模电课程设计超声波测距仪讲解.docx
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模电课程设计超声波测距仪讲解
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
信息
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
超声波测距仪
初始条件:
(1)可选元件:
二极管、三极管、电阻、电位器、电容若干;+12V直流电源,单片机,时钟芯片,按键,晶振,电感,插座,运算放大器等
(2)可用仪器及设备:
示波器,万用表,个人计算机
(3)绘图及仿真软件:
protel99se
要求完成的主要任务:
(1)使用protel制作超声波测距仪的电路原理图
(2)使用protel制作超声波测距仪的PCB图
(3)使用protel进行超声波测距仪部分电路仿真设计
时间安排:
(1)第1-3周:
选题及任务安排。
(2)第4-10周:
方案选择及设计。
(3)第11-16周:
仿真及PCB制作(鉴主13楼计算机实验室)。
(4)第17-18周:
撰写报告及答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要
超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段。
目前,超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。
虽然测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,本文设计的超声波测距仪采用一对超声波收发探头进行超声波的发射与接收,然后对信号通过运算放大器进行放大与去除干扰处理,最后将信号输入单片机进行处理,通过LCD屏输出,提供了良好的人机交换界面。
本设计同时带有温度传感,进行温度补偿,提高测距精度。
单片机在无测距功能时能自动进入休眠状态,大大减低了应用功耗。
通过按键唤醒,能快速从休眠状体转入工作状态。
文中设计采用的EDA软件为protel99se,Protel99se将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道技术、自动布线技术以及强大的电路仿真的技术完美的融合在一起。
Protel99se提供了丰富的元件库,包括原理图符号。
PCB封装、SI模型及仿真模型,可以方便地进行同步修改。
这次课程设计主要要求掌握原理电路图设计、PCB设计和仿真。
关键词:
protel99se,超声波测距原理图设计、单片机
ABSTRACT
Owingtolaunchultrasonic,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
1设计任务与要求
1.1设计任务
采用一对超声波收发探头进行超声波的发射与接收,然后对信号通过运算放大器进行放大与去除干扰处理,最后将信号输入单片机进行处理,通过LCD屏输出,提供了良好的人机交换界面。
本设计同时带有万年历作用,具有很好的实用性能。
单片机在无测距功能时能自动进入休眠状态,大大减低了应用功耗。
通过按键唤醒,能快速从休眠状体转入工作状态。
1.2设计要求
1.使用protel99se制作超声波测距仪的电路原理图
2.使用protel99se制作超声波测距仪的PCB图
3.使用protel99se对超声波测距仪的部分电路进行仿真
2原理分析
2.1超声波物理特性:
声阻抗:
介质中任意点的密度ρ与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗,以Z表示,即Z=ρC。
它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。
声阻抗的变化将影响超声波的传播。
声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。
声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大。
对于平面超声波,他的总功率为强度I和面积S的乘积,即W=IS。
超声波的指向性:
对于平面园片换能器,在无吸收的介质中其波束形状有两个不同的区域即园柱形区和发散区或称为近场区和远场区。
近场区的长度为D2/4λ,D为晶片直径,λ为该介质中传播的超声波长。
在远场区,发散角由sinθ=1.22λ/D给出。
可见,减小直径可缩短近场长度和增大,即加宽了波束。
增加频率即减小波长时,加长了近场区,减少了发散角,可获得较窄的波束。
声强度沿中心轴距离的分布,近场区声强度有剧烈的起伏变化,存在着许多声强度为极小值的节点。
这些节点可引起不希望有的盲点。
在远场区声强都变化趋于平稳,单随着距离的增加,声强逐渐减弱。
超声波的反射与折射:
当一束平面超声波入射到两种介质交界面上时,或者声阻抗的不连续处时,会产生反射和折射,并遵从反射和折射定律。
θI=θR
SinθI/SinθT=C1/C2
超声波的衰减:
超声在介质中传播,其能量将随着距离的增加而减小,这种现象称为超声波的衰减。
噪声衰减的因素主要有两类。
一类是声束本身扩散,使单位面积上的能量下降,或反射,散射的结果,使能量不能再沿着原来的方向传播。
在这一类事件中,声波的总能量并没有减少。
另一类是,超声传播中,由于介质的吸收,将声能转换成为热能,因而使声能减小。
着后一类的机理比较复杂,主要有粘滞吸收;弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收
对于给定的频率的超声波,其强度和压强幅度都随着距离的增大而按指数规律下降,可表示为:
I(x)=I0e-2αx
P(x)=P0e-αx
式中α为衰减系数。
α是频率的函数。
αmm=βfMHz。
为常数。
衰减系数在很大程度上依赖于频率。
这一点,我们在设计还是操作上都具有重大影响意义。
2.2测距电路分析
测距系统采用超声脉冲回波法,利用超声波在阻抗率不同的媒介界面处产生反射,将收发超声波探头安装在测距板上,在驱动电路与单片机控制下以一定周期发送超声波。
当声波传至障碍面时,由于空气与路面声阻抗性率的显著差异,将产生放射波沿原路折回并被探头接收。
该信号触发超声波发射电路,使探头发射下一个声脉冲。
此过程循环,得一系列脉冲。
将回波信号有后续电路进行处理,并且通过温度传感器对声速进行温度系数调整,提高测量精度。
即可完成对距离的实时监测和记录。
按照脉冲声波传播的规律,在探头敏感元件直径,工作频率和脉冲持续时间相同的情况下,传声媒介的声速越低,检所能达到的空间分辨率越高,而空气几乎是声速最低的媒介,回波中包含的目标信息更容易检测到,再者,当超声波的工作频率大大高于环境噪声频率是,就会有较强的抗干扰的能力。
而模块正式利用这些特点与规律。
3protel99se绘制原理图
3.1新建原理图设计文件
打开PROTEL99SE软件,在设计浏览器中,执行【FILE】/【NEW】菜单命令,打开【NEWDESIGNDATABASE】对话框。
在【DATABASEFILENAME】文本框中输入设计文件的名称。
储存文件的地址选为默认,完毕后单击【OK】按钮。
双击【DOCUMENGTS】,选择菜单命令【FILE】/【NEW...】对话框。
在新建设计文件对话框中,单击【SCHEMATICDOCUMENT】图标选中新建原理图设计文件选项,然后单击【OK】按钮。
双击原理设计文件,启动原理图编辑器。
图3-1-1创建原理图设计文件
3.2载入原理图库
在原理图设计过程中,放置的元器件全部来源于载入到原理图编辑其中的原理图库。
在原理图左侧管理窗口【BROUSESCH】下单击【ADD\REMOVE】会打开一个对话框,找到【SCH】下的元件库,添加MiscellneousDevices.lib,如图3-2-1所示。
图3-2-1添加元件库
3.3元件的封装
在面版上的Library栏中选取MiscellaneousDevices.lib,然后再ComponentsInLibrary栏中利用滚动条找到相应的元器件并选定它,如图3-2-1.所示。
接下来单击Place按键,此时屏幕会出现一个随鼠标移动的元器件符号,按空格可以旋转元件,按下X或Y可在X方向或Y方向镜像,按Tab键可打开编辑元件对话框,如图3-2-2所示。
将符号移动到适当的位置后单击鼠标左键使其定位。
图3-2-1元器件的添加
图3-2-2元器件的封装
3.3电路原理图绘制
添加绘图所需的元件库,然后将全部元件放置于图纸上,如图3-3-1所示。
图3-3-1放置主控单元元件
图3-3-2放置超声波测距单元
然后按照图连接线路并放置节点,如图3-3-3所示。
图3-3-3主控单元原理图
图3-3-4超声波测距单元原理图
绘制完单元图纸后鼠标右击选择如图编译工程若出现报错,按提示信息修改,直至没有报错信息。
3.4原理图编辑器报表
3.4.1电气法则测试
电气法则测试就是通常所称的ERC(ElectricalRulesCheck)。
在用Protel99se生成网络表之前,先进行电气法则测试。
在原理图编辑器中,执行菜单命令【TOOLS】/【ERC…】,即可打开【SetupElectricalRuleCheck】对话框,弹出对话框后里面有很多选项,我们选择默认,点击【OK】。
系统即自动进行测试,测试完后自动弹出测试报告。
按照报告里的提示,进行各种错误修改。
3.4.2创建网络表文件
在Protel99se中,网络表文件是连接原理图设计和PCB设计的桥梁和纽带,是PCB自动布线的根据。
通过网络表文件,可以将原理图文件中的元器件封装和网络连接传递到PCB电路板设计中去,为电路板设计做好准备。
执行菜单命令【Design】/【CreateNetlist…】,即可打开[NetlistCreation](生成网络表文件)设置对话框,默认设置,单击对话框下面的【OK】,即可生成网络表。
3.4.3创建PCB设计文件
生成网络表之后,就进入了PCB板绘制的阶段。
选择File/New/PCB生成一个后缀为PcbDoc的文件。
PCB板分为很多层,主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、TopOverlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。
按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-OutLayer电气边界。
先执行Design/BoardSharp/RedefineBoardSharp命令,此时光变变成十字形。
然后在Mechanical层面上划定PCB板的物理边界,最后在禁止布线层(Keep-OutLayer)上面划定电器边界。
所有工作就绪后,点击Design选项中的LoadNets,载入网络表,如图3-4-2所示。
图3-4-3载入网络表
3.4.4PCB板的排版
网络表加载完成之后,PCB根据网络表产生预拉线,在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCB板,然后PCB根据预拉线一条一条变为铜膜走线。
选定所有的元件拖至PCB板上,执行Tools/AutoPlacement/AutoPlacer/ClusterPlacer命令,protel99se开始自动排版。
一般来说protel99se的自动排版后的PCB板已经比较理想了,但是仍然可以手动排版进行进一步美化。
图3.4.2综合布局后的PCB
3.4.5PCB板的布线
在元件排版完毕之后,就可以进入到最后的布线阶段。
Protel99SE强大的自动布线功能,不仅布线快速而且合理,通过率很高。
我们可以执行AutoRoute/All命令,选择Default2LayerBoard选项,再点击RouteAll完成双层PCB板的布线。
图3.4.3自动布线后的PCB板
protel99se在完成自动布线之后显示布线信息,并且全部成功,至此基于protel99se的PCB板设计全部制作完成。
4电路仿真
在完成了PCB板的制作后,下面对超声波测距仪的原理图进行仿真。
作为一款驰名已久的板卡级设计软件,Protel99SE同样拥有仿真功能。
但是其仿真能力有限,由于DXP的版本对电脑配置要求高,所以我的电脑不能使用,于是在别人电脑上面用DXP对部分电路进行了仿真。
由于有些元器件在仿真过程中找不到元件,所以只能进行最简单部分的仿真。
在仿真之前再检查一遍电路元件的参数设置,进行正确的封装。
将电容电感的初始储能设置为0V,将二极管和三极管的初始状态设置为截止状态“OFF”。
图4-1部分仿真电路
然后执行Design/Simulate/MixedSim命令进入仿真对话框。
选择最基本的瞬态特性分析TransientAnalysis选项,并且将载波信号,调制信号,已调信号的节点VC,VIN,VOUT添加到激活信号(ActiveSignal)框格内开始仿真。
结果得按键按下后MES_nINTO的输出波形:
图4.2仿真结果图形
5心得体会
本次课程设计,要求我们在设计电路图的同时还要使用Protel软件画出电路的PCB板以及仿真出电路图。
这与以往的课程设计不同。
印刷电路板是电子线路从理论走向实际的成果,无论是制作实物进行测试还是用仿真软件进行仿真,都是为了检验设计结果,并最终向实际生产方向发展。
Protel99se拥有强大的人机对话功能,能够很好的将设计者的思维转化成能够被批量推广的产品,这一点对于工科专业来说是非常重要的,因为我们现在所学习的一切都是为了将来能够在工作岗位上设计出更多功能强大适合广泛使用的电子产品,这样才能创造更大的价值。
此外,在课程设计中,遇到挫折是非常正常的现象,但是如果确实付出努力了却没有实现目标,虽然充满遗憾但是自己确实快乐的。
我遇到很多问题,这是非常正常的现象,但是全部仿真确实付出努力了却没有实现目标,虽然充满遗憾但是自己确实快乐的。
通过这次课程设计,我觉得我们通信专业属于知识更新飞速的领域,电子产品欣欣向荣,产品的淘汰频率很高,虽然有很多领域可以让我们大展拳脚,但同样是一条时刻都面对巨大压力和挑战的道路。
所以只有今天的努力才能换来明天的稳定,只有付出才有梦想中的明天。
参考文献
[1]《电子技术课程设计》易映萍机械工业出版社
[2]《Protel99se完全学习手册》刘文涛电子工业出版社
[3]《ProtelDXP中文版新手上路》徐建平上海科学普及出版社
[4]《高频电子线路》第四版张素文高等教育出版社
[5]《通信电子线路》第二版刘泉武汉理工大学出版社
[6]《Protel99se印刷电路板设计教程》肖玲妮编著清华大学出版社
[7]《Protel99入门与提高》.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
附录元器件清单
Quantity
Designator
Description
Footprint
Comment
2
400SR160,400ST160
超声探头-duplicate
400S
7
C1,C2,C3,C4,CG1,CY1,CY2
Capacitor
RAD-0.3
Cap
14
CA1,CA2,CA3,CA4,CA5,CA6,CA7,CA9,CB2,CC1,CD1,CE1,CE2,CT1
Capacitor(SemiconductorSIMModel)
C1206
CapSemi
2
CA8,CB1
PolarizedCapacitor(Axial)
POLAR0.8
CapPol2
2
CG2,CG3
PolarizedCapacitor(Radial)
RB7.6-15
CapPol1
1
DZV1
SchottkyDiode
SMB
3V3
1
L1
Inductor
0402-A
Inductor
1
LED
TypicalRED,GREEN,YELLOW,AMBERGaAsLED
3.2X1.6X1.1
LED2
1
P0
Header,10-Pin
HDR1X10
LCDNOKIA3310
1
P1
Header,5-Pin,Dualrow
HDR2X5
ISP
1
P4
Header,5-Pin,Dualrow
HDR2X5
JTPG
1
Q0
PNPBipolarTransistor
SOT-23B
PNP
1
Q1
TMOSDualPChannelFieldEffectTransistor
751-05_N
IRF7328
1
Q4
NPNGeneralPurposeAmplifier
TO-92A
2N3904
50
R0,R1,R2,RA1,RA2,RA3,RA4,RA5,RA6,RA7,RA8,RA9,RA10,RA11,RA12,RA13,RA14,RA15,RA16,RA17,RA18,RA19,RA20,RB1,RB2,RC1,RC2,RC3,RD1,RD2,RE1,RE2,RE3,RE4,RE5,RE6,RE7,RE8,RE9,RF1,RF2,RF3,RF4,RG1,RG2,RG3,RG4,RG5,RG6,RG7
Resistor
J1-0603
Res3
9
S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8
Switch
SPST-2
SW-PB
1
T1
Transformer
TRANS
Trans_x
1
U1
8-BitAVRMicrocontrollerwith16KBytesofIn-SystemProgrammableFlashMemory
44A_N
ATmega16L-8AI
1
U2
1.2uAMax,Dual-SupplyOpAmp
JA8A
MAX4477
1
U3
UltraLowPower,Dual-Supplycomparator
PA8
MAX922EPA
1
U4
DIP14
1
U5
SOT23,Single-Supply,Low-Noise,Low-Distortion,Rail-to-RailOpAmp
UMAX10
MAX4253EUB
1
U6
DIP8
1
Y1
CrystalOscillator
R38
8MHZ
1
Y2
CrystalOscillator
R38
32768HZ
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