超声波测距实训报告.docx

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超声波测距实训报告

《信号检测与控制》

课

程

设

计

报

告

专业：

应用电子技术

报告人：

杨琼范儒兵

指导老师：

苏宏艮张艳阳李桂平

时间：

2011年1月5日

目录

一、实训目的

二、设计思路

1.1方案选择………………………………………………2

1.2整理思路………………………………………………2

三、超声波测距原理

1.1超声波探头……………………………………………3

1.2超声波测距原理………………………………………3

1.3基于单片机超声波测距仪系统构成…………………4

四、超声波测距原理图分析

1.1发射电路………………………………………………4

1.2接收电路………………………………………………5

五、PCB板制作及工艺

1.1DXP2004绘制原理图和PCB图…………………………6

1.2PCB板制板过程………………………………………9

六、元件装配及硬件调试

1.1元件装配………………………………………………10

1.2传感器调试……………………………………………10

1.3传感器成果展示…………………………………………11

七、实训总结

1.1PCB制板过程……………………………………………12

1.2传感器的安装与调试…………………………………13

实训目的

培养学生理论应用能力，分析问题解决问题的能力，实践操作能力，实验课学习重点是掌握实验的基本理论和学生的动手能力，而不仅仅只是熟悉几个电路，提高实验效率的关键在于，除了熟悉、掌握基本的电路知识和信息外，还要多动手动脑，多问多练，在试验前阶段，我们要预想整个制板会经历那些过程，预测实验过程中会遇到哪些困难，如何解决这些困难，以此来加深对实验的了解，这样可以把实验难度降低，又提高了效率。

设计思路

1.1方案选择

实训前，应用电子技术专业教研室出了五套超声波测距传感器实训方案供我们选择，经过小组讨论，我们选择了方案二，旋即进行方案分析，讨论方案二的可行性、方案设计应注意的事项和方案设计过程小组成员的分工等方面的内容。

1.2整理思路

对方案的评估完成后，我们开始整理方案设计思路，制定实训计划表，分期完成各项指标。

在实践紧迫的情况下，我们明确了分工，按照预先整理好的设计流程进行分工作业，即在绘制PCB板图的过程中，范儒兵负责原理图的绘制及PCB图的生成，杨琼负责PCB图的后期处理及调试；制作PCB板期间，杨琼负责制作流程，范儒兵做助手；元件的安装和仪器的调试由范儒兵负责，杨琼负责资料的收集与汇总，并小组成员共同讨论《课程设计报告》的行文思路。

超声波测距原理

1.1超声波探头

超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声波换能器或传感器，这种装置能发射超声波和接收生回波，并转换成相应的电信号。

超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式和电磁式等数种，其中以压电式最为常用。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，且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（一种机械波）（逆压电效应），即为超声波发射器。

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（压电效应），即为超声波接收器。

1.2超声波测距原理

在某一时刻给超声波发生器施加40KHZ方波信号，发生器发出超声波，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。

只要计算出超声波信号从发射到接收的时间差，知道在介质中的传播速度，就可以计算出被测物体的距离d=s/2=（vt）/2。

其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。

由于超声波在空气中的传播速度与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。

如果测距精度要求较高，则还要通过温度补偿的方法加以校正。

不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：

v=331.4+0.61t。

式中，t为实际温度（℃）。

1.3基于单片机超声波测距仪系统构成

单

片

机

系

统

显示电路

超声波发射电路

键盘电路

超声波接收电路

温度补偿电路

电路分析

1.1发射电路

超声波发射电路由40KHZ振荡电路、驱动电路、超声波发射器构成。

方案二用的是555芯片，通过555芯片产生超声波发射的40KHZ的方波信号，通过调节10k的电位器可微调振荡频率。

单片机I/O口输出的控制信号由555芯片的4脚输入，控制超声波的振荡与停止。

并且方波信号由3脚输出。

为提高超声波的发射功率，增大提高测量距离，可采用音频集成功放做驱动电路。

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点

1.2接收电路

超声波接收电路由放大、整形、译码电路构成。

音频译码集成块构成接收电路

接收头将超声波调制脉冲变为交变电压信号，通过CMOS6非门芯片CD4069整形，整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。

8脚输出的低电平接单片机的外部中断引脚，单片机接收到低电平后触发中断，调用计算子程序计算距离。

PCB板的设计和制作

1.1DXP2004绘制原理图和PCB图

原理图

PCB图

生成CAMtastic.Cam

生成钻孔文件

1.2PCB板制板过程

（1）生成文件代码：

通过电脑生成文件代码，连接打孔机，控制打孔机打孔设置，打孔孔径分别设置为0.8mm、1.0mm、3.0mm。

（2）打孔：

用打孔机控制手柄设置打孔参数，但要注意设置原点，以及X轴、Y轴、Z轴清零，然后打孔机自动打孔。

（3）烘干：

制板流程共有五次烘干，即烘干——刷油墨、烘干——去铜、烘干——刷阻焊漆、烘干——显影、烘干（大概160°C）——成品。

（4）刷油墨：

刷油墨最重要的就是刷墨均匀，厚度适中，刷墨过程中注意网是否有烂口。

（5）贴膜：

三次贴膜中，前两次特别注意元件与元件、焊盘与焊盘的对位，而显影前的贴膜也要注意对位且整齐，注意顶层的美观。

（6）去铜：

去铜过程中关键在于刷油墨和仪器的时间控制。

（7）曝光：

曝光无严格技术指标，主要在于控制时间。

（8）刷阻焊漆：

刷阻焊漆同刷油墨类似，但刷阻焊漆后需在阴暗处暗置10分钟，然后用中温烘干。

（9）显影：

在PCB板顶层印上元件位置和相应字符。

传感器装配及调试

1.1元件装配

元件装配过程比较简单，但也是一个不容忽视的过程，要求购买的元件对应元件清单，焊接美观严实，元件排列整齐美观等。

我们在安装元件的过程中也发现了一些问题，即单排针和传感器探头的引脚不能插入插孔，我们只能用镊子一点一点地钻宽，并且保证铜片不脱落。

元件焊好后，我们还要细心的检查看是否有虚焊，焊接不到位的还要补焊。

1.2传感器调试

我们的传感器调试是在实训楼S8栋201教室完成的，调试过程主要是测试安装好的传感器是否成功，同时调节电位器使555芯片产生40KHZ的超声波。

我们方案二的电路由双电源（+12V、+5V）供电，调试过程需要接入两个电源，并分别对发射电路和接受电路的波形和频率进行检测和调试。

我们小组的成品输出的频率过高，并且调节不下来，目前还在改进中。

改进方案如下：

增大C1、C2电容容值。

1.3传感器成果展示

实训总结

1.1PCB制板过程

经过三周的实训时间，我付出了什么？

收获了什么？

我反复地回忆，反复地总结，思路终于慢慢清晰。

在此次实训过程中，让我感慨最多的主要在于以下两个方面：

一、绘制原理图及PCB板图

绘制原理图和PCB板图是制作PCB板的前期准备，也是制板成功与否的关键所在。

在绘图前，我们小组进行了明确分工，并分析了原理图和PCB图的绘制思路和绘图中应该注意的问题。

此次实训，除了制图由小组完成外，张艳阳老师还在课堂上悉心指导我们，带我们走出DXP软件的应用误区。

在绘图过程中，我们也面临许多问题，比如缺乏系统的制图经验，思路凌乱，再加上对软件的各项功能还不熟练，因此制图进度比较缓慢，所绘图也在不断的修改和校正。

PCB制图是一项最为繁琐，最为考验人耐力的环节，需要我们耐心而细心地完成每一个步骤。

查找原理图中所需元件一直是我的弱项，尽管查找步骤正确，但是每个环节总会出纰漏，因此而延误绘图时间。

再者，原理图中有些所需元件在元件课中查找不到，还需自己生成原理图库，创建新元件。

创建新元件是一个非常容易出错的地方，需注意元件大小、编辑生成注释和标注引脚等，其中任何一环节出错，都会造成新元件不可用。

随后，我们还要按照方案要求生成封装库，每个元件都要对应封装，才能导入PCB文件中去。

最后，最为繁琐的就是绘制PCB图，层的设置、层颜色的设置、导入元件和元件布局、规则设置和布线以及PCB文件的后期处理等环节都有严格的要求，布线要适配电器规则，要有实用性。

通过两周的制图，我们对DXP制图软件有了较为深入的了解，培养了良好的学习习惯和更加坚定了毅力。

二、制板过程

PCB制板过程虽然只有短暂的一天，但是却给我留下了深刻的印象。

一天中，除了午休时间，白天我们一直呆在实训楼，时时刻刻期待着自己的板子完美出炉。

我们的制板实训一直由谢海明老师带，他虽然表达能力不是很强，但是他一直在一心一意地教我们各个环节的制板知识和注意事项，即使感冒了也始终坚持带我们完成制板，因此感动了我们所有人。

我们用笔记本记录着每一个细节，不懂的地方虚心的询问老师。

在实训室站了一天，感觉非常累，但是想着即将出炉的实训成果，心里又异常地舒坦。

付出了太多，方知收获的不易。

制板的每一个环节，我都悉心地呵护着它，生拍出问题。

最后，经过三周不懈努力的PCB板完成了，裁板后用砂纸细细地打磨边沿，看着如此方正、纯洁美丽的PCB板，心里悬着的石头终于是落了地，长长地舒了口气，再回寝室的路上和朋友侃的都是它。

实训结束了，感慨很多，纵然付出了很多，我也收获了一句“痛快！

”。

1.1传感器的安装与调试

实训过程的大部分时间都是花在原理图和PCB制板过程，传感器的安装和调试的时间比较紧，元件一买回来就开始着手安装工作。

安装过程发现了一些问题，我们都细心而耐心的解决了。

虽然安装过程没有很大的考验，但是我们在产品制作工艺方面比较用心，安装完成后，还不断地检查和不断的修正。

成品调试结束后，心里有点不爽，555芯片产生的超声波频率总是不能调下，最后只能重新换元件，做最后一次的调试，如果还不行的话，我们也没有别的办法了。

我们做了三周的实训，对于职业院校的我们来说，实训是一个必要的过程，在增强我们专业技能的同时，还在一定程度上培养了良好的生活学习习惯，提高了自身的综合素质。