模電課程設計-超聲波測距儀

1、武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書課程設計任務書課程設計任務書學生姓名：學生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 信息 指導教師：指導教師： 工作單位：工作單位： 信息工程學院 題題 目目: 超聲波測距儀超聲波測距儀 初始條件：初始條件： （1）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要求完成的主要任務: （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

2、的 PCB 圖（3）使用 protel 進行超聲波測距儀部分電路仿真設計時間安排：時間安排：（1）第 1-3 周：選題及任務安排。（2）第 4-10 周：方案選擇及設計。（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。指導教師簽名：指導教師簽名： 年年 月月 日日系主任（或責任教師）簽名：系主任（或責任教師）簽名： 年年 月月 日日武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書I摘摘 要要 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，超聲波測距主要應用于倒

3、車提醒、建筑工地、工業(yè)現場等的距離測量。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)，大大減低了應用功耗。通過按鍵喚醒，能快速從休眠狀體轉入工作狀態(tài)。 文中設計采用的 EDA 軟件為 protel99se，Protel 99se 將項目管理方式、原理圖和

4、PCB 圖的雙向同步技術、多通道技術、自動布線技術以及強大的電路仿真的技術完美的融合在一起。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。這次課程設計主要要求掌握原理電路圖設計、PCB設計和仿真。關鍵詞：protel99se，超聲波測距原理圖設計、單片機武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書IIABSTRACT Owing to launch ultrasonic, directional, directional control, and the intensity of measurement by direct

5、 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 distance measurement.Though currently span ranging in can reach 100 meters, but the accuracy of measurement often can o

6、nly achieve centimeters. In precision level measurement to achieve mm level measurement precision, the paper designs the ultrasonic rangefinder USES a pair of ultrasonic probe ultrasonic receiving the emitting and receiving, then to signal amplifier amplification and by removing interference, finall

7、y will signal input, processing chip by LCD output, provides good man-computer exchange interface. This design with temperature sensor, the temperature compensation, to improve the ranging accuracy. In the distance function chip can automatically into suspended animation and greatly reduced the appl

8、ication of power. Through the button, can quickly awaken from dormancy body into the working status.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 te

9、chnology 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 demands of the curriculum design master principle circuit design, PCB des

10、ign and simulation.Key words： protel99se，ultrasonic ranging automatic routing device，Microcontroller武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書III目目 錄錄摘 要.IABSTRACT.II1 設計任務與要求.11.1 設計任務.11.2 設計要求.12 原理分析.22.1 超聲波物理特性：.22.2 測距電路分析.33 PROTEL99SE 繪制原理圖 .43.1 新建原理圖設計文件.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

11、.1 電氣法則測試.93.4.2 創(chuàng)建網絡表文件.93.4.3 創(chuàng)建 PCB 設計文件.93.4.4 PCB 板的排版.103.4.5 PCB 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.17武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書11 1 設計任務與要求設計任務與要求1.1 設計任務 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

12、用功耗。通過按鍵喚醒，能快速從休眠狀體轉入工作狀態(tài)。 1.2 設計要求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武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書22 2 原理分析原理分析2.1 超聲波物理特性：聲阻抗：介質中任意點的密度 與該點處聲波的傳播速度 C 之積為此介質在該點處的聲阻抗，以 Z 表示，即 Z=C。它是表征介質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。聲強與聲源的振幅

13、有關，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)的長度為 D2/4，D 為晶片直徑， 為該介質中傳播的超聲波長。在遠場區(qū)，發(fā)散角由 sin=1.22/D 給出?？梢姡瑴p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

14、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：當一束平面超聲波入射到兩種介質交界面上時，或者聲阻抗的不連續(xù)處時，會產生反射和折射，并遵從反射和折射定律。 I=R SinI/SinT=C1/C2 超聲波的衰減 ：超聲在介質中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現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，由于介質的吸收，將聲能轉換成為熱能，因而使聲能減小。著后一類的機理比較復雜，主要有粘滯吸收；弛豫吸收、相對武漢理工大學P

15、rotel 應用課程設計說明書3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規(guī)律下降，可表示為： I(x)=I0e-2x P(x)=P0e-x 式中 為衰減系數。 是頻率的函數。mm = fMHz。為常數。 衰減系數在很大程度上依賴于頻率。這一點，我們在設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生反射，將收發(fā)超聲波探頭安裝在測距板上，在驅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，將產生放射波沿原路折回并被探頭接收。該信號觸

16、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調整，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。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書43 protel99se 繪制原理圖繪制原理圖3.1 新建原理圖設計文件

17、 打開 PROTEL99SE 軟件，在設計瀏覽器中，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。在新建設計文件對話框中，單擊【SCHEMATIC DOCUMENT】圖標選中新建原理圖設計文件選項，然后單擊【OK】按鈕。雙擊原理設計文件，啟動原理圖編輯器。圖 3-1-1 創(chuàng)建原理圖設計文件3.2 載入原理圖庫 在原理圖設計過程中，放置的元器件全部來源于載

18、入到原理圖編輯其中的原理圖庫。在原理圖左側管理窗口【BROUSE SCH】下單擊【ADDREMOVE】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。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書5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 Miscellaneous Devices.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，此時屏幕會出現一個隨鼠標移動的元器件符號，按空格

19、可以旋轉元件，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。將符號移動到適當的位置后單擊鼠標左鍵使其定位。 武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書6 圖 3-2-1 元器件的添加 圖 3-2-2 元器件的封裝 武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書73.3 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武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書8然后按照圖連接線路并放置節(jié)點，如圖 3-3-3 所示。 圖 3-

20、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右擊選擇如圖編譯工程若出現報錯，按提示信息修改，直至沒有報錯信息。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書93.4 原理圖編輯器報表3.4.1 電氣法則測試電氣法則測試電氣法則測試就是通常所稱的 ERC（Electrical Rules Check） 。在用 Protel 99se 生成網絡表之前，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】 。

21、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)建網絡表文件創(chuàng)建網絡表文件在 Protel99se 中，網絡表文件是連接原理圖設計和 PCB 設計的橋梁和紐帶，是PCB 自動布線的根據。通過網絡表文件，可以將原理圖文件中的元器件封裝和網絡連接傳遞到 PCB 電路板設計中去，為電路板設計做好準備。執(zhí)行菜單命令【Design】/【Create Netlist】 ，即可打開Netlist Creation（生成網絡表文件）設置對話框，默認設置，單擊對話框下面的【OK】 ，即可生成網絡表。3.4.3 創(chuàng)建創(chuàng)建 PCB 設計文件設計文件生成網絡表之后，就進

22、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、Top Overlay、Keep-Out-layer 和 Multi-Layer。按步驟設置 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（Keep-Out Layer）

23、上面劃定電器邊界。所有工作就緒后，點擊 Design 選項中的 Load Nets ,載入網絡表，如圖 3-4-2 所示。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書10圖 3-4-3 載入網絡表3.4.4 PCB 板的排版板的排版 網絡表加載完成之后，PCB 根據網絡表產生預拉線，在屏幕上會出現排列整齊的所有元件以及設置過的 PCB 板，然后 PCB 根據預拉線一條一條變?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。一般來說 protel99se 的

24、自動排版后的 PCB 板已經比較理想了，但是仍然可以手動排版進行進一步美化。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書11 圖 3.4.2 綜合布局后的 PCB3.4.5 PCB 板的布線板的布線 在元件排版完畢之后，就可以進入到最后的布線階段。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。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書12圖 3.4.3 自動布線后的 PCB 板protel99se 在

25、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 板設計全部制作完成。武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書134 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。在仿真之前再檢查一遍電路元件的參數設置，進行正確的封裝。將電容電感的初始儲能設置為 0V，將

26、二極管和三極管的初始狀態(tài)設置為截止狀態(tài)“OFF” 。 圖 4-1 部分仿真電路然后執(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，調制信號，已調信號的節(jié)點VC，VIN，VOUT 添加到激活信號（Active Signal）框格內開始仿真。結果得按鍵按下后 MES_nINTO 的輸出波形：武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書14 圖 4.2 仿真結果圖形 武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書155 5 心得體會心得體會本次課程設計，要求我們在設計電路圖的同時還要使用

27、 Protel 軟件畫出電路的 PCB板以及仿真出電路圖。這與以往的課程設計不同。印刷電路板是電子線路從理論走向實際的成果，無論是制作實物進行測試還是用仿真軟件進行仿真，都是為了檢驗設計結果，并最終向實際生產方向發(fā)展。Protel 99se 擁有強大的人機對話功能，能夠很好的將設計者的思維轉化成能夠被批量推廣的產品，這一點對于工科專業(yè)來說是非常重要的，因為我們現在所學習的一切都是為了將來能夠在工作崗位上設計出更多功能強大適合廣泛使用的電子產品，這樣才能創(chuàng)造更大的價值。此外，在課程設計中，遇到挫折是非常正常的現象，但是如果確實付出努力了卻沒有實現目標，雖然充滿遺憾但是自己確實快樂的。我遇到很多問

28、題，這是非常正常的現象，但是全部仿真確實付出努力了卻沒有實現目標，雖然充滿遺憾但是自己確實快樂的。通過這次課程設計，我覺得我們通信專業(yè)屬于知識更新飛速的領域，電子產品欣欣向榮，產品的淘汰頻率很高，雖然有很多領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。 武漢理工大學Protel 應用課程設計說明書16參考文獻1 電子技術課程設計 易映萍 機械工業(yè)出版社 2 Protel 99se 完全學習手冊 劉文濤 電子工業(yè)出版社 3 Protel DXP 中文版新手上路 徐建平 上海科學普及出版社 4 高頻電子線路第四版

29、 張素文 高等教育出版社 5 通信電子線路第二版 劉泉 武漢理工大學出版社 6Protel 99 se 印刷電路板設計教程 肖玲妮編著 清華大學出版社7Protel99 入門與提高.趙品編著.人民郵電出版社.2000.11 17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 (Semiconductor SIM Model)C1206Cap Semi2CA8, CB1Polarized Capacitor (Axial)POLAR0.8Cap Pol22CG2, CG3Polarized Capacitor (Radial)RB7.6-15Cap Pol11DZV1Schottky DiodeSMB3V31L1Inductor0402-AInductor1LEDTypical RED, GREEN, YELLO