CC BY
0
ВСТАВКА В ОБУВЬ, ПОМОГАЮЩАЯ СЛАБОВИДЯЩИМ ОРИЕНТИРОВАТЬСЯ
НА МЕСТНОСТИ
A.М. Волков, магистрант
B.Ю. Виноградов, профессор
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ (Россия, г. Казань)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-1-212-217
Аннотация. В статье обсуждается проблема инвалидов по зрению и предлагается устройство для помощи в их ориентировании в нормальной жизни. Приводится принцип работы устройства. Производится подбор навесных компонентов для поверхностного монтажа и монтажа в отверстия. По результатам подбора компонентов осуществляется сборка схемы электрической принципиальной и ее трассировка. Проводятся расчеты: объема, занимаемого элементами в корпусе; мощности, рассеиваемой внутри корпуса прибора; коэффициента заполнения; приведенного размера нагретой зоны; приведенной высоты воздушного зазора между нагретой зоной и корпусом; удельной поверхностной мощности корпуса; среднеповерхностного перегрева; вероятности безотказной работы.
Ключевые слова: инвалиды по зрению, устройство для ориентирования, принцип работы, расчет надежности, расчет температуры перегрева.
Последние сведения о слепоте и слабо-видении указывают на увеличение числа инвалидов по зрению среди населения всех стран мира, главным образом, за счет возрастания удельного веса лиц пожилого возраста [4, 6]. Число инвалидов увеличивается на 240 тыс. ежегодно, а через 25 лет может удвоиться [3]. В Российской Федерации уровень слепоты и слабовидения возрос за последние двадцать лет с 13,6 до 18,7 на 10000 населения; распространенность первичной инвалидности составляет 2,7 на 10 тыс. населения или ежегодно более 39 тыс. человек становятся инвалидами по зрению [1, 2].
Существует 2 основных способа передачи информации слабовидящим: звуковой и тактильный. Рассматриваемое устройство относится к тактильным, так
как информация передается посредством вибрации вибромотора. Устройство получает информацию о препятствии с датчика, расположенного на трости. Информация передается через модуль Bluetooth для удобства пользователя. После получения информации о препятствии вибромотор в устройстве информирует пользователя об опасности.
Наиболее подходящими компонентами для устройства стали: микроконтроллер STM32L051C8T6, толстопленочные резисторы 0603, конденсаторы 0805, стабилизаторы напряжения AMS1117, bluetooth модуль E104-BT52, вибромотор LCM1027A2445F и USB-разъем type-c.
В результате подбора компонентов получилась схема электрическая принципиальная, изображенная на рисунке 1.
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная
Трассировка проведена на печатной приведены на рисунке 2 и рисунке 3, соот-плате с двух сторон. Результаты трасси- ветственно. Готовая плата приведена на ровки верхней и нижней сторон платы рисунке 4.
Рис. 2. Трассировка верхней стороны платы
Рис. 3. Трассировка нижней стороны платы
С14 С5 R7
1 ||
—T ilftfti—
DD2
я
::
ш
Я ::
= • ::
С15 С6 R8
М ИВ 11
С16 С7 М 0MD
С17
И ®
С12
'rFirmrn
DAI
I = ■ = *
С18 _С§ Л? Л5
ш «—L" ч с - С -ГС
С2 С20 С21 С22
во м и н
КЛ 01 D2 D.3
б о ет ш со
02 01 ■В в
В
: С ■!
1У
Рис. 4. Плата готового устройства
Далее для определения необходимости охлаждения проведем расчет температуры перегрева элементов.
Рассчитаем объем, занимаемый элементами в корпусе:
VR2-R5,R7,D1-D6 = 11 * 1,6 * 0,8 * 0,45 = 6,3 мм3 VR1,R6,R8,R9 = 4 * 2 * 1,2 * 0,4 = 3,84 мм3 Vbutton = 6 * 3,5 * 5 = 105 мм3
Уу1 = 5 * 5 * 0,75 = 18,75 мм3 Уу55 = 9 * 7,3 * 3,3 = 216,8 мм3
У5ГМ = 1,6 * 10 * 10 = 160
Усо№№ = 13*5*3 = 195 мм3 УС1-С23 = 23 * 1,25 * 1,25 * 2 = 72 мм3 У^ем = 14,5 * 10 * 40 = 5800 мм3 Уам5 = 2 * 1,5 * 6,3 * 3,3 = 62,4 мм3 УГг = 6 * 1 * 2,9 * 1,3 = 22,5 мм3 Упосог = 13 * 30 * 10 = 3900 мм3 У, = 10,5 * 4 * 10,5 = 441 мм3
Вычислим общий объем:
V = 6,3 + 3,84 + 105 + 18,75 + 216,8 + 160 + 195 + 72 + 5800 + 62,4 + 22,5 + 3900 + 441 = 11003 мм3
Объем корпуса:
V = 67* 72* 5 = 24120 мм3
Мощность, рассеиваемая внутри корпуса прибора, рассчитывается по формуле:
Рр = 0,2 * 1п * ип = 0,2 * 0,5 * 5 = 0,5 Вт
Коэффициент заполнения:
_ S _ 11003 * 10-9 _ Кз = abh = 0,067 * 0,072 * 0,005 = 0,46
Приведенный размер нагретой зоны:
Lпр = Vab = ^0,067 * 0,072 = 0,07 м = hKз = 0,005 * 0,46 = 0,0023 м
Приведенная высота воздушного зазора между нагретой зоной и корпусом:
Л - Л3 0,005 - 0,0023
Л1 =-3 =-= 0,00135 м
1 2 2
Геометрический фактор:
Ь 0,00135 КГ = -^= = 0,019
Г Цф 0,07 '
Площадь поверхности корпуса:
Sk = 2(аЬ + аЬ + ЬЬ) = 2(0,067 * 0,072 + 0,067 * 0,005 + 0,072 * 0,005) = 0,011 м2
Приведенная поверхность нагретой зоны:
= 2Lпр(Lпр + 2^) = 2 * 0,07(0,07 + 2 * 0,0023) = 0,0104 Удельная поверхностная мощность корпуса:
Р — — РУДК — - —
Pp 0,5
Sk 0,011
Вт
— 45,5 —
м2
Удельная поверхностная мощность нагретой зоны:
_ Рр _ 0,5 _ Вт Рудз = ^ = 00104 = 48М^
Среднеповерхностный перегрев:
Дtk = ДtрKsKtKПKН = 11 * 0,46 * 0,85 * 0,74 * 1,13 = 3,6 °С
Среднеповерхностный нагрев корпуса:
^ = ир + Дtk = 20 + 3,6 = 23,6 °С
Среднеповерхностный перегрев зоны:
Д^ = ДtрзKПРKКЗKКГKеПKtKН = 0,23 * 0,96 * 0,9 * 1,1 * 0,93 * 1,02 * 1,04 = 0,216°
Среднеповерхностная температура нагретой зоны:
^ = ^ + Д^ = 23,6 + 0,216 = 23,816 °С
По данным расчета видим, что устройство греется на 4°С, следовательно, дополнительных систем охлаждения не требуется.
Далее вычислим вероятность безотказной работы, для этого воспользуемся перечнем надежности ЭРИ [5].
Таблица. Перечень надежности элементов схемы
Тип элемента tai, I/ч Ni, шт
Резистор 0805 0,0037*10-6 4
Резистор 0603 0,0095*10-6 5
Конденсатор 0603 0,0037*10-6 23
Кнопки 0,16*10"6 1
Разъемы 0,001223*10-6 1
Стабилизатор 0,013*10"6 2
Микросхема 0,043*10-6 3
Диоды 0,027*10-6 6
USB 0,0007*10-6 1
Транзисторы 0,085*10-6 6
Вибромотор 0,58*10-6 1
Рассчитаем интенсивность устройства по формуле:
Лб = 4 * 0,0037 * 10-6 + 5 * 0,0095 * 10-6 + 23 * 0,0037 * 10-6 + 0,16 * 10-6 + 0,001223
* 10-6 + 2 * 0,013 * 10-6 + 3 * 0,043 * 10-6 + 6 * 0,027 * 10-6 + 0,0007
* 10-6 + 6 * 0,085 * 10-6 + 0,58 * 10-6 = 1,716 * 10-6 I/ч
Вычислим вероятность безотказной работы по формуле:
P6(t) = exp(- 1,716 * 10-6) = 0,999
где t - время (в часах) безотказной работы.
Таким образом, видим, что надежность устройства находится на допускаемом уровне.
Библиографический список
1. Бейли И. Л. Последние достижения в клинической помощи слабовидящим // Inc. Re-habil. Med. - 1983. - Т. 5, № 3. - С. 106-110.
2. Лопина Т.Я. Клинико-функциональные критерии инвалидности при тапеторетиналь-ной абиотрофии // Автореф. дисс. .канд. мед. наук. - М., 1998. - 24 с.
3. Негрель А. Д., Минасян Д. С., Сайек Ф. Слепота и слабовидение на юго-востоке Турции // Офтальмол. Эпидемиол. - 1996. - Т. 3. - № 3. - С. 124-134.
4. Островский М.А. Молекулярные механизмы повреждающего действия света на структуры глаза и системы защиты от такого повреждения // Клиническая физиология зрения. - М.: Науч.-мед. фирма МБН, 2002. - С. 38-69.
5. Справочник: Надежность электрорадиоизделий: данные для расчета, 2004. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://areliability.com/wp-content/uploads/2018/08/Intensivnost-otkazov-elektroradioizdelij.pdf (дата обращения 26.05.2024).
6. Тайлефорс В., Негрель А., Дадзи К. Глобальные данные о слепоте // Бюллетень. Всемирный орган здравоохранения. - 1995. - Т. 73. - С. 115-121.
AN INSERT IN SHOES THAT HELPS THE VISUALLY IMPAIRED NAVIGATE THE
TERRAIN
A.M. Volkov, Graduate Student V.Yu. Vinogradov, Professor
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI (Russia, Kazan)
Abstract. The article discusses the problem of visually impaired people and suggests a device to help them navigate in normal life. The principle of operation of the device is given. Mounted components are selected for surface mounting and hole mounting. Based on the results of the selection of components, the electrical circuit is assembled and traced. Calculations are given of: the volume occupied by the elements in the housing; the power dissipated inside the device housing; the fill factor; the reduced size of the heated zone; the reduced height of the air gap between the heated zone and the housing; specific surface power of the hull; medium-surface overheating; probability of trouble-free operation.
Keywords: visually impaired, orientation device, the principle of operation, reliability calculation, overheating temperature calculation.
