模電課程設(shè)計-超聲波測距儀

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務書</b></p><p>　　學生姓名： 專業(yè)班級： 信息 </p><p>　　指導教師： 工作單位： 信息工程學院 </p><p>　　題 目: 超聲波測距儀 </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，時鐘芯片，按鍵，晶振，電感，插座，運算放大器等 </p><p>　?。?）可用儀器及設(shè)備：示波器，萬用表，個人計算機</p><p>　?。?）繪圖及仿真軟件：protel99se</p><

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

4、;<p>　?。?）第1-3周：選題及任務安排。</p><p>　?。?）第4-10周：方案選擇及設(shè)計。</p><p>　?。?）第11-16周：仿真及PCB制作（鑒主13樓計算機實驗室）。</p><p>　?。?）第17-18周：撰寫報告及答辯。</p><p>　　指導教師簽名：

5、 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）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、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想

6、手段。目前，超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量。雖然測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，本文設(shè)計的超聲波測距儀采用一對超聲波收發(fā)探頭進行超聲波的發(fā)射與接收，然后對信號通過運算放大器進行放大與去除干擾處理，最后將信號輸入單片機進行處理，通過LCD屏輸出，提供了良好的人機交換界面。本設(shè)計同時帶有溫度傳感，進行溫度補償，提高測距精度。單片機在無測距功能

7、時能自動進入休眠狀態(tài)，大大減低了應用功耗。通過按鍵喚醒，能快速從休眠狀體轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。</p><p>　　文中設(shè)計采用的EDA軟件為protel99se，Protel 99se 將項目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術(shù)、多通道技術(shù)、自動布線技術(shù)以及強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，包括原理圖符號。PCB封裝、SI模型及仿真模型，可以方便地進行同步修改。這次課程設(shè)

8、計主要要求掌握原理電路圖設(shè)計、PCB設(shè)計和仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：protel99se，超聲波測距原理圖設(shè)計、單片機</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)計任務與要求1</p><p>　　1.1 設(shè)計任務1</p><p>　　1.2 設(shè)計要求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)計文件4</p><p>　　3.2 載入原理圖庫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原理圖編輯器報表9</p><p>　　3.4.1電氣法則測試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15</b></p><p><b>　　參考文獻16</b></p>

18、;<p>　　附錄 元器件清單17</p><p><b>　　1 設(shè)計任務與要求</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計任務</b></p><p>　　采用一對超聲波收發(fā)探頭進行超聲波的發(fā)射與接收，然后對信號通過運算放大器進行放大與去除干擾處理，最后將信號輸入單片機進行處理，通過LCD屏輸出

19、，提供了良好的人機交換界面。本設(shè)計同時帶有萬年歷作用，具有很好的實用性能。單片機在無測距功能時能自動進入休眠狀態(tài)，大大減低了應用功耗。通過按鍵喚醒，能快速從休眠狀體轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。 </p><p><b>　　1.2 設(shè)計要求</b></p><p>　　1. 使用protel99se制作超聲波測距儀的電路原理圖</p><p>　　2.

20、使用protel99se制作超聲波測距儀的PCB圖</p><p>　　3．使用protel99se對超聲波測距儀的部分電路進行仿真</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)中任意點的密度ρ與該點處聲波的傳播速度C之積為此介質(zhì)在該點處

21、的聲阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介質(zhì)的聲學特性的一個重要物理量。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行超聲診斷的物理基礎(chǔ)。</p><p>　　聲強與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強也越大。對于平面超聲波，他的總功率為強度I和面積S的乘積，即W=IS。 超聲波的指向性：對于平面園片換能器，在無吸收的介質(zhì)中其波束形狀有兩個不同的區(qū)域即園柱形區(qū)和發(fā)散區(qū)或稱為近場區(qū)和遠場區(qū)。近場區(qū)的

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

23、：當一束平面超聲波入射到兩種介質(zhì)交界面上時，或者聲阻抗的不連續(xù)處時，會產(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 測距電路分析</p><p>　　測距系統(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距板上，在驅(qū)動電路與單片機控制下以一定周期發(fā)送超聲波。當聲波傳至障礙面時，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。該信號觸發(fā)超聲波發(fā)射電路，使探頭發(fā)射下一個聲脈沖。此過程循環(huán)，得一系列脈沖。將回波信號有后續(xù)電路進行處理，并且通過溫度傳感器對聲速進行溫度系數(shù)調(diào)整，提高測量精度。即可完成對距離的實時監(jiān)測和記錄。</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)時間相同的情況下，傳聲媒介的聲速越低，檢所能達到的空間分辨率越高，而空氣幾乎是聲速最低的媒介，回波中包含的目標信息更容易檢測到，再者，當超聲波的工作頻率大大高于環(huán)境噪聲頻率是，就會有較強的抗干擾的能力。而模塊正式利用這些特點與規(guī)律。</p><p>　　3 protel99se繪制原理圖</p><p&

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

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

28、CH】下單擊【ADD\REMOVE】會打開一個對話框，找到【SCH】下的元件庫，添加Miscellneous Devices.lib,如圖3-2-1所示。</p><p>　　圖3-2-1 添加元件庫</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欄中利用滾動條找到相應的元器件并選定它，如圖3-2-1.所示。接下來單擊Place按鍵，此時屏幕會出現(xiàn)一個隨鼠標移動的元器件符號，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鍵可打開編輯元件對話框，如圖3-2-2所示。將符號移動到適當?shù)奈恢煤髥螕羰髽俗箧I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，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 放置超聲波測距單元</p>&

31、lt;p>　　然后按照圖連接線路并放置節(jié)點，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 超聲波測距單元原理圖</p><p>　　繪制完單元圖紙后鼠標右擊選擇如圖編譯工程若出現(xiàn)報錯，按提示信息修改，直至沒有報錯信息。</p><p>　　3.4原理圖編輯器報表</p&g

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

33、即自動進行測試，測試完后自動彈出測試報告。按照報告里的提示，進行各種錯誤修改。</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)計和PCB設(shè)計的橋梁和紐帶，是PCB自動布線的根據(jù)。通過網(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)計中去，為電路板設(shè)計做好準備。執(zhí)行菜單命令【Design】/【Cr

34、eate Netlist…】，即可打開[Netlist Creation]（生成網(wǎng)絡(luò)表文件）設(shè)置對話框，默認設(shè)置，單擊對話框下面的【OK】，即可生成網(wǎng)絡(luò)表。</p><p>　　3.4.3創(chuàng)建PCB設(shè)計文件</p><p>　　生成網(wǎng)絡(luò)表之后，就進入了PCB板繪制的階段。選擇File/New/PCB生成一個后綴為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，點擊Design選項中的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)生預拉線，在屏幕上會出現(xiàn)排列整

37、齊的所有元件以及設(shè)置過的PCB板，然后PCB根據(jù)預拉線一條一條變?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開始自動排版。</p><p>　　一般來說protel99se的自動排版后的PCB板已經(jīng)比較理想了，但是仍然可以手動排版進行進一步美化。</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，就可以進入到最后的布線階段。Protel99 SE強大的自動布線功能，不僅布線快速而且合理，通過率很高。我們可以執(zhí)行Auto Route/All命令，選擇Default 2 Layer Board選項，再點擊Route All完成雙層PCB板的布線。</p>

39、<p>　　圖3.4.3 自動布線后的PCB板</p><p>　　protel99se在完成自動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，下面對超聲波測距儀的原理圖進行仿真。作為一款

40、馳名已久的板卡級設(shè)計軟件，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對部分電路進行了仿真。由于有些元器件在仿真過程中找不到元件，所以只能進行最簡單部分的仿真。</p><p>　　在仿真之前再檢查一遍電路元件的參數(shù)設(shè)置，進行正確的封裝。將電容電感的初始儲能設(shè)置為0V，將二極管和三極管的初始狀態(tài)設(shè)置為截止狀態(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命令進入仿真對話框。選擇最基本的瞬態(tài)特性分析Transient Analysis選項，并且將載波信號，調(diào)制信號，已調(diào)信號的節(jié)點VC，VIN，VOUT添加到激活信號（Active Signal）框格內(nèi)開始仿真。</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</b></p><p>　　本次課程設(shè)計，要求我們在設(shè)計電路圖的同時還要使用Protel軟件畫出電路的PCB板以及仿真出電路圖。這與以往的課程設(shè)計不同。印刷電路板是電子線路從理論走向?qū)嶋H的成果，無論是制作實物進行測試還是

43、用仿真軟件進行仿真，都是為了檢驗設(shè)計結(jié)果，并最終向?qū)嶋H生產(chǎn)方向發(fā)展。Protel 99se擁有強大的人機對話功能，能夠很好的將設(shè)計者的思維轉(zhuǎn)化成能夠被批量推廣的產(chǎn)品，這一點對于工科專業(yè)來說是非常重要的，因為我們現(xiàn)在所學習的一切都是為了將來能夠在工作崗位上設(shè)計出更多功能強大適合廣泛使用的電子產(chǎn)品，這樣才能創(chuàng)造更大的價值。</p><p>　　此外，在課程設(shè)計中，遇到挫折是非常正常的現(xiàn)象，但是如果確實付出努力了卻沒有

44、實現(xiàn)目標，雖然充滿遺憾但是自己確實快樂的。我遇到很多問題，這是非常正常的現(xiàn)象，但是全部仿真確實付出努力了卻沒有實現(xiàn)目標，雖然充滿遺憾但是自己確實快樂的。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我覺得我們通信專業(yè)屬于知識更新飛速的領(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，但同樣是一條時刻都面對巨大壓力和挑戰(zhàn)的道路。所以只有今天的努力才能換來明天的穩(wěn)定，只有付出才有夢想中的明天。&

45、lt;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　《電子技術(shù)課程設(shè)計》 易映萍 機械工業(yè)出版社 </p><p>　　《Protel 99se完全學習手冊》 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 武漢理工大學出版社 </p><p>　　《Protel 99 se印刷電路板設(shè)計教程》 肖玲妮編著 清華大學出版社</p><p>　　《Protel99 入門與提高》.趙品編著.人