超声波测厚仪设计_本科毕业论文终.doc

河北工业大学2014届本科毕业设计说明书河 北 工 业 大 学毕业设计说明书 作 者： 高善顺 学 号： 100204 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 测控技术与仪器 题 目： 超声波测厚仪设计 指导者： 张鹏 讲师 评阅者： 2014 年 6 月 1 日毕业设计（论文）中文摘要题 目 超声波测厚仪设计摘要：超声波测厚仪是根据超声波脉冲通过被测物体达到材料的分界面时，脉冲被发射回去，并被接收探头接收，通过计算脉冲返回的时间来确定被测材料的厚度。由于超声波具有处理方便，并有良好的指向性的特点，超声波测厚仪可以适应多种场合的测厚工作。本课题研究的超声波测厚仪主要是纸张厚度的测量工作。由于纸张纤维分布不均匀，存在较大间隙的特点，一般的测厚仪很难达到很高的测量精度。课题结合接触式测量和非接触测量的优点，机械部分设计了新型的超声波测厚传感器，分别设计了水平放置和垂直放置多种适应不同工作条件的传感器，硬件部分采用MSP430F247作为微控制器，TDC-GP22作为脉冲检测器，可通过按键控制工作过程，也可以自动实现纸厚测量，并通过LCD显示时间信息和测量结果。 关键词：超声波测厚仪 MSP430 TDC-GP22 毕业设计（论文）外文摘要Title：The design of Ultrasonic thickness meter Abstract:The measurement principle of ultrasonic thickness meter is when the ultrasonic pulse enter the tested material and reach the interface of the tested material ,the ultrasonic pulse will be reflected and then received by the ultrasonic probe ,then we can get the thickness of the tested material by calculate the time of the ultrasonic pulses return from the interface of the tested material.Because the ultrasonic pulse has the characteristics of easy management and good directivity,ultrasonic thickness meter can adapt to many thickness measurement occasions.My research subject of ultrasonic thickness meter is about paper thickness measurement.Because the paper has the characteristics of uneven distribution of fiber ,normal ultrasonic thickness meter can not achieve high accuracy of measurement.My research subject combines the characteristics of contact measurement and uncontact measurement,in the mechanical parts,I design a new type of ultrasonic thickness sensor,in the hardware part,using the MSp430F247 as the microcontroller,TDC-GP22 as the pulse detector.Using the keys to control the process,and also can achieve auto measurement,then using LCD to show the time information and measuring results.keywords: Ultrasonic thickness meter MSP430F247 TDC-GP22目 录 1 绪论11.1 课题简介及要求11.2 本课题研究的内容以及现状22 单片机及超声波测厚的工作原理32.1 单片机的硬件组成32.2 单片机的各引脚功能52.3 超声波测厚的工作原理53 总体方案的确定73.1 机械部分73.2 硬件设计113.3 软件设计123.4 本章小结134 机械部分设计144.1 机械加工装配图144.2 电磁铁的选择204.3 弹簧的选择214.4 本章小结215 硬件系统的设计及原理图215.1 最小系统和LCD显示电路225.2 超声波发射接收电路235.3 自动增益放大电路245.4 波形处理和拾取电路255.5 本章小结256 元器件的选择266.1 时间芯片的选择266.2 超声波探头的选择276.3 其他元器件的选择276.4 本章小结297 软件仿真调试297.1 自动增益放大部分仿真297.2 仿真遇到的问题317.3 本章小结31结 论32参 考 文 献33致 谢34附录A 专利受理文件351 绪论测厚仪在现在的工业测量环境中应用广泛，其中，基于超声波测量技术的厚度测量仪在市场上占有很大的份额。超声波可以实现接触式的测量，也可以实现非接触式的测量，这样使得超声波测厚仪可以适应很多的测量场合。由于测量原理简单、测量精度较高、可以制成便携式、对环境要求较低的优点，超声波测厚仪广泛用于板材、管道、涂层厚度、片状物体的厚度测量。对于非接触式的测量方式，超声波测厚的原理一般是时差法。超声波探头发射一定数量的脉冲，在遇到测量平台后返回，被超声波接收探头接收，记录下从脉冲发射到接收的这段时间；将被测物置于测量平台上之后，超声波探头再次工作，这样得到第二个时间，两个时间做差，代入公式得出的值就是代表被测物的厚度。对于接触式的测量，超声波测厚的原理是超声波脉冲反射原理，采用收发一体式的探头，将超声波探头紧贴被测物体的表面，当超声波探头发射的脉冲进入到被测物内部，到达材料的分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确计算超声波脉冲在材料中的传播时间来确定被测物的厚度。本课题设计的超声波测厚仪是主要用于纸张厚度测量。为了提高测量的精度，设计了一种新型的超声波测厚仪。本课题设计的超声波测厚仪采用的是接触式的测量原理，但是采用分体式探头，并将测量环境转到液体中。超声波探头选择的是用于液体环境的液介质探头。由于超声波在液体中的发射频率远大于气介质中的发射频率，这样在理论上提高了测量的精度。1.1 课题简介及要求本课题的主要研究对象是纸张厚度检测。对纸张厚度的检测要求的测量精度较高。目前比较成熟的技术方案是电涡流原理测量法。电涡流原理测量法的精度很高，利用电流的涡流效应，通过检测通过纸张的电磁损失来计算纸张的厚度。虽然能够达到相当高的测量精度，但是由于测量原理的问题，对缠绕纸张的轴的表面精度要求非常高，而且国内设备很难达到加工要求，只能依靠国外进口，价格昂贵。所以现在急需一种测量精度高、可靠性好、价格适中的新型测厚仪。而超声波测量技术作为目前发展很快的测量技术，具有价格适中、测量原理简单、能够达到一定的精度的优点，但缺点是易受到测量环境的影响、存在测量盲区、测量精度有限，很难达到很高的精度。所以，如何利用超声波测量的优点、减少或者改善其缺点，来实现高精度的测量，是本课题研究的核心内容。1.2 本课题研究的内容以及现状由于测厚仪的使用场合非常广泛，很多行业都会用到，所以测厚仪的研究一直是许多研究所和生产厂家的热点研究对象。市场上的主流产品的测量对象一般是板材、管道、轨道、板胚、铸件、机加工零件、金属镀层、非金属涂层的厚度。还有很多研究人员对其进行更深层次的研究。下面主要综述近年国内学者关于测厚仪的相关研究进展，国内学者针对测厚仪的研究取得了显著的研究成果。比如王占元等基于单片机的便携式超声波测厚仪的研制5、潘荣宝等超声测厚仪及测厚7等。段伟亮等6提出了一种为了改善测厚系统抗干扰能力、降低系统复杂度、提高测量效率的一种基于FPGA的电磁超声测厚仪。具有无需声耦合剂、抗干扰能力强、检测效率较高等特点。刘振作等8简要介绍了涡流涂镀层测厚技术的基本原理与涡流测厚方法标准概况,重点介绍了涡流涂镀层测厚仪国内外典型产品的功能特征和应用现状。彭雪莲等9介绍了磁性方法和电涡流方法测厚仪的测量原理、电路结构、性能特点及其在国内的发展状况,与国外部分同类仪器进行了对比,并介绍了其在建筑行业中的应用。柯细勇等10 设计了一种便携式新型超声波测厚仪，实现了精准测量，并能通过将测量的数据通过串口传输到PC机中进行分析和比较，给出测量误差产生的原因。上述综述的目前的研究主要是板材、管道等测量范围大、测量精度要求较低的场合，对于小范围、高精度、低成本的薄类或超薄类物体厚度的测量的研究还很少。目前市场上的产品中，对于薄类或超薄类物体例如纸张也有很多能达到高精度测量要求的测厚仪，多数为电涡流效应的测量原理，但是仪器本身的生产成本很高。所以，对纸张等薄类或超薄类物体的测量，需要高的测量精度，也需要降低仪器成本，课题的研究内容是如何利用超声波测量的优点、减少或者改善其缺点，来实现高精度的测量。为了实现上述目的，要从超声波的测量方法入手。超声波测量分为接触式和非接触式两种测量方式，接触式测量方式一般用于板材、管道壁厚、流体流量等的测量，而非接触式测量方式常用于距离的测量。超声波的测量环境分为气体环境、液体环境和固体环境三种。一般情况下，气体环境下的测量一般为距离的测量，例如倒车雷达、超声波测距，也可用作较低精度的板材厚度测量。而液体环境的测量一般情况下用于流量的测量，例如常见的超声波流量计等，也可以做距离的测量，例如底装式的超声波液位计，船舶上的声呐检测。固体环境测量方式常用作板材厚度、管道壁厚、家具油漆厚度的测量。三种测量环境下的超声波频率互不相同：气体介质一般为40k-200kHz左右，液体介质一般为1MHz，而固体介质为10MHz左右，不同的频率也就存在不同的测量精度，一般频率越高，分辨力越高，理论测量精度也就越高。所以，要利用超声波测量纸张厚度，想要提高测量精度，就必须采用新型的测量方式。2 单片机及超声波测厚的工作原理超声波测厚仪属于小型仪器，它的控制核心是单片机。在进行相关研究时，首先要了解测量原理，其次要了解仪器的控制核心，这样就可以在了解的前提下进行新想法的思考。本课题使用的超声波探头为分体式超声波探头，为液介质探头，超声波发射频率为1MHz；本课题使用的单片机为低功耗MSP430单片机系列的MSP430F247，是一种16位超低功耗的混合信号处理器，具备处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗、开发方便等优点，有很高的性价比。下面将分别介绍单片机和超声波测厚工作原理。2.1 单片机的硬件组成MSP430单片机的片内硬件组成如下图2.1所示图2.1 MSP430F247硬件结构图MSP430F247是TI公司推出的MSP430系列超低功耗微控制器的一种。它是由32kB闪存、4KB RAM、12位 ADC、4个USCI和HW乘法器等构成的微控制器。不仅适用于常规的单片机开发，更多的用于低能耗产品的研制。MSP430F247单片机的一般特性如下：1. 低工作电压范围：1.8V-3.6V。2. 超低功耗。活动模式：270uA（1MHz，2.2V）；待机模式：0.3uA；掉电模式（RAM数据保持）：0.1uA。3. 从待机模式到快速唤醒的响应时间少于1us。4. 16位精简指令机构，62.5ns指令周期。5. 具有内部参考电压、采样保持、自动扫描特性的12位A/D转换器。6. 具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器A。7. 具有7个捕获/比较寄存器的16位定时器B。8. 4个通用串行通讯接口模块（USCI），增强UART支持；自动波特率检测；IrDA编码和解码；同步SPI、I2C。9. 片上比较器。10. 具有可编程电平检测的供电电压管理器/监测器。11. 掉电检测器。12. 可在线串行编程，不需要外部编程电压。需要可编程的保密熔丝保护代码。13. 可用64引脚QFP封装和64引脚QFN封装。2.2 单片机的各引脚功能MSP430F247单片机具有64个引脚，采用QFN或者QFP封装形式，每个引脚都有其固定的功能和第二功能。下图2.2为MSP430F247单片机的引脚图。图2.2 MSP430F247引脚图2.3 超声波测厚的工作原理超声波用于厚度测量，一般分为接触式测量和非接触式测量两种测量方式。下面分别介绍接触式测量和非接触式测量的工作原理。接触式测量方式：接触式测量方式一般用于金属或者非金属板材的厚度测量、输送管道壁厚的测量、金属表面涂层厚度测量、轨道和金属铸件及机加工零件的厚度测量等。测厚的原理是超声波脉冲反射原理，采用收发一体式的超声波探头，将超声波探头紧贴被测物体表面（要保持材料被测表面的干净整洁，必要时要在被测表面上涂抹耦合剂，将探头与被测面之间的空气挤压出去，以减小测量误差，提高结果的精度），当超声波探头发射的脉冲进入到被测材料内，并到达被测材料与外界的的分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确计算超声波在被测材料中的传播时间来确定被测物的厚度。下图2.3为超声波脉冲反射测厚原理示意图。图2.3 超声波脉冲反射测厚原理非接触式测量方式：非接触式的测量方式是指超声波探头在测量过程中不与被测物接触，可以避免接触造成被测物的形状变化，一般用于薄片类物体的厚度测量。非接触式测量的原理一般是时差法。超声波探头发射一定数量的脉冲，在遇到测量平台后被发射回去，经超声波接收探头接收，记录下从脉冲发射到接收的这段时间；将被测物置于测量平台上，超声波探头再次工作，这样得到第二个时间，两个时间做差，代入公式得出的值就是被测物的厚度。下图2.4为超声波时差法测量示意图。图2.4超声波时差法测量示意图3 总体方案的确定总体方案是对一个课题设计的思路。有了总体的设计思路，才可以进行细致的设计工作。总体方案的设计包括三个方面：机械结构设计、硬件电路设计、软件编程设计。机械结构设计是整个设计的试验台部分，也是实现控制功能不可缺少的一部分，一个好的机械结构的设计可以在保证最终测量精度的前提下，降低后续硬件电路的开发难度；硬件电路是整体设计控制部分；软件编程的设计是跟硬件电路和机械结构设计相对应的。下面介绍本课题的机械设计方案、硬件电路设计方案和软件编程设计方案。3.1 机械部分要想实现高精度的测量，就必须摒弃传统的测量方式。在设计时将设计分为传感器设计和后续电路两部分。在传感器机械设计部分，设计了新型的超声波传感器，共有四种设计方案。方案都采用接触式的测量方法，将测量环境由空气中转变为液体水中，这样可以提高超声波发射的频率，从而提高理论的测量分辨力，提高了测量精度。并采用分体式超声波探头，由一端发射超声波，另一端接收，这样的测量方式可以大大减小测量盲区，而且也可以减小后期电路的设计难度。下面将分别介绍四种设计方案。方案1： 图3.1为方案1的传感器设计草图 图3.1 方案1设计草图本方案采用立式的设计结构，罐体(2)盛满水，将两个超声波探头(3)、(4)全部浸入水中，这样提供了在液体中的测量环境。控制部分为两个拉式电磁铁(11)、(12)，工作时可以带动测量端面(16)和与半球阀(7)连接在一起的发射端超声波探头(4)移动。测量部分为测量端面(16)和绕纸轴(17)。在非工作状态时，电磁铁(11)、(12)断电，处于放松状态，半球阀(7)压紧在罐体上盖(6)的球形槽中，防止液体泄漏。在工作时，纸张未到来时，电磁铁(11)、(12)先通电，带动半球阀(7)离开罐体上盖(6)的球形槽，同时与半球阀(7)相连的超声波探头(4)也上移相同的距离，测量端面(16)与绕纸轴(17)接触，此时由超声波发射探头(4)发射超声波，由超声波接收探头(3)接收，计算出距离S1，然后电磁铁(11)、(12)断电，恢复到原来的位置。在纸张到来后，再次重复通电过程，这样测得距离S2。则S1-S2的值就是纸张的厚度。方案2：图3.2为方案2的传感器结构草图图3.2 方案2设计草图本方案也采用立式结构，但是控制部分变为由三个电磁铁控制工作。测量部分也不存在单独的测量端面，由罐体的下端面作为测量端面。绕纸轴变为现在的承纸座(1)，在罐体的下部。在非工作状态，三个电磁铁(8)、(9)、(10)均处于断电状态，将罐体(2)压紧在承纸座(1)上，同时将半球阀(7)压紧在罐体上盖(6)的球形槽中。在工作状态时，纸张未到来时，位于中部的电磁铁(8)先通电，两侧的电磁铁(9)、(10)不通电，带动半球阀(7)离开罐体上盖(6)，并保持通电状态。此时由超声波发射探头(4)发射超声波，并由超声波接收探头(3)接收，记录下距离S1。在纸张到来时，位于两侧的电磁铁(9)、(10)通电，带动罐体(2)离开承纸座(1)，纸张置于承纸座(1)后，控制两侧的电磁铁(9)、(10)断电，将罐体(2)再次压紧在承纸座(1)上，此时就将纸张压紧，由超声波发射探头(4)发射超声波，并由超声波接受探头(3)接收后，计算得出S2。则S1-S2为纸张的厚度。方案3：图3.3为方案3的传感器结构草图图3.3 方案3设计草图本方案采用卧式的放置方式。考虑到立式放置结构可能在探头上富集气泡，可能影响测量结果的正确性，故提出了卧式的放置方法，可以从理论上减小气泡对最后测量结果的不利影响。在非工作状态，电磁铁(11)、(12)断电，将测量端面(16)压紧在承纸面(17)上，此时通过装置左端的超声波探头测得距离为S1。在工作状态，纸张到来时，电磁铁(11)、(12)通电，将测量端面(16)带离承纸面(17)，待纸张置于承纸面(17)时，控制电磁铁(11)、(12)断电，测量端面(16)再次压紧承纸面(17)，此时已经将纸张压紧，通过超声波探头测量此时的距离S2。则S1-S2为被测纸张的厚度。方案4:图3.4为方案4的传感器设计结构草图图3.4 方案4设计草图本方案仍采用卧式的放置方式，不过在测量的另一侧加上了一相同的测量仪，采用两侧同时测量的方式，可以减小测量端面对绕纸轴的冲击，增加其使用寿命。在非工作状态，电磁铁(10)、(11)处于断电状态，测量端面(14)与绕纸轴(17)保持一段距离。工作状态时，在纸张等待进入时，控制电磁铁(10)、(11)通电，电磁铁(10)、(11)带动测量端面(14)向靠近绕纸轴(17)的方向移动，并与绕纸轴(17)接触，并带动罐体(1)中的活塞(6)向外侧移动，而固定在活塞(6)上的超声波探头(3)也做出相应的移动，此时通过超声波探头测得距离S1。然后电磁铁(10)、(11)断电，恢复到原来的状态，测量端面(14)离开绕纸轴(17)。纸张置于绕纸轴(17)后，控制电磁铁(10)、(11)通电，继续上述过程，并测得距离S2。则S1-S2为被测纸张的厚度。以上四种为初定的四种设计方案，通过对前期报告中所述的四种机械部分设计方案进行比较选择，在能实现所要求功能的前提下，从结构稳定、控制简易、加工简单的角度出发，最终选择了方案1作为最终的机械部分设计方案。方案1采用立式的放置方式，控制机构为两个电磁铁，各个部分的零件加工较为简单，组装方便。方案1的机械设计草图如下图3.5所示：图3.5 超声波测厚装置机械部分设计草图3.2 硬件设计硬件电路主要由以下几部分组成：单片机最小系统，是系统的控制核心；超声波发射接收模块，为工作模块，用于完成超声波测距的工作；增益放大和波形拾取模块主要用于对接收的信号进行滤波放大及检波处理，从而产生用于时间芯片处理的信号；数据记录与存储模块用于对实验数据进行记录，以便于对每次的实验数据进行分析，做到有据可循；显示模块用于显示实验的结果，显示每次试验的时间、实验结果等；自动/手动切换模块用于工作模式的切换，手动方式用于调试、排除故障，自动方式用于正常工作；电源模块用于提供整个测量系统的电源供应。下图3.6为控制系统框图： 图3.6 控制系统框图3.3 软件设计软件设计的思路为：通过按下启动按钮，开启装置，开启后等待按下自动运行或者手动运行按钮。若按下“自动运行”按钮，则按下按钮后，延时5s，控制电磁铁通电，过1s后超声波探头工作，将测量结果存储，并在液晶显示屏上显示出测量结果，控制电磁铁断电，通过传感器检测纸张到来的信息，如果检测到纸张到来，传感器产生信号给单片机，控制电磁铁通电，过1s后超声波探头工作，将测量结果存储，并在液晶显示屏上显示出测量结果，并通过单片机的计算将最后的纸张厚度输出在液晶屏上，将纸张厚度储存，控制电磁铁断电，完成一次测量工作。若按下“手动执行”，则在按下按钮后，按下“开始”，电磁铁通电，过1s后超声波探头工作，将测量结果存储，并在液晶显示屏上显示出测量结果，按下“结束”，电磁铁断电，实现一次测量。再次按下“开始”，电磁铁通电，过1s后超声波探头工作，将测量结果存储，并在液晶显示屏上显示出测量结果，并通过单片机的计算将最后的纸张厚度输出在液晶屏上，将纸张厚度储存。按下“结束”，电磁铁断电，实现第二次测量。按下“返回”，将工作模式转换为自动执行。下面图3.7为程序框图：图3.7 软件编程框图3.4 本章小结总体设计是一个设计的灵魂所在。有了方案的总体设计，就有了课题研究的目标和方向，对方案整体的框架有了明确的认识。上述是本课题超声波测厚仪的的总体设计思路，包括机械部分设计、硬件电路设计和软件编程设计三部分。机械部分设计是课题的试验台，后续的调试工作要在工作台上实现，包括最后的展示工作，这一部分设计由我独自完成，包括后期的加工组装工作，倾注了我比较多的精力，我认为一个好的机械设计会大大减轻硬件电路设计的难度，因为测量误差的积累实现从测量端开始的，就是从机械结构的误差开始，逐步积累到硬件电路上，而为了保证仪器的精度，就要在硬件电路上投入很多的精力来进行误差补偿，硬件电路的设计会很复杂，整体的成本也会提高很多，而一个良好的机械设计就可以在测量前端就能保持可靠地测量精度，省去了后续电路的补偿部分，大大简化了电路，降低了开发成本。硬件电路设计和软件编程设计已经在流程图和程序框图中体现。4 机械部分设计机械部分的设计是本课题最主要的设计部分。为了实现使用超声波获得高测量精度，设计了一种新型的测厚传感器，将测量环境从气介质转移到液介质中，从而提高了超声波脉冲的发射频率（气介质发射频率一般为40KHz或者200KHz，液介质一般为1MHz），这样提高了超声波脉冲的分辨力，从而提高了测量结果的精度。在结构的设计上，兼并接触式和非接触式的特点，采用测量端接触式，计量端非接触式的方式，选用分体式的超声波探头，这样减少了后续电路的复杂程度，减少了盲区的范围，使得测量简单可靠。下面介绍一下机械部分的设计方案。4.1 机械加工装配图为了使最终的方案易于加工，而且能够实现理想的测量精度，最终选择了方案1作为最终的加工方案。最初方案1的设计图为下图4.1所示。图4.1 方案1机械装配图为了使设计更为直观，使用UG绘图软件绘制了方案1装配图的立体图，如下图4.2所示。图4.2 方案1立体装配图以下为重要零件的平面图和装配图示意图。罐体上盖 图4.3 罐体上盖支架上盖图4.4 支架上盖带滑槽支架图4.5 带滑槽支架连接件图4.6 连接件下连接件图4.7 下连接件上圆柱管图4.8 上圆柱管连接管图4.9 连接管下圆柱管图4.10 下圆柱管定位座图4.11 定位座以上的设计是按照加工材料为铁板而做的设计，但是由于材料和加工费用的问题，最后决定使用有机玻璃作为试验台的材料。有机玻璃具有较好的强度和硬度，而且透明无色，可以清楚的看到实验的过程，且加工较金属简单，价格适中，而且很多需要连接件连接的部分可以使用有机玻璃专用胶水来粘合，方便且稳定。同时也可以采用螺栓连接，只需在需要螺栓连接的部位打孔即可。为了配合所买的材料的具体尺寸和参数（主要是弹簧的弹性系数和电磁铁的功率），对方案1的设计进行了改进，改进后的装配图如下图4.12所示。图4.12 改进后的装配图改进后的设计省去了罐体和连接件，在加工过程中，考虑到拆装调整问题，将罐体上盖和支架上盖的连接改为咬合件连接，这样的连接方式稳定而且利于拆装，罐体上盖和支架上盖与咬合件通过螺栓连接起来，连接更加稳定。侧面支架与底座的连接改为咬合件和螺纹连接相结合的方式，只要使咬合件与底座的配合关系为过盈配合，就可以保证结构的稳定，下图4.13为改进设计后的组装实物图:图4.13 组装实物图4.2 电磁铁的选择电磁铁选择的是直流24V电磁铁，拉力为5N，行程为10mm。选择24V直流电磁铁主要是控制简单，能达到要求，价格适中。下图4.13为电磁铁的尺寸。图4.13 电磁铁的尺寸电磁铁的作用是提供拉力，是整个测量系统的控制元件。选用的电磁铁是推拉式电磁铁，在通电的情况下，通过牵引力带动铁芯产生收缩的动作，从而产生了行程，在断电的情况下，铁芯靠弹簧复位，保持在外部。通过控制电磁铁的通电断电，实现了每次测量过程：通电时，电磁铁收缩，带动测量端面与绕纸轴接触；断电时，依靠弹簧复位，将测量端面带离绕纸轴。4.3 弹簧的选择弹簧在设计中的作用是缓冲作用，由于电磁铁的动作是瞬间完成的，冲击力较大，通过弹簧可以减小其冲击力，以免对绕纸轴造成过大冲击，造成绕纸轴发生形变，影响测量精度。弹簧的弹性系数可以根据公式：k=G*d48*Nc*Dm3得出。其中G是线材的刚性模数，单位为N/mm2,d为线径，Nc为有效圈数，为总圈数N减去2，Dm为中径。一般购买弹簧的参数为：线径*外径*长度。4.4 本章小结这一章主要介绍了机械部分设计的相关内容。在本次毕业设计中，机械部分设计是重要设计之一，已经申请了发明专利，所以在这一部分花费了很多的精力。机械设计要考虑可行性，可靠性和稳定性，还要保证设计尽可能简单。简单实用是机械设计的最高境界，所以对设计进行了很多次的修改，期望能在最简单的结构和控制条件下能够实现所需的功能。修改包括材料的选择，材料尺寸的设计，连接方式的设计，从加工的角度分析设计的零部件是否容易加工。为了使效果明显，在CAD平面图的基础上，使用UG画了立体图，并做了运动仿真，使得设计的运动过程更加明了。5 硬件系统的设计及原理图硬件电路的设计是保证控制有效，能够实现所需功能的基础。设计主要包括硬件原理图的绘制和PCB板的绘制。原理图最重要的是要保证正确的电气连接关系，保证每个元件的封装是正确的，否则在做出PCB板以后，在板子上焊接元器件时会遇到问题。原理图绘制完后，可以在电路仿真软件中初步验证一下电路是否能够达到要求。绘制原理图用的软件是altium designer,电路仿真用的软件是proteus。5.1 最小系统和LCD显示电路单片机的最小系统是单片机课题设计的核心，单片机的最小系统主要包括晶振电路、电源电路和复位电路。MSP430单片机的工作电源是3.3V，如果使用交流220V作为外部电压，可以先将220V交流电转换为24V的直流电或者12V的直流电，再将24V直流或者12V 直流转换成3.3V电源，还要看其他芯片元件的工作电压，再经过转换后变为相应的电压输出。MSP430单片机时钟模块包括数控振荡器、低速晶体振荡器和高速晶体振荡器等时钟源。主要是为了解决快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计不同的工作模式，来解决某些外部应用实时时钟的要求。数控振荡器已经集成在MSP430单片机的内部，不用单独设计，在设计时只需要设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器部分的电路。低速晶体振荡器满足了低功耗的需求。低速振荡器默认工作在低频模式，外接32.768kHz晶振。高速晶体振荡器是MSP430单片机在高频工作模式下提供的时钟，最高外接频率为8MHz，一般通过XT2外接2个22pF的电容通过XT2IN和XT2OUT连接到MSP430单片机。单片机的复位电路是最小系统的基本功能之一。当单片机处于死循环或者程序跑飞的情况下，通过按下复位按钮，就可以使单片机内的程序回到开始的位置，让程序能正确的运行。LCD显示屏是实现人机交互的重要组成部分之一，通过LCD显示屏，可以得到时间信息、实验数据和调试信息，本课题选用的12864LCD可以显示数字，汉字和图片，可以通过翻页功能实现显示更多的信息。在电路中，LCD在原理图中是通过配套插座的形式出现的，在电路板焊接完成后，LCD可以通过插座直接固定在电路板上，这样可以在损坏时，只需要将损坏的LCD从插座上取下，换上新的LCD即可。5.2 超声波发射接收电路超声波发射接收电路是硬件电路设计中比较重要的一部分。超声波的产生需要激励信号和超声波换能器，发射电路用于产生超声波激励信号，本课题中，超声波激励信号的产生靠MSP430单片机的P5.5引脚产生一段频率为1MHz的方波信号，但是能量太低，不足以驱动超声波换能器产生超声波，所以需要驱动电路来提高激励信号的能量。对于超声波激励信号的产生，可以通过单片机产生，也可以使用TDC-GP22芯片产生的时钟信号，两者都可以，本课题选择使用单片机产生超声波激励信号，但是会出现一个问题，使用单片机产生有限数目的脉冲时，通常采用开窗口的方式，在窗口内取出所需个数的脉冲，但是在截取第一个脉冲时，很容易就会发生波形错位的现象，可能取出的脉冲数不一定是所需的数量。这种方式产生出的超声波信号的第一个波形的上升沿会消失，导致在拾取脉冲时，发生错波的现象，对于高精度的测量要求，这种误差是不允许的，通常情况下需要在后续的调理电路中进行波形的调理。所以为了使最终测量结果具有高精度，设计了一种新型的超声波脉冲发射方式，在单片机和超声波发射接收电路之间加上一个电子开关，使得单片机发出的脉冲先经过电子开关进行翻转，经过电子开关翻转后，就能保留第一个上升沿，保证发射脉冲数的准确，从而降低了后续调理电路的设计难度，降低了电路的设计成本。图5.1 超声波发射电路超声波发射采用COMS场效应管和磁罐作为超声波探头的驱动，CMOS场效应管主要用于放大单片机产生的超声波脉冲信号的电流，磁罐主要用于放大电压的作用，因为产生超声波的激励信号需要很高的电压，大概是200V-300V左右。在超声波脉冲经过驱动电路，进入超声波探头后产生超声波，通过电子开关的选择，选择让哪一路的信号通过，进入后面调理电路中。5.3 自动增益放大电路 自动增益放大电路能实现自动调节放大倍数的作用，即自动增益控制。通常情况下，传感器前端传来的信号都要经过调理电路的处理才可以进入下一个电路，从前端传来的信号可能会存在信号不稳定，噪音，失真等各种不理想的情况。对于超声波测距来说，一般采取的是截取某个沿作为标志位的方法，而且一般这个标志位的大小是确定不变的，前端传感器传来的信号如果不稳定，电压信号忽高忽低，可以会出现到了该触发却因为取不到足够的沿电压导致错误的产生。自动增益的作用就是在确定标志位的电压大小之后，前端传感器传来的电压信经过过自动增益放大电路，电压过低时，通过单片机发出控制指令，调节负反馈电阻（一般为数字电位器）的阻值大小调高放大倍数，使得输出的电压与规定的电压信号保持一致；电压过高时，调低放大倍数，使得输出的信号与规定电压信号保持一致，从而达到确保信号稳定的作用。对于超声波距离测量等类似的方式来说，尤其是液位计这样的量程在测量过程中会发生变化的测量方式，自动增益放大电路显得尤为重要。由于气介质中分子团分布不均匀，超声波在气介质中传播时，会损失很多的能量，尤其是在传播中遇到空气中的大分子时，会产生非常严重的衰减，导致后续接到的脉冲信号很微弱，甚至接收不到脉冲信号。超声波传播的距离越远，超声波中的能量衰减的就越厉害，而且衰减的程度跟距离的长短成比例。一旦测量的距离发生变化，超声波的衰减程度就会发生变化，产生的信号的幅值就会与之前的信号有差别。在本课题中，虽然距离的变化量很小，但是从提高测量精度的角度出发，尽可能排除对最后测量结果会造成影响的因素。所以在设计中仍然保留了自动增益放大电路。设计中的自动增益放大电路包括两级放大：第一级为隔离放大，通常用于与前端的传感器进行阻抗匹配，而且这个过程还可以起到隔离噪音信号的作用，但是这一级的放大倍数是1，也就是没有真正的放大信号，只是为了实现阻抗匹配和第一级的信号处理。第二级的放大为信号的放大，通过单片机控制数字电位器来调节放大倍数，实现自动增益调节。数字电位器的选择要根据所选择的放大倍数，选择可以在放大倍数附近变化的对应的电阻阻值。5.4 波形处理和拾取电路波形处理电路主要是对经过自动增益的信号进行进一步的处理。尽管经过自动增益放大电路后的信号在进入第一级隔离放大阶段时已经做了一部分的噪声、干扰的去除工作，但是经过自动增益后的波形中仍然还有很多的杂波、噪音和高次或者低次谐波的干扰。波形处理电路就是为了进一步的对波形进行整理，最大程度上滤去杂波、噪声和高低次谐波的干扰，以便于获得更加准确的波形信息。相比于波形处理电路，波形拾取电路同样重要。超声波的发射不是一个瞬间的过程，超声波的发生是电能转换为机械能，机械能再转换为超声波，所以在超声波发生的最开始阶段有一个起振的过程，这段时间内超声波换能器也会发出超声波，但是这些波形不是真正有用的波形，真正有用的波形是在压电陶瓷完全起振后发出的，最开始的波形能量低，中间的波形才是有效波形。在波形拾取的过程中，首先要做的就是避开最开始阶段的起振波形，因为超声波测距的工作原理就是通过计算标志脉冲在发出和接收之间的时间差，经过公式计算来得出距离值，如果标志脉冲在发射状态和接收状态选择的不是同一个脉冲，那么这样的出的时间差就是错误的，直接影响到最终测量结果的正确性。所以如何选择出正确的拾取电压时一个很重要的问题。5.5 本章小结硬件电路的设计是在完成机械设计的前提下进行的。根据机械部分设计的控制方式和工作方式，来选择电路的每一个部分应该怎样设计。机械设计部分的设计精度会影响到后续硬件电路的设计难度，机械部分的精度越高，累积到后续电路的误差就越小，这样需要后续电路进行的调整就越少，就可以选用更少的芯片，达到节约成本的目的。硬件电路的设计是实现所需功能必须的步骤，控制部分地设计是一个设计的灵魂所在，有了机械，有了控制，再加上软件才是一个完整的控制系统，所以硬件电路的设计很重要。在设计硬件电路时，除了要考虑跟前端机械部分或者传感器部分配合外，还要注意工作情况，根据不同的工况来选择合适的芯片，根据实际需要的要求来选择是用什么样的电路。硬件电路的设计一般情况下需要有较多的设计经验的人员，才能设计出合理的电路，现在能做的就是在经典电路的基础上进行修改，所以关于这方面的知识还要注意积累，才能胜任这一工作。6 元器件的选择在单片机的课题上，元器件的选择非常重要。既然机械部分和硬件部分已经设计好了，就可以根据以上的设计来进行元器件的选择了。最开始选择的是单片机的型号，而标准就是根据自己总体方案设计的内容，估计一下需要用到单片机多少I/O口，会用到什么功能，有没有特殊要求，尽量使选择的单片机满足设计的要求，尽量避免出现选型后发现I/O不够用，再使用相关芯片进行扩展的方法，这样会使电路变得复杂。其次是根据课题的要求和电路的要求，选择合适的芯片。比如，对于本课题，属于超声波类的课题，就涉及到自动增益放大电路的运算放大器的选型，在波形处理时，就涉及到比较器型号的选择，等等。芯片的选择的另一方面是选择芯片的封装形式，一般的常用的有双列直插式（DIP）和贴片式（QFN）等封装形式。直插式的封装焊接较为简单，但是芯片的体积一般较大，如果想要减小电路板的体积，就要考虑芯片的体积问题。而贴片式封装的芯片有较小的体积，但是焊接困难。所以要根据课题具体的设计方案和要求，合理选择芯片的封装形式。下面介绍一下课题需要使用的芯片。6.1 时间芯片的选择时间数字转换器，也叫时间芯片，选择的是TDC-GP22。TDC-GP22是TDC-GP21的升级版，TDC-GP21在超声波热量表的应用很多，如梅彦平 TDC-GP21在超声波热量表中的应用5、邵慧等TDC-GP21在时差法超声波流量计中的应用6。由于本设计采用的也是在液体中的测量方式，所以也可以利用TDC-GP22在计数计算方面的优势。TDC-GP22带有第一波检测功能，将使TDC-GP22非常适合于高动态范围的超声波水表的应用。测量第一个回波脉冲的相对宽度将会给用户一个对于接收信号强度的提示。通过这个提示信息可以用于系统的长期覆盖物的信号减弱判断，以及用于气泡检测。多个测量脉冲的数据处理和数据读出功能更加简单方便。它的一般特性如下：1. 单通道典型90ps分辨率。2. 双精度模式45ps，四精度模式22ps。3. 测量范围500ns到4ms。4. 3个脉冲测量能力，带有自动3个数据处理功能。5. 第一个波检测：在第一波检测后比较器自动调整offset到0，可以选择相对于第一个波的测量回波。6. 第一个波脉冲宽度测量用于信号质量检测以及气泡的检测。7. 4线制SPI接口。8. I/O电压2.5V到3.6V。9. 温度范围-40C到+125C。6.2 超声波探头的选择超声波探头选择的是防水型的探头。超声波的发射频率为1MHz，为分体式的探头，在工作时直接将其投入水中即可。在课题中通过胶水将其粘在支撑座上，只要将电线引出即可。6.3 其他元器件的选择（1） 数字电位器数字电位器选择的是MAX5477，是非易失、双路、线性变化的数字电位器，能够实现机械电位器的功能，采用简单的2线数字接口取代机械调节。每个器件具有与分立电位器或者可变电阻相同的功能。它的一般特性如下：1. 上电后从非易失存储器调用滑动端位置。2. EEPROM 写保护。3. 微型3mm x 3mm x 0.8mm、薄型QFN封装。4. 端对端电阻温度系数：70ppm/C。5. 400kbps、快速I2C*兼容串行接口。6. 1uA (最大值)静态供电电流。7. 单电源+2.7V到+5.25V供电。8. 每个电位器256级抽头。（2） 比较器比较器选择MAX998，是单/双/四路、SOT23封装、单电源供电、高速、低功耗比较器。适用于+3V+5V供电的应用场合。（3） 运算放大器运算放大器选择MAX4231，是高输出驱动CMOS运放，具有200mA的峰值输出电流，可以满摆幅输入、输出，工作于2.7V5.5V的单电源，转换速率高达10V/us，带宽增益积为10MHz，在低功耗关断模式可将电源电流降至1us以下。（4） 电子开关电子开关选择MAX4736和MAX394。MAX4736为低导通电阻、低电压、双路单刀双掷模拟开关，工作电压范围为1.6V4.2V，具有较高的开关速度，可以处理满摆幅模拟信号，静态功耗小于4uW。MAX394为低电压，四路单刀双掷模拟开关，单电源供电2.7V15V。（5） 存储芯片存储芯片选择AT24C16，是只读存储器，存储容量16KB，采用16位串行的CMOS EEPROM技术，内部结构采用2048bit的存储单元，工作在低电源、低频率的情况下，为非挥发型电可擦除只读存储器，通过I2C总线串行接口来控制工作，也具备特殊的写保护功能。（6） 日历芯片选择PCF8563，PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。低工作电流，为0.25uA，大的工作电压范围，为1 V-5.5V。（7） 液晶屏选择12864，是一种四位、八位并行，2线或3线串行多种接口方式的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为128x64，利用模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可以构成人机交互的图形界面。可以显示8x4行16x16点阵的汉字，也可以完成图像显示，且低电压、低功耗，工作电压3 V-5.5V。6.4 本章小结本章主要介绍了课题所用的芯片及所选芯片的特点，通过了解芯片的特点，根据课题的要求进行选择。课题用到的芯片有MSP430F247单片机，时间数字转换器TDC-GP22，数字电位器MAX5477，比较器MAX998，运算放大器MAX4231，电子开关MAX394和MAX4736，存储芯片24C16，日历芯片8563，液晶屏12864。上面所选的芯片都是根据前面的机械部分设计和硬件电路设计思路完成后，根据设计的实际需要进行选型的。其中，运算放大器的选择，一是根据设计需要的放大倍数，二是根据硬件电路的带宽。同样，比较器的选择也需要参照硬件电路的带宽，还有就是根据电路中能够提供的电压，保证比较器能正常工作。MSP430芯片是低能耗芯片，它的额定工作电压一般为3.3V，所以电路中的其他芯片的工作电压也要参照MSP430芯片的工作电压来选择，这样可以简化电源部分的设计工作，也使得电路设计更加紧凑。7 软