【正文】 的檢測。 7. 4 線制 SPI 接口。 8. I/O 電壓 到 。 9. 溫度范圍 40176。 C 到 +125176。 C。 超聲波探頭 的選擇 超聲波探頭選擇的是防水型的探頭。超聲波的發(fā)射頻率為 1MHz，為分體式的探頭， 在工作時直接將其投入水中即可。在課題中通過膠水將其粘在支撐座上，只要將電線引出即可。 其他元器件 的選擇 （ 1） 數(shù)字電位器 數(shù)字電位器選擇的是 MAX5477，是 非易失、雙路、線性變化的數(shù)字電位器，能夠?qū)崿F(xiàn)機械電位器的功能，采用簡單的 2 線數(shù)字接口取代機械調(diào)節(jié)。每個器件具有與分立電位器或者可變電阻相同的功能。它的一般特性如下： 1. 上電后從非易失存儲器調(diào)用滑動端位置。 2. EEPROM 寫保護。 3. 微型 3mm x 3mm x 、薄型 QFN 封裝。 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 28 4. 端對端電阻溫度系數(shù)： 70ppm/176。 C。 5. 400kbps、快速 I2C*兼容串行接口。 6. 1uA (最大值 )靜態(tài)供電電流。 7. 單電源 + 到 + 供電。 8. 每個電位器 256 級抽頭。 （ 2） 比較器 比較器選擇 MAX998，是單 /雙 /四 路、 SOT23 封裝、單電源供電、高速、低功耗比較器。適用于 +3V~+5V 供電的應用場合。 （ 3） 運算放大器 運算放大器選擇 MAX4231，是高輸出驅(qū)動 CMOS 運放，具有 200mA 的峰值輸出電流，可以滿擺幅輸入、輸出，工作于 ~ 的單電源，轉(zhuǎn)換速率高達10V/us，帶寬增益積為 10MHz，在低功耗關(guān)斷模式可將電源電流降至 1us 以下。 （ 4） 電子開關(guān) 電子開關(guān)選擇 MAX4736 和 MAX394。 MAX4736 為低導通電阻、低電壓、雙路單刀雙擲模擬開關(guān)，工作電壓范圍為 ~，具有較高的開關(guān)速度，可以處 理滿擺幅模擬信號，靜態(tài)功耗小于 4uW。 MAX394 為低電壓，四路單刀雙擲模擬開關(guān)，單電源供電 ~15V。 （ 5） 存儲芯片 存儲芯片選擇 AT24C16，是只讀存儲器，存儲容量 16KB，采用 16 位串行的CMOS EEPROM 技術(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用 2048bit 的存儲單元，工作在低電源、低頻率的情況下，為非揮發(fā)型電可擦除只讀存儲器，通過 I2C 總線串行接口來控制工作，也具備特殊的寫保護功能。 （ 6） 日歷芯片 選擇 PCF8563， PCF8563 是低功耗的 CMOS 實時時鐘 /日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢 測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過 I2C 總線接口串行傳遞。最大總線速度為 400Kbits/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。低工作電流，為 ，大的工作電壓范圍，為 1 。 （ 7） 液晶屏 選擇 12864，是一種四位、八位并行， 2 線或 3 線串行多種接口方式的點陣河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 29 圖形液晶顯示模塊。其顯示分辨率為 128x64，利用模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可以構(gòu)成人機交互的圖形界面。可以顯示 8x4 行 16x16 點陣的漢字，也可以完成圖像顯示，且低電壓、低功耗，工作電壓 3 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題所用的芯片及所選芯片的特點，通過了解芯片的特點，根據(jù)課題的要求進行選擇。課題用到的芯片有 MSP430F247 單片機，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 TDCGP22， 數(shù)字電位器 MAX5477，比較器 MAX998，運算放大器 MAX4231，電子開關(guān) MAX394 和 MAX4736，存儲芯片 24C16，日歷芯片 8563，液晶屏 12864。 上面所選的芯片都是根據(jù)前面的機械部分設(shè)計和硬件電路設(shè)計思路完成后，根據(jù)設(shè)計的實際需要進行選型的 。其中，運算放大器的選擇，一是根據(jù)設(shè)計需要的放大倍數(shù)，二是根據(jù)硬件電路的 帶寬。同樣，比較器的選擇也需要參照硬件電路的帶寬，還有就是根據(jù)電路中能夠提供的電壓，保證比較器能正常工作。 MSP430 芯片是低能耗芯片，它的額定工作電壓一般為 ，所以電路中的其他芯片的工作電壓也要參照 MSP430 芯片的工作電壓來選擇，這樣可以簡化電源部分的設(shè)計工作，也使得電路設(shè)計更加緊湊。 7 軟件仿真調(diào)試 軟件仿真是在真正的進行 PCB 板制作之前對硬件電路的仿真調(diào)試工作，以驗證硬件電 路的設(shè)計是否正確，同時，也可以驗證軟件編程部分的內(nèi)容是否正確，可以在制作電路板之前對電路進行測試，是一個很重要的過程。 一般情況下的單片機相關(guān)的設(shè)計工作，都會進行軟件仿真調(diào)試工作，因為軟件仿真的成本比較低，仿真的結(jié)果也可以認為是真是情況的反映 。經(jīng)過了軟件仿真后就可以進行硬件電路板的制作，然后進行硬件調(diào)試。由于在 MSP430 單片機的軟件仿真中缺少很多的必要芯片，只做了自動增益和 LCD 部分的仿真。 自動 增益放大部分仿真 自動增益放大電路的仿真中，用到了運算放大器和數(shù)字電位器，但是由于仿河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 30 真軟件中缺少需要的數(shù)字電位器，所以數(shù)字電位器部分用電位器代替，前端的信號用信號發(fā)生器代替，通過調(diào)整電位器的阻值，可以實現(xiàn)最終輸出信號的放 大工作。如下圖 。 圖 自動增益放大部分仿真 運行的結(jié)果為下圖 ： 圖 仿真結(jié)果 結(jié)果顯示，最終的信號進過電路后， 被放大了，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值可以實現(xiàn)輸出波形的幅值變化。在改變了信號發(fā)生器的信號幅值以后，通過調(diào)節(jié)電位河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 31 器的阻值也可以實現(xiàn)得到的曲線與和之前信號幅值保持一致，證明電路是正確的。 仿真遇到的問題 關(guān)于仿真軟件，遇到最多的問題就是在仿真軟件中找不到需要的芯片，一般情況下，仿真軟件中所存儲的芯片都是在一般單片機設(shè)計中常見的芯片，而對于一些專用芯片基本上找不到，只能 找一些類似的芯片代替，看能否實現(xiàn)功能。但是還是有一些芯片無法找其他的芯片代替，所以只能對硬件電路進行修改調(diào)整，其實這樣的話，就不一定能夠證實最終的結(jié)果是不是正確的，仿真得出的結(jié)果可能是不具有真實效應。還有，在仿真中不能體現(xiàn)出電源部分的設(shè)計，因為在仿真中，電源都是內(nèi)置好的，還有一些特殊的電源在仿真中是無法得到的，這樣也會影響測試的結(jié)果。 本章小結(jié) 經(jīng)過軟件仿真的調(diào)試，學會了使用 Proteus 仿真軟件，了解了進行軟件仿真的流程。在進行軟件仿真時， 不僅驗證了硬件電路的設(shè)計是否正確，同時也驗證了軟件編程的 結(jié)果是否正確，雖然在其中有一些芯片無法在 Proteus 中找到，只是選用的一些類似的芯片或者元器件，但是還是將最終的結(jié)果調(diào)試了出來，基本上完成了仿真部分的任務。在軟件仿真時，不僅需要對設(shè)計的電路有足夠的了解，還需要知道如何進行調(diào)整，在這個過程中，可以學習到很多軟件調(diào)試的知識，積累了調(diào)試經(jīng)驗。 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 32 結(jié) 論 本課題完成了老師任務書中所要求的設(shè)計工作，設(shè)計了一種新型的超聲波測厚儀，主要包括機械設(shè)計部分，硬件電路設(shè)計部分和軟件編程的設(shè)計。在最后使用有機玻璃作為加工材料，制作出了超聲波測厚儀的機械部分模型， 可以直觀的展示出運動工作的過程。 課題在設(shè)計之初，由于希望能夠在設(shè)計中體現(xiàn)出創(chuàng)新，花了較多的時間思考如何通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，來實現(xiàn)提高測量精度的最終目的。在進行機械部分方案的設(shè)計之前，仔細的 查閱了相關(guān)的書籍，包括機械設(shè)計原理和機械制圖原理，期望從中能夠得到靈感，同時多與老師交流自己的想法，最終確定了四種設(shè)計方案，將其完善，并且申請了發(fā)明專利。這個過程考驗了我對課本上的知識的了解，同時也考驗了自己能否靈活應用書中的知識。在這個過程中，不僅鞏固了自己所學的知識，而且學會了如何進行專利申請 ， 以及如何書寫專利技術(shù)交 底書，我 收獲很多 。 在機械設(shè)計過程中，主要使用 CAD 和 UG 繪圖軟件進行設(shè)計工作。完成機械設(shè)計后，是進行硬件電路的工作，由于是第一次接觸 MSP430 單片機，對單片機不了解，硬件電路是在老師的幫助下完成的，包括模塊電路的設(shè)計和芯片的選擇。繪制原理圖使用的是 Altium desinger 軟件，電路仿真使用的是 Proteus軟件，驗證工作主要使用開發(fā)板完成。 通過本次畢設(shè)，我不僅鞏固了自己學到的知識，同時也了解了很多課本上沒有的知識，包括 機械方面和電路方面。這次的設(shè)計工作全部由我一人完成，也是對自己最大的挑戰(zhàn)。通過設(shè) 計超聲波測厚儀，我了解了有關(guān)超聲波的各類產(chǎn)品及其工作原理，也從老師那里獲得了相當多的技術(shù)資料，這些知識是我以后進行儀器設(shè)計寶貴的財富。 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 33 參 考 文 獻 (1) 胡大可． MSP430 系列單片機 C 語言程序設(shè)計與開發(fā) (M)．北京航空航天大學出版社， 2021 (2) 趙建領(lǐng) Protel 電路設(shè)計與制版寶典北京：電子工業(yè)出版社， 2021 年 (3) 魏小龍． MSP系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例 (M)．北京：北京航空航天大學出版社， 2021 (4) 王幸之，王雷，翟成，等．單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術(shù) (M)．北京 ：北京航空航天大學出版社， 2021 (5) 王占元 . 基于單片機的便攜式超聲波測厚儀的研制 (D).北京化工大學 ,2021. (6) 段偉亮 ,康磊 ,張曉輝 ,王淑娟 ,翟國富 . 基于 FPGA 的電磁超聲測厚儀 (J). 儀表技術(shù)與傳感器 ,2021,04:1416+19. (7) 潘榮寶 . 超聲測厚儀及測厚 (J). 壓力容器 ,1996,01:5863+3 (8) 劉振作 . 渦流涂鍍層測厚儀開發(fā)與應用現(xiàn)狀 (J). 上海涂料 ,2021,03:3436+5. (9) 彭雪蓮 . 磁性法和電渦流法測厚儀的特點及其應用 (J). 表面技術(shù) ,2021,06:8082. (10) 柯細勇 ,王占元 ,楊劍峰 ,劉文彬 . 一種新型便攜式超聲波測厚儀的設(shè)計 (J). 傳感器與微系統(tǒng) ,2021,12:119122+125. (11) 謝敏 . 基于 MSP430的低功耗儀表系統(tǒng)的設(shè)計 (J).微計算機信息 ,2021 (12) 王治國 .基于 TDCGP2 與 MSP430 超聲波熱能表的設(shè)計研究［ D］ ． 沈陽 :東北大學， 2021． (13) 肖慧敏，王鵬翔，董言志 . 基于 MSP430F449 的超低功耗超聲波熱量表設(shè)計(J).電聲技術(shù)， 2021 (14) 梅彥平 ,張明君 ,王延平 ,李占英 . TDCGP21 在超聲波熱量表中的應用 (J). 儀 表技術(shù)與傳感器 . 2021 (15) 邵慧 . TDCGP21 在時差法超聲波流量計中的應用 (J). 現(xiàn)代電子技術(shù) . 2021 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 34 致 謝 經(jīng)過短短三個月的畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多知識，也積累了很多的設(shè)計經(jīng)驗。其中，離不開老師的悉心指導和耐心的指正。我最需要感謝的是我的指導教師張鵬老師。張鵬老師是一個很有耐心，并且很有想法的老師，而且從來不吝嗇，經(jīng)常與我交流想法，同時也會指出我想法上、設(shè)計上的錯誤，給予了很大的幫助。在完成基本的設(shè)計任務后，張鵬老師還鼓勵我申請發(fā)明專利，這是我第一次嘗試著申請專利， 張鵬老師 承當了申請專利的費用，讓我沒有后顧之憂 ，非常感激張鵬老師給我這樣一個機會。在大學階段能夠遇到這樣 的老師，真是榮幸之至！在這里，向張鵬老師表達我最誠摯的感激，希望張鵬老師身體健康、工作順利！ 同時好要感謝我的同學們，在我需要幫助的時候，大家都毫不猶豫的幫助我解決問題，感謝他們陪伴我度過四年最好的時光！ 我還會以飽滿的精神，面對未來的 挑戰(zhàn) ! 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 35 附錄 A 專利受理文件 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 36 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 37 河北工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 38