模电课程设计-超声波测距仪

1、武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 信息 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院 题题 目目: 超声波测距仪超声波测距仪 初始条件：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

2、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：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：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 I 摘摘 要要 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

3、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

4、，Protel 99se 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 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 II ABSTRACT Owing to launch ultrasonic, directional, directional control, and the i

5、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 distance measurement.Though currently span ranging in can reach 100 meters, but the ac

6、curacy of measurement often can only 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

7、 by removing interference, finally 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 anima

8、tion and greatly reduced the application 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-channe

9、l technology, automatic routing technology 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

10、 principle circuit design, PCB design and simulation. Key words： protel99se，ultrasonic ranging automatic routing device，Microcontroller 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 III 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 设计任务与要求.1 1.1 设计任务.1 1.2 设计要求.1 2 原理分析.2 2.1 超声波物理特性：.2 2.2 测距电路分析.3 3 PROTEL99SE 绘制原理图 .4 3.1 新建原理图设计文件.4 3.2

11、载入原理图库.4 3.3 元件的封装.5 3.3 电路原理图绘制.7 3.4 原理图编辑器报表.9 3.4.1 电气法则测试.9 3.4.2 创建网络表文件.9 3.4.3 创建 PCB 设计文件.9 3.4.4 PCB 板的排版.10 3.4.5 PCB 板的布线.11 4 电路仿真.13 5 心得体会.15 参考文献.16 附录 元器件清单.17 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 1 1 1 设计任务与要求设计任务与要求 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

12、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 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 2 2 2 原理分析原理分析 2.1 超声波物理特性： 声阻抗：介质中任意点的密度 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

13、 表示，即 Z=C。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 D2/4，D 为晶片直 径， 为该介质中传播的超声波长。在远场区，发散角由 sin=1.22/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

14、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。 I=R SinI/SinT=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

15、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 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 3 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-2x P(x)=P0e-x 式中 为衰减系数。 是频率的函数。mm = fMHz。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

16、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

17、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。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 4 3 protel99se 绘制原理图绘制原理图 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【NEW DESIGN DATABASE】对话框。在【DATABASE FILE NAME】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

18、【SCHEMATIC DOCUMENT】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【BROUSE SCH】下单击【ADDREMOVE】会打开一个对话框， 找到【SCH】下的元件库，添加 Miscellneous Devices.lib,如图 3-2-1 所示。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 5 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

19、取 Miscellaneous Devices.lib，然后再 Components In Library 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。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 6 图 3-2-1 元器件的添加 图 3-2-2 元器件的封装 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 7 3.3 电路原

20、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 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 8 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。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 9 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 电气法则测试就是通常所称的 ERC（Electrical Rul

21、es Check） 。在用 Protel 99se 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【Setup Electrical Rule Check】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

22、 电路板设计中去，为电路板设计做好准备。执行菜单命令【Design】 /【Create Netlist】 ，即可打开Netlist Creation（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 创建创建 PCB 设计文件设计文件 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、Top Overlay、Keep-Out-layer 和 Multi-Layer。 按步骤设置 P

23、CB 板的 Mechanical 物理边界以及 Keep-Out Layer 电气边界。先执行 Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp 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-Out Layer）上面 划定电器边界。 所有工作就绪后，点击 Design 选项中的 Load Nets ,载入网络表，如图 3-4-2 所示。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 10 图 3-4-3 载入网络表 3.4.4 PCB 板的排版板的排版 网络表加载完成之后，PCB 根据网络表产

24、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/Auto Placement/Auto Placer/Cluster Placer 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。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 11 图 3.4.2 综合布局后的 PCB 3.4.5 PCB 板的布线板的布线 在元件排版完毕之后，就可以进入到最后的布线阶段。Prote

25、l99 SE 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 Auto Route/All 命令，选 择 Default 2 Layer Board 选项，再点击 Route All 完成双层 PCB 板的布线。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 12 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。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 13 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

26、一款驰名 已久的板卡级设计软件，Protel 99 SE 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/Mixed Sim 命令进入仿真对话框。选择最基本的瞬态特 性分析 Transient Analysi

27、s 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（Active Signal）框格内开始仿真。 结果得按键按下后 MES_nINTO 的输出波形： 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 14 图 4.2 仿真结果图形 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 15 5 5 心得体会心得体会 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

28、实际生产方向发展。Protel 99se 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

29、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。 武汉理工大学Protel 应用课程设计说明书 16 参考文献 1 电子技术课程设计 易映萍 机械工业出版社 2 Protel 99se 完全学习手册 刘文涛 电子工业出版社 3 Protel DXP 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 6Protel 99 se 印刷电路板设计教程 肖玲妮编著 清华大学出版社 7Protel99 入

30、门与提高.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11 17 附录 元器件清单 Qua ntity DesignatorDescriptionFootprintComment 2400SR160, 400ST160 超声探头 - duplicate 400S 7C1, C2, C3, C4, CG1, CY1, CY2 CapacitorRAD-0.3Cap 14CA1, CA2, CA3, CA4, CA5, CA6, CA7, CA9, CB2, CC1, CD1, CE1, CE2, CT1 Capacitor (Semiconductor SIM Model) C1206Cap Semi 2CA8, CB1Polarized Capacitor (Axial)POLAR0.8Cap Pol2 2CG2, CG3Polarized Capacitor (Radial)RB7.6-15Cap Pol1 1DZV1Schottky DiodeSMB3V3 1L1Inductor0402-AInductor 1LEDTypical RED, GREEN, YELLOW, A