模電課程設(shè)計(jì)-超聲波測(cè)距儀

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 信息 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 </p><p>　　題 目: 超聲波測(cè)距儀 </p><p&g

2、t;<b>　　初始條件： </b></p><p>　　可選元件：二極管、三極管、電阻、電位器、電容若干；+12V直流電源，單片機(jī)，時(shí)鐘芯片，按鍵，晶振，電感，插座，運(yùn)算放大器等 </p><p>　　（2）可用儀器及設(shè)備：示波器，萬(wàn)用表，個(gè)人計(jì)算機(jī)</p><p>　?。?）繪圖及仿真軟件：protel99se</p><

3、;p>　　要求完成的主要任務(wù): </p><p>　?。?）使用protel制作超聲波測(cè)距儀的電路原理圖</p><p>　?。?）使用protel制作超聲波測(cè)距儀的PCB圖</p><p>　?。?）使用protel進(jìn)行超聲波測(cè)距儀部分電路仿真設(shè)計(jì)</p><p><b>　　時(shí)間安排：</b></p>

4、;<p>　?。?）第1-3周：選題及任務(wù)安排。</p><p>　?。?）第4-10周：方案選擇及設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）第11-16周：仿真及PCB制作（鑒主13樓計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室）。</p><p>　　（4）第17-18周：撰寫(xiě)報(bào)告及答辯。</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：

5、 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想

6、手段。目前，超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量。雖然測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀采用一對(duì)超聲波收發(fā)探頭進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收，然后對(duì)信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大與去除干擾處理，最后將信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)LCD屏輸出，提供了良好的人機(jī)交換界面。本設(shè)計(jì)同時(shí)帶有溫度傳感，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測(cè)距精度。單片機(jī)在無(wú)測(cè)距功能

7、時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，大大減低了應(yīng)用功耗。通過(guò)按鍵喚醒，能快速?gòu)男菝郀铙w轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。</p><p>　　文中設(shè)計(jì)采用的EDA軟件為protel99se，Protel 99se 將項(xiàng)目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術(shù)、多通道技術(shù)、自動(dòng)布線技術(shù)以及強(qiáng)大的電路仿真的技術(shù)完美的融合在一起。Protel99se提供了豐富的元件庫(kù)，包括原理圖符號(hào)。PCB封裝、SI模型及仿真模型，可以方便地進(jìn)行同步修改。這次課程設(shè)

8、計(jì)主要要求掌握原理電路圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：protel99se，超聲波測(cè)距原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Owing to launch ultrasonic, directional, directional control, and the i

9、ntensity of measurement by direct contact with the advantage of no need, is the ideal liquid as height measurement.Nowadays,ultrasonic ranging mainly used in reverse remind, construction sites, industrial sites of distan

10、ce measurement.Though currently span ranging in can reach 100 meters, but the accuracy of measurement often can only achieve centimeters. In precision level measurement to achieve mm level measurement precisio</p>

11、<p>　　The paper designs on the EDA software Protel 99se which combines Project management, the PCB and schematic map of the two-way synchronization technology, multi-channel technology, automatic routing technology

12、 and a strong circuit simulation technology together perfectly. Protel 99se provides a rich library, including the principle of symbols. PCB package, SI model and simulation model can easily synchronize edits. The main d

13、emands of the curriculum design master principle circuit design, PCB des</p><p>　　Key words： protel99se，ultrasonic ranging automatic routing device，Microcontroller</p><p><b>　　目 錄</b

14、></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)1</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)要求1</p><p><b>　　2

15、原理分析2</b></p><p>　　2.1 超聲波物理特性：2</p><p>　　2.2 測(cè)距電路分析3</p><p>　　3 protel99se繪制原理圖4</p><p>　　3.1 新建原理圖設(shè)計(jì)文件4</p><p>　　3.2 載入原理圖庫(kù)4</p><p

16、>　　3.3 元件的封裝5</p><p>　　3.3電路原理圖繪制7</p><p>　　3.4原理圖編輯器報(bào)表9</p><p>　　3.4.1電氣法則測(cè)試9</p><p>　　3.4.2 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表文件9</p><p>　　3.4.3創(chuàng)建PCB設(shè)計(jì)文件9</p><p&g

17、t;　　3.4.4 PCB板的排版10</p><p>　　3.4.5 PCB板的布線11</p><p><b>　　4 電路仿真13</b></p><p><b>　　5心得體會(huì)15</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p>

18、;<p>　　附錄 元器件清單17</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　采用一對(duì)超聲波收發(fā)探頭進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收，然后對(duì)信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大與去除干擾處理，最后將信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)LCD屏輸出

19、，提供了良好的人機(jī)交換界面。本設(shè)計(jì)同時(shí)帶有萬(wàn)年歷作用，具有很好的實(shí)用性能。單片機(jī)在無(wú)測(cè)距功能時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，大大減低了應(yīng)用功耗。通過(guò)按鍵喚醒，能快速?gòu)男菝郀铙w轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。 </p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1. 使用protel99se制作超聲波測(cè)距儀的電路原理圖</p><p>　　2.

20、使用protel99se制作超聲波測(cè)距儀的PCB圖</p><p>　　3．使用protel99se對(duì)超聲波測(cè)距儀的部分電路進(jìn)行仿真</p><p><b>　　2 原理分析</b></p><p>　　2.1 超聲波物理特性：</p><p>　　聲阻抗：介質(zhì)中任意點(diǎn)的密度ρ與該點(diǎn)處聲波的傳播速度C之積為此介質(zhì)在該點(diǎn)處

21、的聲阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介質(zhì)的聲學(xué)特性的一個(gè)重要物理量。聲阻抗的變化將影響超聲波的傳播。聲阻抗是采用反射回波法進(jìn)行超聲診斷的物理基礎(chǔ)。</p><p>　　聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強(qiáng)也越大。對(duì)于平面超聲波，他的總功率為強(qiáng)度I和面積S的乘積，即W=IS。 超聲波的指向性：對(duì)于平面園片換能器，在無(wú)吸收的介質(zhì)中其波束形狀有兩個(gè)不同的區(qū)域即園柱形區(qū)和發(fā)散區(qū)或稱為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)的

22、長(zhǎng)度為D2/4λ，D為晶片直徑，λ為該介質(zhì)中傳播的超聲波長(zhǎng)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，發(fā)散角由sinθ=1.22λ/D給出?？梢?jiàn)，減小直徑可縮短近場(chǎng)長(zhǎng)度和增大，即加寬了波束。增加頻率即減小波長(zhǎng)時(shí)，加長(zhǎng)了近場(chǎng)區(qū)，減少了發(fā)散角，可獲得較窄的波束。 　　聲強(qiáng)度沿中心軸距離的分布，近場(chǎng)區(qū)聲強(qiáng)度有劇烈的起伏變化，存在著許多聲強(qiáng)度為極小值的節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可引起不希望有的盲點(diǎn)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)聲強(qiáng)都變化趨于平穩(wěn)，單隨著距離的增加，聲強(qiáng)逐漸減弱。 超聲波的反射與折射

23、：當(dāng)一束平面超聲波入射到兩種介質(zhì)交界面上時(shí)，或者聲阻抗的不連續(xù)處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射，并遵從反射和折射定律。 　　　　θI=θR 　　　　SinθI/SinθT=C1/C2 超聲波的衰減 ：超聲在介質(zhì)中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。噪聲衰減的因素主要有兩類。一類是聲束本身</p><p>　　2.2 測(cè)距電路分析</p><p>　　測(cè)距系統(tǒng)采用

24、超聲脈沖回波法，利用超聲波在阻抗率不同的媒介界面處產(chǎn)生反射，將收發(fā)超聲波探頭安裝在測(cè)距板上，在驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)控制下以一定周期發(fā)送超聲波。當(dāng)聲波傳至障礙面時(shí)，由于空氣與路面聲阻抗性率的顯著差異，將產(chǎn)生放射波沿原路折回并被探頭接收。該信號(hào)觸發(fā)超聲波發(fā)射電路，使探頭發(fā)射下一個(gè)聲脈沖。此過(guò)程循環(huán)，得一系列脈沖。將回波信號(hào)有后續(xù)電路進(jìn)行處理，并且通過(guò)溫度傳感器對(duì)聲速進(jìn)行溫度系數(shù)調(diào)整，提高測(cè)量精度。即可完成對(duì)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。</p&g

25、t;<p>　　按照脈沖聲波傳播的規(guī)律，在探頭敏感元件直徑，工作頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間相同的情況下，傳聲媒介的聲速越低，檢所能達(dá)到的空間分辨率越高，而空氣幾乎是聲速最低的媒介，回波中包含的目標(biāo)信息更容易檢測(cè)到，再者，當(dāng)超聲波的工作頻率大大高于環(huán)境噪聲頻率是，就會(huì)有較強(qiáng)的抗干擾的能力。而模塊正式利用這些特點(diǎn)與規(guī)律。</p><p>　　3 protel99se繪制原理圖</p><p&

26、gt;　　3.1 新建原理圖設(shè)計(jì)文件</p><p>　　打開(kāi)PROTEL99SE軟件，在設(shè)計(jì)瀏覽器中，執(zhí)行【FILE】/【NEW】菜單命令，打開(kāi)【NEW DESIGN DATABASE】對(duì)話框。在【DATABASE FILE NAME】文本框中輸入設(shè)計(jì)文件的名稱。儲(chǔ)存文件的地址選為默認(rèn)，完畢后單擊【OK】按鈕。雙擊【DOCUMENGTS】，選擇菜單命令【FILE】/【NEW ...】對(duì)話框。在新建設(shè)計(jì)文件對(duì)話框

27、中，單擊【SCHEMATIC DOCUMENT】圖標(biāo)選中新建原理圖設(shè)計(jì)文件選項(xiàng)，然后單擊【OK】按鈕。雙擊原理設(shè)計(jì)文件，啟動(dòng)原理圖編輯器。</p><p>　　圖3-1-1 創(chuàng)建原理圖設(shè)計(jì)文件</p><p>　　3.2 載入原理圖庫(kù)</p><p>　　在原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，放置的元器件全部來(lái)源于載入到原理圖編輯其中的原理圖庫(kù)。在原理圖左側(cè)管理窗口【BROUSE S

28、CH】下單擊【ADD\REMOVE】會(huì)打開(kāi)一個(gè)對(duì)話框，找到【SCH】下的元件庫(kù)，添加Miscellneous Devices.lib,如圖3-2-1所示。</p><p>　　圖3-2-1 添加元件庫(kù)</p><p><b>　　3.3 元件的封裝</b></p><p>　　在面版上的Library欄中選取Miscellaneous Devi

29、ces.lib，然后再Components In Library欄中利用滾動(dòng)條找到相應(yīng)的元器件并選定它，如圖3-2-1.所示。接下來(lái)單擊Place按鍵，此時(shí)屏幕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)隨鼠標(biāo)移動(dòng)的元器件符號(hào)，按空格可以旋轉(zhuǎn)元件，按下X或Y可在X方向或Y方向鏡像，按Tab鍵可打開(kāi)編輯元件對(duì)話框，如圖3-2-2所示。將符號(hào)移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢煤髥螕羰髽?biāo)左鍵使其定位。</p><p>　　圖3-2-1 元器件的添加</p>

30、<p>　　圖3-2-2 元器件的封裝 </p><p>　　3.3電路原理圖繪制</p><p>　　添加繪圖所需的元件庫(kù)，然后將全部元件放置于圖紙上，如圖3-3-1所示。</p><p>　　圖3-3-1 放置主控單元元件</p><p>　　圖3-3-2 放置超聲波測(cè)距單元</p>&

31、lt;p>　　然后按照?qǐng)D連接線路并放置節(jié)點(diǎn)，如圖3-3-3所示。</p><p>　　圖3-3-3 主控單元原理圖</p><p>　　圖3-3-4 超聲波測(cè)距單元原理圖</p><p>　　繪制完單元圖紙后鼠標(biāo)右擊選擇如圖編譯工程若出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，按提示信息修改，直至沒(méi)有報(bào)錯(cuò)信息。</p><p>　　3.4原理圖編輯器報(bào)表</p&g

32、t;<p>　　3.4.1電氣法則測(cè)試</p><p>　　電氣法則測(cè)試就是通常所稱的ERC（Electrical Rules Check）。在用Protel 99se生成網(wǎng)絡(luò)表之前，先進(jìn)行電氣法則測(cè)試。在原理圖編輯器中，執(zhí)行菜單命令【 TOOLS】/【 ERC…】，即可打開(kāi)【Setup Electrical Rule Check】對(duì)話框，彈出對(duì)話框后里面有很多選項(xiàng)，我們選擇默認(rèn)，點(diǎn)擊【OK】。系統(tǒng)

33、即自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完后自動(dòng)彈出測(cè)試報(bào)告。按照?qǐng)?bào)告里的提示，進(jìn)行各種錯(cuò)誤修改。</p><p>　　3.4.2 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表文件</p><p>　　在Protel99se中，網(wǎng)絡(luò)表文件是連接原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)的橋梁和紐帶，是PCB自動(dòng)布線的根據(jù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)表文件，可以將原理圖文件中的元器件封裝和網(wǎng)絡(luò)連接傳遞到PCB電路板設(shè)計(jì)中去，為電路板設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。執(zhí)行菜單命令【Design】/【Cr

34、eate Netlist…】，即可打開(kāi)[Netlist Creation]（生成網(wǎng)絡(luò)表文件）設(shè)置對(duì)話框，默認(rèn)設(shè)置，單擊對(duì)話框下面的【OK】，即可生成網(wǎng)絡(luò)表。</p><p>　　3.4.3創(chuàng)建PCB設(shè)計(jì)文件</p><p>　　生成網(wǎng)絡(luò)表之后，就進(jìn)入了PCB板繪制的階段。選擇File/New/PCB生成一個(gè)后綴為PcbDoc的文件。PCB板分為很多層，主要有Top-Layer、Bottom

35、-Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。</p><p>　　按步驟設(shè)置PCB板的Mechanical物理邊界以及Keep-Out Layer電氣邊界。先執(zhí)行Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp命令，此時(shí)光變變成十字形。然后在Mechanical層面上劃定PCB板的物理邊界，最后在禁止布線層（Kee

36、p-Out Layer）上面劃定電器邊界。</p><p>　　所有工作就緒后，點(diǎn)擊Design選項(xiàng)中的Load Nets ,載入網(wǎng)絡(luò)表，如圖3-4-2所示。</p><p>　　圖3-4-3 載入網(wǎng)絡(luò)表</p><p>　　3.4.4 PCB板的排版</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)表加載完成之后，PCB根據(jù)網(wǎng)絡(luò)表產(chǎn)生預(yù)拉線，在屏幕上會(huì)出現(xiàn)排列整

37、齊的所有元件以及設(shè)置過(guò)的PCB板，然后PCB根據(jù)預(yù)拉線一條一條變?yōu)殂~膜走線。選定所有的元件拖至PCB板上，執(zhí)行Tools/Auto Placement/Auto Placer/Cluster Placer命令，protel99se開(kāi)始自動(dòng)排版。</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)protel99se的自動(dòng)排版后的PCB板已經(jīng)比較理想了，但是仍然可以手動(dòng)排版進(jìn)行進(jìn)一步美化。</p><p>　　圖

38、3.4.2 綜合布局后的PCB</p><p>　　3.4.5 PCB板的布線</p><p>　　在元件排版完畢之后，就可以進(jìn)入到最后的布線階段。Protel99 SE強(qiáng)大的自動(dòng)布線功能，不僅布線快速而且合理，通過(guò)率很高。我們可以執(zhí)行Auto Route/All命令，選擇Default 2 Layer Board選項(xiàng)，再點(diǎn)擊Route All完成雙層PCB板的布線。</p>

39、<p>　　圖3.4.3 自動(dòng)布線后的PCB板</p><p>　　protel99se在完成自動(dòng)布線之后顯示布線信息，并且全部成功，至此基于protel99se的PCB板設(shè)計(jì)全部制作完成。</p><p><b>　　4 電路仿真</b></p><p>　　在完成了PCB板的制作后，下面對(duì)超聲波測(cè)距儀的原理圖進(jìn)行仿真。作為一款

40、馳名已久的板卡級(jí)設(shè)計(jì)軟件，Protel 99 SE同樣擁有仿真功能。但是其仿真能力有限，由于DXP的版本對(duì)電腦配置要求高，所以我的電腦不能使用，于是在別人電腦上面用DXP對(duì)部分電路進(jìn)行了仿真。由于有些元器件在仿真過(guò)程中找不到元件，所以只能進(jìn)行最簡(jiǎn)單部分的仿真。</p><p>　　在仿真之前再檢查一遍電路元件的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行正確的封裝。將電容電感的初始儲(chǔ)能設(shè)置為0V，將二極管和三極管的初始狀態(tài)設(shè)置為截止?fàn)顟B(tài)“OF

41、F”。</p><p>　　圖4-1 部分仿真電路</p><p>　　然后執(zhí)行Design/Simulate/Mixed Sim命令進(jìn)入仿真對(duì)話框。選擇最基本的瞬態(tài)特性分析Transient Analysis選項(xiàng)，并且將載波信號(hào)，調(diào)制信號(hào)，已調(diào)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)VC，VIN，VOUT添加到激活信號(hào)（Active Signal）框格內(nèi)開(kāi)始仿真。</p><p>　　結(jié)果得按

42、鍵按下后MES_nINTO的輸出波形：</p><p>　　圖4.2 仿真結(jié)果圖形 </p><p><b>　　5心得體會(huì)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路圖的同時(shí)還要使用Protel軟件畫(huà)出電路的PCB板以及仿真出電路圖。這與以往的課程設(shè)計(jì)不同。印刷電路板是電子線路從理論走向?qū)嶋H的成果，無(wú)論是制作實(shí)物進(jìn)行測(cè)試還是

43、用仿真軟件進(jìn)行仿真，都是為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并最終向?qū)嶋H生產(chǎn)方向發(fā)展。Protel 99se擁有強(qiáng)大的人機(jī)對(duì)話功能，能夠很好的將設(shè)計(jì)者的思維轉(zhuǎn)化成能夠被批量推廣的產(chǎn)品，這一點(diǎn)對(duì)于工科專業(yè)來(lái)說(shuō)是非常重要的，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在所學(xué)習(xí)的一切都是為了將來(lái)能夠在工作崗位上設(shè)計(jì)出更多功能強(qiáng)大適合廣泛使用的電子產(chǎn)品，這樣才能創(chuàng)造更大的價(jià)值。</p><p>　　此外，在課程設(shè)計(jì)中，遇到挫折是非常正常的現(xiàn)象，但是如果確實(shí)付出努力了卻沒(méi)有

44、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，雖然充滿遺憾但是自己確實(shí)快樂(lè)的。我遇到很多問(wèn)題，這是非常正常的現(xiàn)象，但是全部仿真確實(shí)付出努力了卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，雖然充滿遺憾但是自己確實(shí)快樂(lè)的。</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我覺(jué)得我們通信專業(yè)屬于知識(shí)更新飛速的領(lǐng)域，電子產(chǎn)品欣欣向榮，產(chǎn)品的淘汰頻率很高，雖然有很多領(lǐng)域可以讓我們大展拳腳，但同樣是一條時(shí)刻都面對(duì)巨大壓力和挑戰(zhàn)的道路。所以只有今天的努力才能換來(lái)明天的穩(wěn)定，只有付出才有夢(mèng)想中的明天。&

45、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》 易映萍 機(jī)械工業(yè)出版社 </p><p>　　《Protel 99se完全學(xué)習(xí)手冊(cè)》 劉文濤 電子工業(yè)出版社 </p><p>　　《Protel DXP中文版新手上路》 徐建平 上?？茖W(xué)普及出版社

46、 </p><p>　　《高頻電子線路》第四版 張素文 高等教育出版社 </p><p>　　《通信電子線路》第二版 劉泉 武漢理工大學(xué)出版社 </p><p>　　《Protel 99 se印刷電路板設(shè)計(jì)教程》 肖玲妮編著 清華大學(xué)出版社</p><p>　　《Protel99 入門(mén)與提高》.趙品編著.人