模電課程設(shè)計-超聲波測距儀

武漢理工大學(xué)《Protel應(yīng)用》課程設(shè)計說明書PAGEI課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：信息指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目:超聲波測距儀初始條件：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（2）可用儀器及設(shè)備：示波器，萬用表，個人計算機（3）繪圖及仿真軟件：protel99se要求完成的主要任務(wù):（1）使用protel制作超聲波測距儀的電路原理圖（2）使用protel制作超聲波測距儀的PCB圖（3）使用protel進行超聲波測距儀部分電路仿真設(shè)計時間安排：（1）第1-3周：選題及任務(wù)安排。（2）第4-10周：方案選擇及設(shè)計。（3）第11-16周：仿真及PCB制作（鑒主13樓計算機實驗室）。（4）第17-18周：撰寫報告及答辯。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日PAGE16摘要超聲波易于定向發(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手段。目前，超聲波測距主要應(yīng)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時能自動進入休眠狀態(tài)，大大減低了應(yīng)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)。文中設(shè)計采用的EDA軟件為protel99se，Protel99se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)計主要要求掌握原理電路圖設(shè)計、PCB設(shè)計和仿真。關(guān)鍵詞：protel99se，超聲波測距原理圖設(shè)計、單片機

ABSTRACTOwingtolaunchultrasonic,directional,directionalcontrol,andtheintensityofmeasurementbydirectcontactwiththeadvantageofnoneed,istheidealliquidasheightmeasurement.Nowadays,ultrasonicrangingmainlyusedinreverseremind,constructionsites,industrialsitesofdistancemeasurement.Thoughcurrentlyspanrangingincanreach100meters,buttheaccuracyofmeasurementoftencanonlyachievecentimeters.Inprecisionlevelmeasurementtoachievemmlevelmeasurementprecision,thepaperdesignstheultrasonicrangefinderUSESapairofultrasonicprobeultrasonicreceivingtheemittingandreceiving,thentosignalamplifieramplificationandbyremovinginterference,finallywillsignalinput,processingchipbyLCDoutput,providesgoodman-computerexchangeinterface.Thisdesignwithtemperaturesensor,thetemperaturecompensation,toimprovetherangingaccuracy.Inthedistancefunctionchipcanautomaticallyintosuspendedanimationandgreatlyreducedtheapplicationofpower.Throughthebutton,canquicklyawakenfromdormancybodyintotheworkingstatus.ThepaperdesignsontheEDAsoftwareProtel99sewhichcombinesProjectmanagement,thePCBandschematicmapofthetwo-waysynchronizationtechnology,multi-channeltechnology,automaticroutingtechnologyandastrongcircuitsimulationtechnologytogetherperfectly.Protel99seprovidesarichlibrary,includingtheprincipleofsymbols.PCBpackage,SImodelandsimulationmodelcaneasilysynchronizeedits.Themaindemandsofthecurriculumdesignmasterprinciplecircuitdesign,PCBdesignandsimulation.Keywords：protel99se，ultrasonicrangingautomaticroutingdevice，Microcontroller

目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IABSTRACT II1設(shè)計任務(wù)與要求 11.1設(shè)計任務(wù) 11.2設(shè)計要求 12原理分析 22.1超聲波物理特性： 22.2測距電路分析 33protel99se繪制原理圖 43.1新建原理圖設(shè)計文件 43.2載入原理圖庫 43.3元件的封裝 53.3電路原理圖繪制 73.4原理圖編輯器報表 93.4.1電氣法則測試 93.4.2創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表文件 93.4.3創(chuàng)建PCB設(shè)計文件 93.4.4PCB板的排版 103.4.5PCB板的布線 114電路仿真 135心得體會 15參考文獻 16附錄元器件清單 171設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)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(yīng)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)。1.2設(shè)計要求1.使用protel99se制作超聲波測距儀的電路原理圖2.使用protel99se制作超聲波測距儀的PCB圖3．使用protel99se對超聲波測距儀的部分電路進行仿真

2原理分析2.1超聲波物理特性：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)。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(yuǎn)場區(qū)。近場區(qū)的長度為D2/4λ，D為晶片直徑，λ為該介質(zhì)中傳播的超聲波長。在遠(yuǎn)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(yuǎn)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：當(dāng)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。一類是聲束本身擴散，使單位面積上的能量下降，或反射，散射的結(jié)果，使能量不能再沿著原來的方向傳播。在這一類事件中，聲波的總能量并沒有減少。另一類是，超聲傳播中，由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換成為熱能，因而使聲能減小。著后一類的機理比較復(fù)雜，主要有粘滯吸收；弛豫吸收、相對運動吸收及空化氣泡吸收

對于給定的頻率的超聲波，其強度和壓強幅度都隨著距離的增大而按指數(shù)規(guī)律下降，可表示為：

I(x)=I0e-2αx

P(x)=P0e-αx

式中α為衰減系數(shù)。α是頻率的函數(shù)。αmm=βfMHz。為常數(shù)。

衰減系數(shù)在很大程度上依賴于頻率。這一點，我們在設(shè)計還是操作上都具有重大影響意義。2.2測距電路分析測距系統(tǒng)采用超聲脈沖回波法，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(dāng)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。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(biāo)信息更容易檢測到，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。

3protel99se繪制原理圖3.1新建原理圖設(shè)計文件打開PROTEL99SE軟件，在設(shè)計瀏覽器中，執(zhí)行【FILE】/【NEW】菜單命令，打開【NEWDESIGNDATABASE】對話框。在【DATABASEFILENAME】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(rèn)，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)計文件對話框中，單擊【SCHEMATICDOCUMENT】圖標(biāo)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。 圖3-1-1創(chuàng)建原理圖設(shè)計文件3.2載入原理圖庫在原理圖設(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【BROUSESCH】下單擊【ADD\REMOVE】會打開一個對話框，找到【SCH】下的元件庫，添加MiscellneousDevices.lib,如圖3-2-1所示。圖3-2-1添加元件庫3.3元件的封裝在面版上的Library欄中選取MiscellaneousDevices.lib，然后再ComponentsInLibrary欄中利用滾動條找到相應(yīng)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(biāo)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(dāng)?shù)奈恢煤髥螕羰髽?biāo)左鍵使其定位。圖3-2-1元器件的添加 圖3-2-2元器件的封裝3.3電路原理圖繪制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。圖3-3-1放置主控單元元件圖3-3-2放置超聲波測距單元然后按照圖連接線路并放置節(jié)點，如圖3-3-3所示。圖3-3-3主控單元原理圖圖3-3-4超聲波測距單元原理圖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)報錯，按提示信息修改，直至沒有報錯信息。3.4原理圖編輯器報表3.4.1電氣法則測試電氣法則測試就是通常所稱的ERC（ElectricalRulesCheck）。在用Protel99se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【SetupElectricalRuleCheck】對話框，彈出對話框后里面有很多選項，我們選擇默認(rèn)，點擊【OK】。系統(tǒng)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。3.4.2創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表文件在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(zhǔn)備。執(zhí)行菜單命令【Design】/【CreateNetlist…】，即可打開[NetlistCreation]（生成網(wǎng)絡(luò)表文件）設(shè)置對話框，默認(rèn)設(shè)置，單擊對話框下面的【OK】，即可生成網(wǎng)絡(luò)表。3.4.3創(chuàng)建PCB設(shè)計文件生成網(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-Layer、Mechanical、TopOverlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。按步驟設(shè)置PCB板的Mechanical物理邊界以及Keep-OutLayer電氣邊界。先執(zhí)行Design/BoardSharp/RedefineBoardSharp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（Keep-OutLayer）上面劃定電器邊界。所有工作就緒后，點擊Design選項中的LoadNets,載入網(wǎng)絡(luò)表，如圖3-4-2所示。 圖3-4-3載入網(wǎng)絡(luò)表3.4.4PCB板的排版網(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，在屏幕上會出現(xiàn)排列整齊的所有元件以及設(shè)置過的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/AutoPlacement/AutoPlacer/ClusterPlacer命令，protel99se開始自動排版。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。圖3.4.2綜合布局后的PCB3.4.5PCB板的布線在元件排版完畢之后，就可以進入到最后的布線階段。Protel99SE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AutoRoute/All命令，選擇Default2LayerBoard選項，再點擊RouteAll完成雙層PCB板的布線。圖3.4.3自動布線后的PCB板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。

4電路仿真在完成了PCB板的制作后，下面對超聲波測距儀的原理圖進行仿真。作為一款馳名已久的板卡級設(shè)計軟件，Protel99SE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。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?fàn)顟B(tài)“OFF”。圖4-1部分仿真電路然后執(zhí)行Design/Simulate/MixedSim命令進入仿真對話框。選擇最基本的瞬態(tài)特性分析TransientAnalysis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（ActiveSignal）框格內(nèi)開始仿真。結(jié)果得按鍵按下后MES_nINTO的輸出波形：圖4.2仿真結(jié)果圖形

5心得體會本次課程設(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。Protel99se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(xué)習(xí)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。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實現(xiàn)目標(biāo)，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(biāo)，雖然充滿遺憾但是自己確實快樂的。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。參考文獻《電子技術(shù)課程設(shè)計》易映萍機械工業(yè)出版社《Protel99se完全學(xué)習(xí)手冊》劉文濤電子工業(yè)出版社《ProtelDXP中文版新手上路》徐建平上?？茖W(xué)普及出版社《高頻電子線路》第四版張素文高等教育出版社《通信電子線路》第二版劉泉武漢理工大學(xué)出版社《Protel99se印刷電路板設(shè)計教程》肖玲妮編著清華大學(xué)出版社《Protel99入門與提高》.趙品編著.人民郵電出版社.2000.11PAGE18附錄元器件清單QuantityDesignatorDescriptionFootprintComment2400SR160,400ST160超聲探頭-duplicate400S7C1,C2,C3,C4,CG1,CY1,CY2CapacitorRAD-0.3Cap14CA1,CA2,CA3,CA4,CA5,CA6,CA7,CA9,CB2,CC1,CD1,CE1,CE2,CT1Capacitor(SemiconductorSIMModel)C1206CapSemi2CA8,CB1PolarizedCapacitor(Axial)POLAR0.8CapPol22CG2,CG3PolarizedCapacitor(Radial)RB7.6-15CapPol11D