【導(dǎo)讀】本論文主要對(duì)單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理，單片機(jī)的應(yīng)用等進(jìn)行了分析；對(duì)超聲波的發(fā)生電路和接收電路，DS18B20溫度采集電路，LCD顯示電路，硬件制作和軟件設(shè)計(jì)；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。本設(shè)計(jì)任務(wù)主要內(nèi)容……………超聲波的基本理論……………………40KHz超聲波發(fā)送程序………………………Altiumdesigner原理圖的繪制…………………實(shí)驗(yàn)測(cè)試…………………

　　

【正文】 對(duì)單片機(jī)的影響。 （2）如果單片機(jī)I/O口控制電機(jī)等噪聲設(shè)備，在I/O口與噪聲源處必須加隔離。 （3）晶振布線要盡量靠近單片機(jī)引腳，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)、晶振外殼接地并固定。 （4）電路板合理分區(qū)，劃分強(qiáng)弱信號(hào)，數(shù)字模擬信號(hào)分開布線，敏感元件遠(yuǎn)離干擾源。 （5）單片機(jī)I/O口、電源線、電路板線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等。3 提高敏感器件抗干擾性能（1）布線盡量減少回路環(huán)的面積，降低感應(yīng)噪聲。（2）布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗，其目的減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。（3）對(duì)于單片機(jī)閑置I/O口不要懸空，接地或者電源。（4）在速度滿足要求的情況下，盡量降低晶振頻率。（5）IC元件盡量直接焊接在電路板上，少用插座。4 其他常用抗干擾措施（1）交流端用電容濾波，去掉高頻、低頻干擾脈沖。（2）變壓器雙隔離措施。（3）次極低通濾波，吸收變壓器的浪涌電壓。（4）采用隔離電路消除公共地線引起的干擾。（5）通信線用雙絞線，消除平行互感。（6）外殼接地保證人生安全和防止外界的磁場(chǎng)干擾。（7）增加復(fù)位電壓檢查電路，防止單片機(jī)復(fù)位失敗。 5 印制電路工藝抗干擾（1）元件布局合理，疏密恰當(dāng)。（2）CPU、RAM、ROM等主要芯片，Vcc和GND之間接電解電容以及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號(hào)。（3）獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并減少接插件與連線。提高系統(tǒng)可靠性減少故障率。（4）有調(diào)節(jié)使用4層以上電路板，中間兩層為電源與地線。（5）盡量加寬電源線，布線原則是地線電源線信號(hào)線。本次設(shè)計(jì)中PCB布線遵守這些基本原則，比如:電源穩(wěn)壓器處用100電解電容和104的瓷片電容并聯(lián)使用。保證電源的穩(wěn)定和消除干擾。 布局布線 在確定元件原理圖和封裝完全正確后就可以進(jìn)行電路板的布局布線了。首先是確定電路板的形狀，大小。設(shè)置完畢后，導(dǎo)入PCB封裝，然后進(jìn)行元件布局操作，布局操作遵循的基本原則如下。（1） 經(jīng)常調(diào)試的元件放到合理的位置方便調(diào)試。（2） 元件體積比較大的必須加支架。（3） 布局要疏密有序。同時(shí)兼顧飛線交叉最少。（4） 干擾比較大的元件原理敏感元件。（5） 發(fā)熱大的元件加散熱片，遠(yuǎn)離敏感元件。（6） 首先考慮電磁兼容。 布局完成之后設(shè)置布線規(guī)則，一般信號(hào)線使用12mil左右（1mil=1/1000in），電源線一般使用15~35mil，地線滿足25~50mil之間盡量加寬。 規(guī)則設(shè)置之后，先試著把最短的線路連接起來(lái)，然后觀察布線的密度和可行性，并且對(duì)元件的布局進(jìn)行調(diào)整，以使布線能成功。反復(fù)的布線修改，知道達(dá)到要求。 布線時(shí)可以把一些比較重要的線手動(dòng)完成，不是很重要的線交給計(jì)算機(jī)的自動(dòng)布線去完成。一些工程師不愿意用計(jì)算機(jī)的自動(dòng)布線，所有的線路都手動(dòng)完成，這完全沒有必要，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)越來(lái)越強(qiáng)大，而且Altium designer6的改進(jìn)型布線的效果已經(jīng)很理想了。只要規(guī)則設(shè)置合理是完全能布處滿足要求的線路。需要手動(dòng)修改的地方很少了。 本次設(shè)計(jì)我們做了一個(gè)成品的PCB板子圖，同時(shí)，我們也做了一個(gè)樣機(jī)的PCB板，樣機(jī)的板子是需要自己焊機(jī)的柳丁板子，正面焊機(jī)元件，所以布線時(shí)得考慮實(shí)際的板子樣子，我們采用拖焊錫的方式連接電路，所以布線與正式PCB線路有所不同。 PCB布線后的圖如下： 成品布線圖 覆銅后的PCB 圖 樣機(jī)安裝圖 同時(shí)Altium Designer提高3D效果圖，可以大致查看設(shè)計(jì)的板子3D效果： 圖 3D圖 制造文件輸出 在PCB布線完成后如果要發(fā)給PCB制造廠生產(chǎn)需要導(dǎo)出Gerber File文件和NC鉆孔文件以制作PCB。本次設(shè)計(jì)成品的制造文件如下： 圖 Gerber File文件 圖 NC鉆孔文件 第六章 元件采購(gòu) BOM文件導(dǎo)出 所謂磨刀不誤砍柴工，在買元件之前必須做好一些列的工作，首先是元件采購(gòu)清單的導(dǎo)出。 我們采用的Altium Designer6做的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中只要設(shè)置好元件的參數(shù)和屬性，Altium designer就能為我們輕松的導(dǎo)出材料清單,在原理圖編輯界面執(zhí)行Reports/Bill of materials設(shè)置選項(xiàng)即可導(dǎo)出BOM如下：CommentDescriptionDesignatorFootprintQuantityValueCap Pol1Polarized Capacitor (Radial)C1, C4CA21uF/25V, CapCapacitorC2, C3, C5, C10C4104, 330pF, 473Cap Pol1Polarized Capacitor (Radial)C6122uFCapCapacitorC7, C8233pFCap Pol3Polarized Capacitor (Surface Mount)C9CA1100uF/25v1N40071 Amp General Purpose RectifierD1DO411　LED2Typical RED, GREEN, YELLOW, AMBER GaAs LEDD2CON1　CX20106　SONYJ1PCBComponent_11　Low Voltage Power Supply ConnectorJ2KLD02021　ISP　SHUANGLONGJ3ISP1　C9013NPN General Purpose AmplifierQ1TO92A1　Res2ResistorR1, R4, R6, R7, R8, R9, R10, R1181K, Res2ResistorR2, R3, R5CON3, 22K, 200KSWPBSwitchS1, S2SPST22　SN74F04NHex InverterU1N0141　CSB40T　U2CSB1　CSB40R　U3CSB1　DS18B20DALLSU4TO921　1602LCDYB1602AU516021　AT89S52AtmelU6DIP401　BUZZER　U7CA1　LM7805CTSeries 3Terminal Positive RegulatorU8T03B1　12MCrystal OscillatorY1R381　電路板柳丁板1 元件采購(gòu)元件采購(gòu)前必須到網(wǎng)上查詢?cè)Y料，報(bào)價(jià)等等。本次采購(gòu)在成都城隍廟電子市場(chǎng)采購(gòu)。買元件需要貨比多家，比較價(jià)格性能質(zhì)量。 第七章 樣機(jī)制作 裝配圖焊接圖前面已經(jīng)給出，但是在實(shí)際焊機(jī)制作過(guò)程必須有裝配圖，我們的成品板子裝配圖如圖： 成品安裝圖 1 圖 樣機(jī)安裝圖 焊接和檢查購(gòu)回元件后接著就可以開始樣機(jī)的焊接，焊接中我們采用在柳丁板子上面拖焊錫的方法拖出線路，拖線路過(guò)程中，首先在焊盤上點(diǎn)上焊錫，然后在每?jī)蓚€(gè)焊盤之間補(bǔ)上焊錫，注意焊接的速度要快，避免電烙鐵氧化造成黑色的氧化物。 焊接完成以后應(yīng)該認(rèn)真的檢查焊接的電路，對(duì)照焊接用的PCB圖和裝配圖、原理圖，檢查。多次檢查后方可通電試驗(yàn)，試驗(yàn)中如果發(fā)現(xiàn)失敗了。則需要細(xì)致的進(jìn)一步檢測(cè)電路，1是是否有虛焊；2是是否漏焊；3是焊接錯(cuò)誤的連接。檢查時(shí)需要萬(wàn)用電表的使用。 樣機(jī)圖 經(jīng)過(guò)兩周的制作，我們的樣機(jī)終于做成。如下圖： 圖 樣機(jī)照片 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的使用 考慮到我們手里的一款單片機(jī)試驗(yàn)板，為了充分利用硬件資源，降低成本，同時(shí)也方便我們的使用。該實(shí)驗(yàn)板為一款功能很全面的實(shí)驗(yàn)板。 圖 實(shí)驗(yàn)板本次設(shè)計(jì)樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)使用該實(shí)驗(yàn)板上的資源有：At89S5ISP、蜂鳴器、按鍵、DS18B1602LCD顯示。該實(shí)驗(yàn)板單片機(jī)采用插座放置，方便取下。而且?guī)в蠭SP下載功能。上面有DS18B20，1602LCD液晶屏，按鍵等許多資源。非常的方便。下載用USB轉(zhuǎn)并口下載線。下載軟件如下圖： 圖 下載軟件 第八章 試驗(yàn)分析 實(shí)驗(yàn)測(cè)試 所有的工作都完成后，就可以燒錄程序然后通電試驗(yàn)，我們的部分試驗(yàn)現(xiàn)象如下： 通電試驗(yàn) 顯示結(jié)果 試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)如下：環(huán)境溫度系統(tǒng)測(cè)量值mm 實(shí)測(cè)值mm 誤差 %21℃12612421℃14214021℃17417521℃25225020℃29629221℃37737021℃53752021℃61260022℃67365521℃841815 誤差分析從以上看出，%，但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在測(cè)量距離小于300時(shí)誤差很小，而當(dāng)300以上時(shí)，誤差已經(jīng)比較大，雖然誤差率不大，但是在精確測(cè)量下是不能容忍的，從設(shè)計(jì)的方案來(lái)看，這個(gè)誤差的造成是有多方面原因的。首先，超聲波發(fā)射和接收頭安裝之間有一個(gè)夾角，如圖所示： 圖 測(cè)量夾角這樣測(cè)量的值就是一個(gè)斜邊的距離。所以程序中應(yīng)該進(jìn)行修正。另外本次制作樣機(jī)采用了兩套電源系統(tǒng)，所以他們之間的信號(hào)傳遞使用了光電隔離，采用的器件是4N35，4N35會(huì)有一個(gè)延時(shí)，4N35大概為4左右，我們使用了兩個(gè)，所以還應(yīng)該算上8的時(shí)延。同時(shí)在使用C語(yǔ)言的時(shí)候，對(duì)時(shí)間的控制不是很精確，所以如果需要更加準(zhǔn)確，需要對(duì)語(yǔ)句的延時(shí)統(tǒng)計(jì)，然后軟件做出修正。 改進(jìn) 在本設(shè)計(jì)中，為了使精度更加高，可以通過(guò)對(duì)多次測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比然后進(jìn)行一個(gè)修正，同時(shí)在安裝系統(tǒng)的時(shí)候，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的距離應(yīng)該為4~8CM左右，如果是測(cè)量距離遠(yuǎn)，則應(yīng)選擇較大的距離，軟件設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行夾角補(bǔ)償。另外做成品板子時(shí)，不要使用大量的延時(shí)器件，這些器件讓時(shí)間更加不容易控制。同時(shí)給芯片一些濾波電容或者將CX20106屏蔽起來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)指出的是，經(jīng)過(guò)我們的多次的樣機(jī)制作發(fā)現(xiàn)，超聲波的發(fā)射和接收頭比較脆弱，不要隨意的撥動(dòng)它們。而且超聲波元件的價(jià)格比較昂貴，所以制作時(shí)候需要特別小心。另外在我們?cè)囼?yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲波接收頭長(zhǎng)時(shí)間沒有收到信號(hào)，然后我們?cè)谔筋^之間放置一個(gè)物體，但是系統(tǒng)會(huì)“假死”，等待10秒左右才重新測(cè)量，看來(lái)是T1定時(shí)器溢出必須要處理。所以在編寫程序的時(shí)候一定要考慮到各種可能的情況。 第九章 總結(jié)在即將畢業(yè)之際，做一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以對(duì)自己三年的所學(xué)做一個(gè)總結(jié)，也是給自己以后工作增添一份信心。以上基于單片機(jī)的超聲波的測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了：電路分析、數(shù)字、模擬電路和單片機(jī)、EDA、傳感器、C語(yǔ)言等方面的知識(shí)，另外還有選材購(gòu)買、動(dòng)手制作等方面。所以具有很高的參考價(jià)值，同時(shí)，該設(shè)計(jì)的方案也是來(lái)源于生活中廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。單片機(jī)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以前構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)需用用很多的數(shù)字模擬器件或者電路單元來(lái)構(gòu)建，系統(tǒng)可靠性差、缺乏靈活性、維護(hù)不便、成本高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化等諸多缺點(diǎn)。單片機(jī)的應(yīng)用解決了很多問題，現(xiàn)在只要寫一個(gè)軟件，通過(guò)單片機(jī)和一些簡(jiǎn)單的外接電路就可以實(shí)現(xiàn)具有很多功能的、而且具有智能化的系統(tǒng)，同時(shí)可方便升級(jí)維護(hù)。所以單片機(jī)的應(yīng)用廣泛，在日常生活和生產(chǎn)中占用重要位置。所以我們?cè)O(shè)計(jì)選擇了單片機(jī)的系統(tǒng)其說(shuō)明我們深深的意識(shí)到它的重要作用。同時(shí)，我們的設(shè)計(jì)包含了EDA技術(shù)，EDA也是現(xiàn)在的熱門技術(shù)，人們?cè)O(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)又輔助人們的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大幫助我們完成了很多工作，以前一個(gè)產(chǎn)品可能需要半年甚至一年的設(shè)計(jì)周期，而現(xiàn)在借助于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，EDA軟件的輔助，使得設(shè)計(jì)周期減少到幾個(gè)月甚至幾周。我們?cè)谑褂肊DA軟件后也深深的體會(huì)到其強(qiáng)大的功能，令人興奮不已。所以我們意識(shí)到掌握好EDA技術(shù)是電子專業(yè)學(xué)生必須的。設(shè)計(jì)中也“小試牛刀”的使用了我們傳感器課程所學(xué)的超聲波的知識(shí)；在做光耦電路部分的時(shí)候三極管的計(jì)算用到了電路分析；模擬電子技術(shù)的知識(shí)；單片機(jī)程序設(shè)計(jì)使用了C語(yǔ)言來(lái)編寫程序，感受到了C語(yǔ)言的魅力所在?？梢哉f(shuō)該設(shè)計(jì)的過(guò)程是對(duì)我們?nèi)晁鶎W(xué)的一次總結(jié)。通過(guò)以上的設(shè)計(jì)過(guò)程，我們不但在知識(shí)上收獲了，而且發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足之處；同時(shí)，我們也對(duì)自己的動(dòng)手能力有所鍛煉，而且一次成功的經(jīng)歷給我增添了不少的信心。我們相信，畢業(yè)后，把這種學(xué)習(xí)的興趣和努力的精神發(fā)揮到工作中一定能有所作為！！