistí v tabulce jaká data má poslat podle zapojení do registru 74 595 pro příslušnou hodnotu a postupně je naposílá. Toto se děje pro všechny proměnné SEG1-3. 6

5 POPIS POSTUPU PRÁCE Na první konzultaci jsem přišel s udělanou nou kontrolní deskou, která potřebovala na rosvit 3 cm a vzdálenost mezi diodami byla 1,5 cm. Po ukázání skeneru, který na toto byl namýšlen jsem rozhodl, že kvůli nedostatečné hloubce nebude možné to z tohoto skener vyrobit. Jako možnost se tedy jevila použít pouze části skeneru, a zbytek vytisknout na 3D tiskárně. Poté se našel jiný skener, který by mohl být dostatečně hluboký. Začal jsem konstruovat desky pro LED, kde jsem na hraně odhadnuté vzdálenosti ve skeneru, zvolil vzdálenost mezi diodami 2 cm a rozměry osvicované plochy 22 x 28 cm. Napájecí napětí bylo zvoleno 12V, z toho vyšlo, že v sérii můžou být pouze 3 LED, odpory k diodám se zpočítali jako R=(12-10,5)/20*10^- 3=75Ω. Plocha byla kvůli své velikosti rozdělena na tři části. Pro řízení jsem vybral mikroprocesor AVR ATMega 8 v THT verzi. Kvůli stopování času jsem vybral externí krystal 16 MHz. Na spínání byly vabrány tranzistory IRF530N. Jako zdroj proudu jsem zvoliz spínaný zdroj LM2594. Na displej jsem si vybral Rozumě veký displej KW1-402ASA, který je řízen pomocí posuvných registrů 75 595, do kterých posílá data mikroprocesor. Poté byl, kvůli změně napájecího zdroje, přidáv vstupní spínaný zdroj LM2576, který po testech stabilizuje asi na 11,4 V. Po zapájení a oživení částí osvitky, jsem experimentálně přišel na to, že potřebná vzdálenost pro rovnoměrné rozložení světla je potřeba vzdálenost 5,5 cm. Když už jsem věděl tuto vzdálenost, tak jsem se rozhodl co nejpřesněji s vloženou deskou s LED změřit vzdálenost, která je ke sklu skeneru pomocí deformace drátu. Zjištěná maximální vzdálenost vyšla 4,5 cm a navíc se snižovala v důsledku tvarování krabice. Z tohoto důvodu jsem se na poslední chvíli vrátil k původnínu návrhu, a to tisku na 3D. Navrhl jsem krabici pro DSP s LED o rozměrech 24x34x7 cm, která je složena ze dvou kusů svařených dohromady, a krabici na zbylou elektroniku o rozměru 12x12 cm. Po vytisknutí krabice pro LED, jsem zjistil, že se tam nevejdou DPS. Proto jsem se jako nejjednoduší, nejméně časově náročné a nejlevnější řešení rozhodl zakrátit DPS, při zachování vlastností na potřebnou délku a nainstaloval je do krabice. Z důvodu změny jsem ještě navrhl DPS s tlačítky pro ovládání. Tato deska už byla vyrobena pomocí této osvitky. Zjištěná potřebná doba osvitu je asi 160 s. 7

ZÁVĚR Tento projekt jsem si vybral z nabízených projektů, protože to byl jeden z mála, co mi něco říkal a myslel jsem si, že bude lehký, ale vyklubal se z něho velmi komplexní projekt. Během realizace se vyskytla řada problémů, třeba výběr LED z českého obchodu za dobré peníze, ale zase jsem se něco přiučil. Co bych chtěl vyzvednout tak je to, že program pro mikroprocesor je napsán v assembleru. Projekt ale dostal velký zpoždění, ale po elektrické stránce vše funguje. Z mechanického hlediska je to horší protože na poslední chvíli se zjistilo, že do zamýšleného skeneru se desky, kvůli potřebné vzdálenosti pro rovnoměrné osvětlení, nevejdou a muselo se začít s návrhem pro tisk na 3D tiskárně. Z tohoto pramenilo i to, že krabici pro desky s led jsem navrhl moc úzkou a musel jsem upravovat rozměry desek zaříznutím. Ale na závěr, vše je funkční. Sice něco se musí ještě dodělat, ale už jde osvěcovat DPS a dokonce deska s tlačítky byla vyrobena pomocí této osvitky. Díky tomu se mi podařilo určit potřebnou dobu pro osvit na 160 s. 8

POUŽITÁ LITERATŮRA [1] ATmega18 datasheet [online]. 2013 [cit. 2016-05-06]. Dostupné z: http://www.atmel.com/images/atmel-2486-8-bit-avr-microcontroller-atmega8_l_datasheet.pdf [2] LM2576/LM2576HV Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-Down Voltage Regulator [online]. 2013 [cit. 2016-05-06]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576.pdf [3] LM2594/LM2594HV SIMPLE SWITCHER Power Converter 150 khz 0.5A Step-Down [online]. 2013 [cit. 2016-05-06]. Dostupné z: http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm2594.pdf 9

SEZNAM PŘÍLOH Obsah A Desky plošných spojů 12 A.1 Schéma zapojení velké desky s LED... 12 A.2 Deska plošného spoje ze strany bottom velké desky s LED... 13 A.3 Osazovací plán ze strany top... 14 A.4 Schéma zapojení poloviční deska s LED... 15 A.5 Deska plošného spoje ze strany bottom poloviční deska s LED... 16 A.6 Osazovací plán ze strany top poloviční deska s LED... 17 A.7 Schéma zapojení řídící jednotky... 18 A.8 Deska plošného spoje ze strany bottom řídící jednotky... 18 A.9 Osazovací plán ze strany top řídící jednotky... 19 A.10 Osazovací plán ze strany bottom řídící jednotky... 19 A.11 Schéma zapojení displeje... 20 A.12 Deska plošného spoje ze strany bottom displeje... 20 A.13 Osazovací plán ze strany top displeje... 21 A.14 Osazovací plán ze strany bottom displeje... 21 A.15 Schéma zapojení vstupního zdroje... 22 A.16 Deska plošného spoje ze strany bottom vstupního zdroje... 22 A.17 Osazovací plán ze strany top vstupního zdroje... 22 A.18 Osazovací plán ze strany bottom vstupního zdroje... 22 A.19 Schéma zapojení tlačítek... 23 A.20 Deska plošného spoje ze strany bottom tlačítek... 23 A.21 Osazovací plán ze strany top tlačítek... 23 B seznamy součástek 24 B.1 Seznam součástek DPS sled... 24 B.2 Seznam součástek řídící jednotky... 25 B.3 Seznam součástek displeje... 26 B.4 Seznam součástek zdroje... 27 B.5 Seznam součástek tlačítka... 28 C Vizualizace 29 10

C.1 Krabice pro led... 29 C.2 Víko krabice pro elektroniku zepředu... 29 C.3 Víko krabice pro elektroniku zezadu... 30 C.4 Spodní díl krabice na elektroniku... 30 11

A DESKY PLOŠNÝCH SPOJŮ A.1 Schéma zapojení velké desky s LED 12

A.2 Deska plošného spoje ze strany bottom velké desky s LED Rozměr desky 109 x 245 [mm], Měřítko M1:2 13

A.3 Osazovací plán ze strany top Rozměr desky 109 x 245 [mm], Měřítko M1:2 14

A.4 Schéma zapojení poloviční deska s LED 15

A.5 Deska plošného spoje ze strany bottom poloviční deska s LED Rozměr desky 55 x 245 [mm], Měřítko M1:2 16

A.6 Osazovací plán ze strany top poloviční deska s LED Rozměr desky 55 x 245 [mm], Měřítko M1:2 17

A.7 Schéma zapojení řídící jednotky A.8 Deska plošného spoje ze strany bottom řídící jednotky Rozměr desky 69 x 61 [mm], Měřítko M1:1 18

A.9 Osazovací plán ze strany top řídící jednotky Rozměr desky 69 x 61 [mm], Měřítko M1:1 A.10 Osazovací plán ze strany bottom řídící jednotky Rozměr desky 69 x 61 [mm], Měřítko M1:1 19

A.11 Schéma zapojení displeje A.12 Deska plošného spoje ze strany bottom displeje Rozměr desky 89 x 51 [mm], Měřítko M1:1 20

A.13 Osazovací plán ze strany top displeje Rozměr desky 89 x 51 [mm], Měřítko M1:1 A.14 Osazovací plán ze strany bottom displeje Rozměr desky 89 x 51 [mm], Měřítko M1:1 21

A.15 Schéma zapojení vstupního zdroje A.16 Deska plošného spoje ze strany bottom vstupního zdroje Rozměr desky 71 x 23 [mm], Měřítko M1:1 A.17 Osazovací plán ze strany top vstupního zdroje Rozměr desky 71 x 23 [mm], Měřítko M1:1 A.18 Osazovací plán ze strany bottom vstupního zdroje Rozměr desky 71 x 26 [mm], Měřítko M1:1 22

A.19 Schéma zapojení tlačítek A.20 Deska plošného spoje ze strany bottom tlačítek Rozměr desky 46 x 13 [mm], Měřítko M1:1 A.21 Osazovací plán ze strany top tlačítek Rozměr desky 46 x 13 [mm], Měřítko M1:1 23

B SEZNAMY SOUČÁSTEK B.1 Seznam součástek DPS sled Označení Hodnota Popis D1-180 UV LED5MM R1-60 75R SMD odpor 0805 24

B.2 Seznam součástek řídící jednotky Označení Hodnota Popis C1 22p Kondenzátor keramický RM=2,5mm C2 22p Kondenzátor keramický RM=2,5mm C3 68u/35V Kondenzátor polarizovaný RM=3,81mm C4 120u/25V Kondenzátor polarizovaný RM=3,81mm C5 4n7 Kondenzátor keramický RM=5mm CON1 Svorkovnice ARK500/2 CON2 Svorkovnice ARK500/2 CON3 Svorkovnice ARK500/2 CON4 Konektor MLW06 CON5 Konektor MLW10 D1 SK26 Shotkyho dioda IC1 LM2594 Spínaný zdroj IO1 ATMEGA8 Mikroprocesor JP1 Pinová lišta JP2 Pinová lišta JP3 Pinová lišta L1 DPO100A0,5 Tlumivka Q1 16MHz Krystal R1 1k Metalizovaný odpor R2 10k Metalizovaný odpor R3 1k Metalizovaný odpor R4 10k Metalizovaný odpor R5 3k065 Metalizovaný odpor R6 1k Metalizovaný odpor T1 IRF530 Metalizovaný odpor T2 IRF530 Metalizovaný odpor 25

B.3 Seznam součástek displeje Označení Hodnota Popis C1 100n Kondenzátor keramický RM=5mm CON1 Konektor MLW06 DISP1-3 KW1-402ASA 7-segmentový displej s SA IO1-3 74HCT595 Posuvný registr R1-24 150R SMD odpor 0805 26

B.4 Seznam součástek zdroje Označení Hodnota Popis C1 100u/35V Kondenzátor polarizovaný RM=3,81mm C2 1000u/25V Kondenzátor polarizovaný RM=5mm CON1 Svorkovnice ARK500/2 CON2 Svorkovnice ARK500/2 D1 SK26 Shotkyho dioda IC1 LM2576T Spínaný zdroj L1 DPO100A2 Tlumivka R1 8k756 Metalizovaný odpor R2 1k Metalizovaný odpor 27

B.5 Seznam součástek tlačítka Označení Hodnota Popis S1-3 Mikrotlačítko s hmatníkem 28

C VIZUALIZACE C.1 Krabice pro led C.2 Víko krabice pro elektroniku zepředu 29

C.3 Víko krabice pro elektroniku zezadu C.4 Spodní díl krabice na elektroniku 30