完整版基于单片机控制厂房的照明设计机电设备维修与管理专业毕业论文设计.docx
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完整版基于单片机控制厂房的照明设计机电设备维修与管理专业毕业论文设计
优秀论文审核通过
未经允许切勿外传
江苏畜牧兽医职业技术学院
毕业设计（论文）
题目：
基于单片机控制厂房的照明设计
姓名：
夏强波
学号：
二级院系部：
机电工程系
班级:
高专机电设备09
专业：
机电设备维修与管理
指导教师：
王国强职称：
讲师
二〇一二年六月
江苏畜牧兽医职业技术学院学生毕业设计（论文）诚信承诺书
论文题目
基于单片机控制厂房的照明设计
学生姓名
夏强波
学号
所属专业
机电设备管理与维修
班级
高专机电设备09
指导教师姓名
王国强
职称
讲师
学生承诺
我承诺在毕业设计（论文）活动中，遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人毕业设计（论文）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况，如果有违规行为，我愿意承担一切责任，接受学校的处理。
学生（签名）：
夏强波
2012年6月10日
指导教师承诺
我承诺在毕业设计（论文）活动中，遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业设计（论文）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。
指导教师（签名）：
年月日
江苏畜牧兽医职业技术学院学生毕业设计（论文）材料目录
序号
名称
备注
1
毕业设计（论文）全文全文
2
毕业设计（论文）任务书
3
毕业设计（论文）开题报告或实施方案
4
毕业设计（论文）指导记录
5
毕业设计（论文）中期检查记录表
6
毕业设计（论文）指导教师意见表
7
毕业设计（论文）评阅教师意见表
8
毕业设计（论文）答辩记录
9
毕业设计（论文）成绩评定表
超声波防撞报警器的设计
【摘要】
企业生产车间运货的行车在固定的轨道上运行，如何在两辆行车相距较近时及时报警是本设计研究的主要内容。
超声波防撞报警器利用超声波为收发媒介，在固定轨道上的两辆行车上各装有超声波发生和接收装置，当两车相距达到5m时，接收装置信号达到触发报警，提醒行车停车。
本设计以UCM—T40、UCM—R40作为超声波传感器。
发射电路利用555振荡器使电路振荡频率达到40KHZ，超声波传感器发出超声波信号；接收电路由超声波接收电路、放大电路、整流滤波电路、比较电路、报警电路、电源电路等组成。
当两车运行到规定的5m距离内，接收到的信号经放大、整流滤波后强度较大，达到报警触发电压，报警电路工作。
【关键词】
超声波传感器；振荡器；报警电路；比较电路
Abstract
Thedrivingvehiclesusedinenterpriseproductionworkshopforshipmentrunonfixedtrack.Thispapermainlyintroducestimewhentwodrivingvehiclesaretooclose.Ultrasonicanti-collisionalarmusesultrasonicwaveastransceivermedia.Thetwodrivingvehiclesonfixedtrackareequippedrespectivelywithultrasonicoccurrenceandreceivingdevice.Whentwovehiclesare5metersawayfromeachother,thereceivingdevicetriggeralarmtoremindvehiclestopark.
ThedesignusesUCM—T40andUCM—R40asultrasonicsensors.Transmittingcircuitmakestheoscillatingfrequencyreach40KHZbyusingoscillator555.Theultrasonicemissionsensorworksandsendsultrasonicsignal.Thereceivingcircuitismadeupofultrasonicreceivingcircuit，amplifyingcircuit，rectifierandfiltercircuit，comparisoncircuit，alarmcircuitandpowercircuit.Whenthedistanceoftwovehiclesislessthan5meters,thereceivingsignalthealarmcircuitworks.
Keywords
ultrasonicsensor,oscillator,alarmcircuit,comparisoncircuit
摘要I
关键词I
AbstractII
KeywordsII
目录III
绪论1
1．设计任务及方案选定2
1.1设计任务2
1.2设计要求2
1.3方案选定2
1.3.1利用单片机作为控制器的报警电路2
1.3.2采用分立元件组成的报警电路4
2.超声波防撞报警器的设计5
2.1超声波发射电路5
2.1.1超声波传感器5
2.1.2超声波发射电路6
2.2超声波接收电路6
2.2.1电源电路模块7
2.2.2接收电路模块9
2.2.3报警电路模块10
3.安装与调试12
3.1电源模块调试12
3.2超声波发射电路调试13
3.3报警电路模块调试14
3.4超声波接收电路调试14
设计总结15
致谢16
参考文献17
附录118
附录220
附录321
绪论
随着电子技术的发展，在距离探测上出现了微波、雷达、激光等测距形式。
由于技术难度大，成本较高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，能够在测量精度上能达到工业实用的要求。
超声测距是一种非接触式的检测方式，与其它方法相比，如电磁或光学的方法，它不受被测对象颜色、光线等影响，对于被测物处于恶劣生产环境（如黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等）有一定的适应能力，具有较高的分辨力，其准确度也比其它方法高。
由于超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，本设计利用超声波来测量距离。
超声波防撞报警器是超声波测距的一个重要应用，行车在轨道运行时，可以利用超声波的反射探测两车之间的距离，以常用的8051系列单片机作为控制核心进行处理，提供声光报警，也可采用分立元件组成的接收、放大、比较等电路进行处理，本设计利用超声波指向性较强的特点，让超声波收发装置各自安装到两辆工厂行车上，工作频率40KHZ，两车相向而行，当两车相距5米时，触发声光报警电路。
1．设计任务及方案选定
1.1设计任务
企业生产车间运货的行车在固定的轨道上运行，如何在两辆行车相距较近时及时报警是本设计研究的主要内容。
本设计规定采用超声波传感器作为距离探测元件，在固定轨道上的两辆行车上各装有超声波发射和接收装置，当两车相距达到5m时，接收装置触发报警，提醒车间工作人员采取制动措施。
具体任务如下：
（1）采用超声波换能器UCM-T40、UCM-R40
（2）报警距离设定≤5m
（3）报警类型为声光报警
（4）用Protel绘出电路图
1.2设计要求
（1）通过报警器的设计，掌握电子电路设计的基本方法、设计步骤
（2）通过查阅手册和文献资料，提高独立分析和解决问题的能力
（3）熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则
（4）掌握超声波传感器的特点和使用方法
1.3方案选定
因采用超声波T-40和R-40作为距离探测媒介，超声波具有反射性和指向性特点，本设计可采用两种方法实现5m探测距离。
1.3.1利用单片机作为控制器的报警电路
设计思路如下：
在一辆行车前部同时安装超声波发射和接收电路，行车在轨道上前进时，发射的超声波遇到障碍（相向而行的一辆行车），会径直返回被接收电路探测，因此，利用超声波的反射可以探测行车与障碍物之间的距离，并提供声光报警。
（1）超声波测距原理
超声波测距是根据超声波遇到障碍物后可反射回来的特性，记录发射信号到收到第一个反射信号的时间t，可利用公式S=C·t2，计算出距离S（其中C是声速，标准状态下声速C=331.4ms）。
超声波测距原理如图1-1所示。
图1-1理想状态下超声波测距原理图
（2）利用超声波反射的单片机测距系统组成
超声波传感器（探测头）具有电声转换和声电转换两种功能，分别用于发送信号和接收信号。
利用单片机实现40KHZ振荡，使超声波发射头产生电声换能，发出超声波信号。
超声波信号向前传输中遇到障碍物，反射回来被超声波接收头接收，经单片机控制和处理[10]，当到达规定距离内，输出控制声光报警电路，利用蜂鸣器鸣叫和LED闪动实现双重报警。
利用超声波反射的单片机测距系统组成框图如图1-2所示
图1-2利用超声波反射的单片机测距系统组成框图
1.3.2采用分立元件组成的报警电路
超声波的另一特点是信号指向性好，对径直方向传播接收效果好，根据这一特性，可以将超声波发射电路和接收电路分别安装在相向而行的两辆行车上（车头部位）如图1-3所示，超声波发射电路工作，首先由多谐振荡电路产生40KHZ的电磁波再由压电式超声波传感器将信号发射出去，超声波径直传播，被迎面而来的超声波接收电路接收，由于距离较远，信号经放大处理后无法达到设定的触发电压（设定5m时接收的信号大小为比较器参考电压），报警电路不工作。
图1-3超声波径直传播示意图
当距离在5m内时，由于接收信号强度较大，经处理后超过比较器的参考电压，触发报警电路，产生声光报警。
其报警器反射电路和接收电路组成框图分别如图1-4和1-5所示。
图1-4超声波发射电路框图
图1-5超声波接收电路框图
因第二种电路组成结构相对简单，便于电路模块化设计和调试，本设计采用该电路。
2.超声波防撞报警器的设计
根据前述方案，确定报警电路分别由超声波发射电路和超声波接收电路组成，如前面图1-4和图1-5所示。
2.1超声波发射电路
2.1.1超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
本次设计的核心器件是UCM-T40K1和UCM-R40K1压电式超声波发生器[11]。
压电式超声波发生器体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、报警等电子装置最理想的电子器件。
主要技术参数：
灵敏度：
≥—70dBVubar
谐振频率：
40KHZ±1KHZ（UCM—T40K1，发射用），40KHZ±1KHZ（UCM—R40K1，接收用）
频带宽：
2KHZ±0.5KHZ，温度：
—20℃—+60℃
相对湿度：
20±5℃时达98%
主要工作原理：
它是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图2-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
2.1.2超声波发射电路
根据超声波的结构特点，要使超声波传感器产生信号，必须使其频率等于压电晶片的固有振荡频率40KHZ时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，因此发射电路关键是由振荡电路产生40KHZ的电磁波再由压电式超声波传感器将信号发射出去。
555电路比较方便实现多谐振荡信号，设计的关键是使其工作频率在40KHZ上，超声波发射电路如图2-2所示。
矩形波的周期取决于电容充放电的时间常数。
充电时间常数为（R1+W）*C1，放电时间常数为W*C1。
电容电压Uc1由（13）Ucc充电到（23）Ucc，所需要时间为Tph＝0.7*（R1+W）*C1，Uc1由（23）Ucc放电到（13）Ucc所需要时间为Tpl＝0.7*W*C1，
T=Tpl+Tph=0.7（R1+2*W）*C1，而f=1T,
则f＝1T≈1.43[（R1+2*W）*C1]。
通过改变充放电时间常数，便可改变矩形波的频率。
调节电位器W使工作频率为40KHZ，其中为了滤除干扰，C2旁路电容一般为0.01uF。
发光二极管串联电阻组成指示电路，指示灯亮表示发射电路工作。
图2-2超声波发射电路图
2.2超声波接收电路
根据接收电路框图1-5所示，接收电路由直流电源模块、接收电路模块（包括接收放大电路、倍压整流滤波、比较器等电路）、报警电路模块等组成。
2.2.1电源电路模块
直流稳压电路是电子电路的基本组成部分，本设计采用低压直流稳压电源6V，在设计中单独将该电源模块化设计，并且利用数码管显示0-7V，便于今后学习和工作中使用。
图2-3为直流稳压电源电路框图，利用LM317集成稳压块为稳压调整元件，LM317具有调压范围大，外围元件少，电路简单，工作稳定可靠和性价比高等特点。
选用AD变换[1]、显示驱动一体化模块TC7107为数显驱动。
图2-3直流稳压电源电路框图
低压电源电路由交流变压、整流、滤波、稳压、AD转换、译码驱动、数字显示等部分。
利用LM317集成稳压块为稳压调整元件，选用AD变换、显示驱动一体化模块TC7107为数显驱动。
该电路具有电路简单，价格低廉，便于调试等特点，而且其电压输出稳定，调压精度较高。
（1）变压电路
电源变压器的作用是将电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。
（2）整流滤波电路
整流电路[6]的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。
整流电路较常见的有半波和桥式整流电路，因桥式整流输出电压较高，纹波较少，本设计选用桥式整流电路。
在电源电路设计中用四个二极管组成桥式整流电路来完成整流功能。
（3）稳压电路
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。
采用集成稳压器设计的稳压电源具有结构简单、性能稳定等优点。
可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317L）三端稳压器。
采用LM317构成的稳压部分电路，R3与RV2组成输出电压调节电路，RV２为精密可调电位器。
电容C9可以进一步消除纹波，电容C７还能起到相位补偿作用，以防止电路产生自激振荡。
电容C９与RV２并联组成滤波电路，电位器RV２两端的纹波电压通过电容C2旁路掉，以减小输出电压中的纹波[2]。
（4）AD转换、译码驱动
为了实现输出电压的实时显示，更直观地观测电源的电压大小。
设计中加上AD转换、译码驱动电路。
这就涉及到从模拟到数字的转换，再通过译码器将其显示出来。
如果采用分立元件来实现，电路就变得非常复杂，实现困难，而且可靠性较低，这里选用将AD转换与数码显示集成一起的芯片TC7107，它包含AD转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有独立模拟开关，逻辑控制，参考电压，自动调零等，只须少量的外围元件就可以构成数字显示电路。
（5）数字显示部分
数字显示器件则选用了7SEG-MPX2-CC数码管。
其功能是将TC7107转换出来的数字电压显实时示出来。
直流稳压电源电路如图2-4所示。
该电源用一位数码管显示，可显示0-7V，在实际使用时，调节RV1电位器实现电压的变化。
图2-4直流稳压电源
2.2.2接收电路模块
接收电路模块由接收放大、倍压整流滤波、比较器及驱动电路组成，如图2-5所示。
图2-5接收电路模块
传感器接收头UCM-T40的共振板接收到40KHZ超声波时，将压迫压电晶片作振动，由于该频率与其固有频率一致，机械能转换为电信号，从第一级放大电路的基极送入，进行两级电压放大。
由于三极管V4集电极输出的放大信号为交流信号，为达到由运算放大器（IC2）构成的比较器电路的直流电压极性，必须由VD5、VD7、R13、R14组成二倍压整流电路进行整流，再经过C5滤波后送入运放2脚作为输入电压。
运放参考电压由电位器RP2上送入，其数值取决于超声波发射和接收头相距5m时2脚上的电压大小。
如果两车距离超过5m，则超声波接收头上收到的信号较弱，经放大、整流、滤波后的信号（即运放2脚上信号）小于参考点3脚的信号强度，比较器输出端（即运放6脚）输出低电平，V5、V6组成的复合管截止，继电器K1不动作；如果两车距离在5m以内，则超声波接收头上收到的信号较强，经放大、整流、滤波后的信号（即运放2脚上信号）大于参考点3脚的信号强度，比较器输出端（即运放6脚）输出高电平，V5、V6组成的复合管饱和导通，继电器K1得电，常开触点K1-1吸合，报警电路工作。
因此合理调节电位器RP2的位置，可改变送入3脚的电压大小，进而可以调节报警距离。
2.2.3报警电路模块
图2-6报警电路模块
报警电路如图2-6所示，由555电路构成的多谐振荡器、三极管、LED发光二极管和蜂鸣器等组成。
复位端4脚受继电器K1控制，当继电器K1线圈得电时，K1-1开关吸合，4脚接电源高电平，多谐振荡器工作，555电路输出端3脚送出固定频率的信号（根据f＝1T≈1.43[（R17+2R18）*C6]计算），V7饱和导通，蜂鸣器发声，此时发光二极管由于K1-1开关吸合接入电路发光；当继电器K1线圈失电时，K1-1开关不动作（常开），555多谐振荡器由于复位端4脚为低电平不工作，声光不报警。
3.安装与调试
在实验的过程中，调试是一个很关键的步骤。
调试之前，必须先做好准备工作。
首先把PCB板设计好，把本设计所需的元器件安装到PCB板上，并焊接好。
前面的安装和焊接的工作都已经完成，如果不经过调试，系统就不知道做的是否正确，调试前必须把所有的可能出现的问题和解决的方法都要考虑到，这样的话就可以减少错误，顺利达到预期目的。
3.1电源模块调试
安装前首先检测元器件极性和好坏，如二极管检测，用万用表电阻档测量整流二极管的正、反向电阻，正确判断出二极管的极性后[9],然后安装整流滤波电路，安装时要注意，二极管的极性不要接反。
另外电解电容，变压器线圈、电阻、集成块等也要在之前做好检测。
电路调试时可以按照变压、整流、滤波、稳压、AD转换、译码驱动等部分分别进行测量，寻找故障所在。
例如，检测直流稳压电源整机电路时（断开后续的整流、滤波、稳压等电路），在变压器输入端接入交流220V电压，用万用表交流电压档测量显示10V左右，说明变压电路工作正常。
直流稳压电源如图2-4所示，在变压器输入端加上一个220V,50HZ的正弦交流电压，然后在稳压电路的输出端接一个数字电压表，用来观察电源的输出电压是不是满足设计要求，输出直流电压Uo随着可变电阻Rv1的改变，在0V到7V间发生变化，则说明该设计方案初步满足设计的要求。
电路经仿真得到输出最小电压值和最大输出电压值，分别如图3-1和3-2所示。
图3-1仿真得到的输出最小电压值
图3-2仿真得到的输出最大电压值
在超声波电路发射、接收电路中使用的电源为直流6V，此时调节可变电阻Rv1，使稳压电路的输出端电压变化，数字万用表指示6.0V，同时数码管显示6，表明此时电源已经调整在要求的直流6V上了。
3.2超声波发射电路调试
图3-3超声波发射电路
按照图3-3接好超声波发射电路，断开超声波发射头UCM-R40，用示波器测量555电路3脚输出信号，测出其频率是否为40KHZ，如果不是，则微调电位器W，使其等于40KHZ为止。
3.3报警电路模块调试
按照图2-6接好报警电路，此时继电器K1线圈失电，K1-1开关不动作（常开），555多谐振荡器由于复位端4脚为低电平不工作，声光不报警。
用导线并联K1-1开关，使复位端4脚为高电平，此时多谐振荡器工作，声光报警。
如果没有上述现象，则应认真排除，直至成功为止。
3.4超声波接收电路调试
按照图2-5接好电路，调节接收电路模块（之前应保证发射电路和报警电路正常工作）。
在此项工作中，关键之处在于设置好5m的报警距离。
根据前面所述，距离远近影响比较器的比较电平，所以改变3脚的参考电压就可以调节报警距离。
由于超声波传播信号具有指向性，将超声波发射电路和接收电路的两个探头UCM-T40和UCM-R40正对放置，使其接近等于5m，调节电位器RP2位置，使报警电路从无声响到发出声光报警，此时电位器RP2位置所对应的比较电压大小为5m处的超声波信号经放大、整流、滤波后的数值，5m距离即设定完毕，如要设定6m为报警距离，仿照上述步骤即可。
设计总结
通过超声波防撞报警器的设计，我了解了设计电路的步骤，知晓超声波防撞报警器的原理与设计方法，要实现电路功能可以先模块化设计，成功之后才实际接线的。
在做毕业设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了学好课本上的知识是远远不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。
在购买元器件时要检查元器件的好坏及封装，这对实验能否成功起很大作用。
从这次设计，中我学习到了如何对待遇到的困难，进一步培养了我们一丝不苟的科学态度，不断思考的习惯，不厌其烦的耐心。
这次毕业设计涉及到了很多的专业知识，如传感器知识、模拟电子技术、数字电子技术、电子线路设计与仿真等重要的技术课，其中电子实践是整个教学过程中的一个重要环节，必须认真对待和重视。
通过毕业设计，我认识到了学懂书本上的知识和能够运用书本上的知识的差别，懂得了理论与实践相结合的重要性。
知道了以后在学习和工作中一定要理论与实践两手抓。
通过毕业设计，本人也发现自己在不少方面还不太熟练，对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，不能一次性设计好该电路，包括Protel软件的个别功能还不太熟练，这是今后要加以完善和改进的地方。
经过本次设计，本人知道要想设计出一个完善的电路原理图并不是一件容易的事，我将在以后加强这方面的学习，使自己实践能力得到进一步的加强。
毕业设计让我学到了许多知识，它还培养了我独立思考、解决问题的能力，加深了对知识的理解，有助于今后的学习和工作，为事业的起航和拓展指明了方向。
致谢
经过半年忙碌的工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计者，由于经验和实践的不足，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有了老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
毕业设计锻炼了综合运用知识的能力和刻苦钻研精神，在毕业设计完成之际，衷心感谢戚玉强老师，在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写、阅改等环节，无不得到老师的悉心指导和帮助，让我顺利完成本次设计。
在毕业设计期间，
升级会员 