模电课程设计超声波测距仪.docx

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模电课程设计超声波测距仪

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