基于单片机的超声波车用钢板测厚系统设计

本科毕业设计（论文）基于单片机的超声波车用钢板测厚系统设计学院名称： 汽车与交通工程学院 专 业： 汽车服务工程 班 级： 13汽车卓越 学 号： 2013352222 姓 名： 侯 冲 指导教师姓名： 李 丽 指导教师职称： 讲 师 二一七年六月江苏理工学院毕业设计说明书(论文)基于单片机的超声波车用钢板测厚系统设计摘 要：汽车钢板在汽车长期运行的过程中会因各种原因发生锈蚀，严重的锈蚀会引起钢板断裂，进而对行车安全造成极大隐患，因此对汽车钢板厚度进行定期测量十分必要。此外，在汽车的生产过程中，同样要对其钢板厚度进行测量，由此来检测所用的钢板是否符合要求。本课题在对比了目前用于厚度检测的多种方法的基础上，选择了基于单片机的超声波车用钢板测厚系统进行了重点研究。所设计的测厚系统采用超声波脉冲回波法对钢板厚度进行测量，具有结构简单、操作方便等优点。测厚系统的硬件与软件设计是本课题的重点。其中硬件设计部分包括STC89C52模块、超声波发射与接收模块、独立按键模块、温度补偿模块和电源模块。软件设计部分采用C语言编写软件程序，程序包括主程序部分、计数器部分、键盘部分和温度补偿部分。关键词：超声波；单片机；测厚Design of an Ultrasonic Automotive Steel Plate Thickness Measurement System Based on Single Chip Microcomputer Abstract：Automotive steel plate will be corroded for various reasons during the long time running process, and serious corrosion can cause possible steel plate fracture. It is necessary to carry out regular measurement of the automobile steel plate thickness owing to the safety problem. Besides, there is also a need for the thickness measurement of the automobile steel plate during the manufacturing process to check if the used steel plate can meet the production requirements. In this work, different thickness measurement methods are compared and ultrasonic automotive steel plate thickness measurement system based on single chip microcomputer (SCM) is chosen as an ideal solution due to its advantages including simple structure and easy operation. The present thickness measurement system has employed the ultrasonic pulse echo method as the thickness measurement technology. Both the hardware and software designs are given. The hardware design part includes the STC89C52 module, the ultrasonic transmitter and receiver module, the independent key module, the temperature module and the power module. The software design part is finished in the form of C language software program, and the program includes the main program part, the counter part, the keyboard part and the temperature compensation part. Keywords：Ultrasonic; SCM; Thickness measurement ii目录第一章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 测厚系统11.3 超声波测厚研究现状及发展31.4 课题研究的主要内容3第二章 超声波测厚的基本原理52.1 超声波的介绍52.1.1 超声波的概念52.1.2 超声波的特点52.2 超声波测厚的原理82.3 超声波探头102.3.1 超声波探头的组成102.3.2 超声波探头的种类和功能112.3.3 超声波探头的工作原理122.4 超声波耦合剂的选择132.5超声波测厚系统的性能设计142.5.1基本性能参数设计152.5.2 基本功能设计152.6小结15第三章 车用钢板测厚系统的硬件设计163.1 硬件电路的总体设计163.2 单片机控制模块173.2.1 89C52单片机173.2.2 串口通信电路193.2.3 时钟电路203.3 超声波发射模块213.4 超声波接收模块223.4.1 回波信号放大电路233.4.2 中周调频电路233.4.3 计数器模块243.4.4 超声波测厚系统的测量范围253.5 显示模块253.6 独立按键263.7 温度补偿273.8 电源模块283.9 实物运行图283.10 小结29第四章 汽车钢板测厚系统的软件设计304.1 主程序软件设计304.2 计数器单元334.3 键盘单元354.4 温度补偿单元364.5 软件主程序364.6 仿真图394.7 小结39第五章 结论40参考文献41致谢42III第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义超声波技术的应用越来越广泛，超声波车用钢板测厚系统是其中一个很小的一个分支。我们常用的超声波技术应用包括超声波清洗、超声波测距、超声波焊接等等。超声波技术得到了越来越多的行业认可，将会有更多的行业应用超声波的各种技术。超声波测量车用钢板厚度，操作简单，测量快速。超声波测量车用钢板的最大优点在于可以单侧面接触测量。同时超声波车用钢板测厚系统具有测量精度高、安全无污染的优点。超声技术可以用于检测车用钢板厚度及其局部腐蚀、锈蚀的情况，因此对汽车的产品检验，安全行驶的监督起到一个十分重要的作用。1.2 测厚系统当下，测厚技术的种类很多很多。按照接触与否，可以分为接触式测厚和非接触式测厚两类。按照测厚的工作原理可以分为五类，下图为当前使用的测厚仪详细分类。测厚仪接触式测厚仪非接触式测厚仪机械接触式测厚仪超声波测厚仪射线测厚仪涡流测厚仪激光测厚仪光电码盘式测厚仪位移传感器式测厚仪超声波测厚仪射线测厚仪同位素测厚仪高频涡流测厚仪电容测厚仪激光测厚仪图1-1 测厚仪的分类1.机械接触式测厚技术根据使用的传感器的差别，可以分为位移传感器式和光电码盘式。机械接触式测厚技术的工作原理为：分别放置两个压头在被测工件的两个表面，然后测量这两个压头的位移或旋转的角度，以测算工件的厚度。本测厚技术的精度很高，但是测量范围很小。2.超声波测厚技术超声波测厚技术，主要工作原理是超声波脉冲反射原理。测量时，当超声波探头发射的超声波到达被测工件的分界面时，超声波脉冲会被反射回探头。由超声波在被测工件中的传播时间就可以计算出被测工件的厚度。由于本测厚技术测量精确，算法简单，本测厚系统将采用超声波测厚技术对车用钢板进行厚度测量。3.射线测厚技术当射线穿透被测工件时，射线的强度会发生变化，由射线强度与材料厚度之间的关系可以计算出被测工件的厚度。本测厚技术的优点为可以不受材质不受颜色的影响而且测量由一种材料构成的工件时精度很高。缺点为其测量容易受到温度的影响。本测厚技术大多用于塑料、薄膜等等。4.同位素测厚技术 同为素测厚技术原理为：当同位素的射线穿过被测工件后，射线的强度会衰减，通过射线强度的衰减与材料厚度之间的关系可以计算出被测工件的厚度。按照放射源的不同，同位素测厚技术又可以细分为两种，射线测厚仪与射线测厚仪。同位素测厚技术相比与其他的测厚技术，穿透能力更像，且相对稳定。5.涡流测厚技术 涡流测厚技术的原理为：将信号源产生的方波信号加在激励线圈的两端，会有周期脉冲电流产生在激励线圈之中。然后会感应出脉冲磁场且会迅速衰减，之后脉冲电流会在导体中被磁场感应出，脉冲涡流会传播进工件内部，与此同时会产生涡流磁场且会迅速衰减，而检测线圈会由于涡流磁场的衰减，感应电动势会随着时间变化。由瞬间感应电动势与被测材料厚度之间的关系，可以计算出被测工件的厚度。涡流测厚仪优点为价格便宜、结构线路简单。缺点为精度低，不稳定。6.激光测厚技术 激光测厚技术一般用于非透明板材的测量，能够实现不接触测量而且精度较高。测量原理为：在被测工件的上下两个表面用两束准直共线的激光去照射，这是被测工件上就会有两个光点，被测工件在这一点的厚度就是这两个光点之间的距离。测量点处的厚度经处理后转变为光信号，然后光信号会在光学传感器的作用下转为电信号，最后经过处理计算就能够得到被测工件的厚度值。1.3 超声波测厚研究现状及发展在20世纪30年代，超声波检测技术开始兴起。超声波测厚仪是由四十年代美国GM公司首次推出，现如今已经广泛用于工业检测诊断。GM公司的测厚仪工作原理是采用了共振法，但是共振法测厚仪只能测量内外面平行的厚度，测量精度小，范围也小等缺点，没有成为主流。由于脉冲反射法测量精准，算法简单，成为了超声波测厚的主流。脉冲反射法是通过测量超声波在被测工件中的时间，加上声速校正，由声速与厚度的关系，计算出被测工件的厚度值。在1944年和1946年，美国和英国分别对超脉冲式声波测厚仪研制成功，并且都能实现对钢板与钢管进行厚度测量。由于当时电子技术与集成电路不成熟，没有形成标准统一，未能得到推广。到了20世纪70年代，由于集成电路的成熟应用，使得超声波测厚系统的能耗大大降低。同时，随着可充电电池系统的问世，超声波测厚系统的体积和质量可以越做越小，与此同时，测量精度也得到了大幅提升。这个时代的超声波测厚仪由于信号的高频特性，无法对动态波形进行分析。20世纪80年代以后，随着电子技术的飞速发展以及计算机的出现，使得超声波测厚仪有可能对动态波形进行采集与分析。当单片机技术成熟并广泛传播与应用之后，相比较于老式的纯硬件超声波测厚仪，使用单片机的超声波测厚仪可以实现对声速和厚度进行设定，测量过程可由按键控制。最近，智能化超声波测厚仪开始出现，由于智能超声波测厚仪测量精度高，体积小，适合带到工作现场工作并且能够适应高空或水下灯等工作环境进行检测，在工业无损检测的领域的到了十分广泛的推广与应用。未来，超声波测厚技术除了体积小，精度高等优点之外，还将会具有多项功能，可以实现数据分析并能够判定被测工件的缺陷状况。1.4 课题研究的主要内容本文将详述一种基于单片机超声波车用钢板测厚系统，介绍其设计思路及各部分方案选型。因此，研究的主要内容如下：1、 分析超声波的传播特性及超声波在金属材料中回波反射情况，构建合理的超声波发射信号硬件电路，针对本课题的目标，进行算法改进，提高测厚精度；2、 介绍超声波测厚仪的厚度测量原理，包括系统的整体框架。对超声波系统的发射与接收部分进行介绍，能够明确各个部分的性能要求以及设计方案；3、 完成基于单片机的超声波汽车钢板测厚系统的硬件规划，并根据硬件使用C语言进行对应的软件程序的编写。第二章 超声波测厚的基本原理2.1 超声波的介绍2.1.1 超声波的概念声波的传播形式为物体机械振动状态或能量。声波的频率在2020000Hz之间，人耳是能听闻的。频率在2020000Hz以外的声波，是不能被人耳所感受的。当振动频率大于20000Hz，人耳听觉不能感受到的声波，被称为超声波。2.1.2 超声波的特点超声波的波长与其他声波的波长相比较短、方向性较好并且能够穿透不透明的工件。由于这一特性，超声波可以用于各种测量领域。超声波在传播过程中有良好的方向性且具有集中的能量，传播距离远且能在多种多样的介质中传播，并且超声波在介质中传播时会发生反射和折射。因此，超声波测厚原理的关键是超声波反射、折射。（1）超声波的反射和透射特性当超声波遇到两种不同介质的相交面时，有一部分声波会穿透这个相交面继续传播，而剩下的部分将会在相交面处被反射，如图2-1所示。图2-1声波在平面界面上垂直入射时的反射和透射情况反射和透射系数能够决定着反射与透射的声强的相对大小。当两种介质很好的耦合时，这种情况下，反射系数会接近0，透射系数会接近1。当两种介质耦合的比较差的时候，反射系数会接近1，透射系数会接近0。因此为了使透射系数接近于1，要保证两种介质很好的偶尔，对于固体之间，是非常有必要采用耦合剂的。（2）超声波的折射特性当超声波遇到两种不同介质，从介质1穿过交界面传播到介质2，由于不同介质密度不同，在两种不同介质交界面上，一部分声波被反射，另一部分声波会折射过交界面，然后介质2内继续传播。下图为超声波反射与折射情况。S反L反S折L折介质1介质2（2-1）图2-2 超声波反射与折射情况sin/C1=sin/C2在式（2-1）中，C1是入射超声波在第一种介质中的速度，C2时超声波在第一种介质中反射（或折射）的声速。由图知，是入射角，为反射角。由于超声波在相同介质中，当波形相同时，则声速相同。从而对于图2.2中L反的反射角与L的入射角是相同的。在同一种介质中，纵波的速度是要大于横波的速度的，所以，L的入射角是大于S反的反射角的。同样因为这个原因，L折的折射角是要大于S折的折射角的。 本式也被成为斯涅尔定律折射定律。（3）超声波的衰减特性在现实应用中，伴随着传播距离的不断增大，超声波在介质中传播的能量会渐渐的减弱，出现这种现象就是衰减。有以下三个主要方面会引起能量的衰减：1、由声束扩展引起的衰减当声波在介质中传播时，当传播距离不断增大时，非平面声波的声束也会不断地扩大。所以声能在单位距离上会因为距离的增大而变弱，声能的这种减弱称为扩散衰减。当在声场中原理声源时，球面波的声压p反比于至声源距离r，也就是p1r。而对于柱面波来说，则为p1r。平面波的声波不会随着传播距离的增大而减弱，所以平面波没有扩散衰减。2、由散射引起的衰减当实际材料中有杂质、不均匀的时候，会导致材料的阻抗不均匀，在这种情况下就会导致声波的散射。当超声波发生散射之后，超声波会在介质中沿着很复杂的路径传播，在这个过程中，热能会慢慢的被转化为热能。这种衰减就是散射衰减。3、由介质的吸收引起的衰减 由于介质具有粘滞性，超声波在介质中传播时，质点与质点间就会产生摩擦，就会使声能的一部分转化为热能。并且介质的内部之间还会因为稠密程度不同会进行热交换以及分子松散会吸收热能，这些现象都属于介质吸收。（2-2）综上可以看出，超声波在传播过程中的衰减情况很复杂，如果综合衰减，设P0为距离振源X=0处的声压振幅，PX为距离振源X的声压振幅。PX=P0e-x（2-3）其中为衰减系数。当介质为固体时，散射衰减系数s和吸收衰减系数a相加就是超声波能量的衰减系数：=s +a根据查询资料的结果，吸收衰减系数a与频率的关系为（2-4）a=c1f式中：C1是常数；f为超声波频率。从介质的晶粒直径和波长的关系来分析散射衰减系数，有以下三种情况：当d时，s=c2Fd3f4（c2为常数）。当d时，s=c3Fdf2（c3为常数）。当d时，s=c4F/d （c4为常数）。其中，F代表各向异性系数。通过以上的公式，我们可以看出超声波的频率对超声波的衰减有很大的影响。一般来说，频率越高，衰减会越大。正常情况下，晶粒的直径要比超声波的波长的数值小，所以，晶粒直径越大，衰减越大。对于本设计来说，要增加超声波发射探头的声强或选用低频探头来穿透车用钢板。2.2 超声波测厚的原理超声波检测的重要应用包含超声波测厚技术。在本小节中，将会对超声波测厚的原理进行研究，而且还会分析超声波测厚的各种方法。下面开始介绍超声波常用的测厚技术。（1）共振法测厚技术共振法测厚技术使用调制的正弦波信号激励压电晶片，晶片向被测工件发射频率连续变化的超声波。当被测工件的厚度为半波长的整数倍的时候，就会在被测工件内形成驻波，从而会产生共振。由试件的厚度d，在试件中传播的超声波波长，可得共振时： （2-5） 上式中，n为任意整数。当已知被测工件材料的声速c时，由c=f这个公式，就可以计算出发生厚度共振时的超声波频率为：（2-6）当n=1时，f的值就是基波频率。由上面的公式可以推算出，基波频率就是任意两个相邻谐波频率的差值，即：（2-7） 由以上的公式可以看出，厚度可以根据两个相邻谐波的频率的差值求得，即：（2-8）由上式，如果知道了fm和fn的值，则fm-fn=(m-n)f1，就可以求出厚度： （2-9） 只有当被测工件的两个表面平滑的时候，才能用共振法测量技术测量。而对于表面不光滑，不均匀的工件则难以用共振法进行测量，因此不用于本设计。 （2）脉冲反射法测厚技术 图2-3 脉冲反射法超声测厚工作原理图（2-11）（2-10）本方法是利用脉冲发射器发出一个脉冲，然后脉冲传输到探头上，利用压电效应将脉冲转化成声波脉冲后，最后射入被测工件中。当已知从发射超声波到接受回波信号t，当我们已知超声波在介质中的传播速度V，被测工件的厚度值D就能求出。D=VT2T=TA-TB其中TA、TB分别表示底波A的返回时间与底波B的返回时间。T的可以通过以下方式测量：把超声波从被测工件底面返回的波与从被测工件的界面反射回的波分别记为A、B，则把超声波B到A所用的时间记为T。前沿为界面波B，后沿为底面波A，A与B所形成的方波就是阀门脉冲。晶振脉冲可以由产生频率得知，然后将晶振脉冲与其阀门脉冲相与得到的脉冲计数器单元计算出T的值。由于测量过程简单，可以测量表面不均匀不光滑的工件，因此用于本设计。2.3 超声波探头 在超声波测厚的过程中，超声波探头可以实现超声波的发射和接收。超声波探头的好坏可以直接影响测量范围与测量精度。本超声波测厚系统使用的探头，是通过材料的压电效应实现电能与声能之间的转换。在超声波探头中，最重要的部件为晶片。晶片是单晶或者多晶体的薄片，它具有压电效应。晶片的功能是实现电能和声能的互相转换。图2-4 超声波探头实物图2.3.1 超声波探头的组成本设计采用的是超声波直探头，下面介绍超声波直探头的结构以及功能。图2-5 超声波直探头的结构本测厚系统采用的是纵波双晶直探头。双晶探头，这种超声波探头具有两个晶片，其中一个为发射器，剩下的一个是接收器。纵波双晶探头灵敏度高，响应迅速。表2-1介绍了双晶探头的组成部分与其各自的功能，表2-2为基于单片机的超声波钢板测厚系统所采用的超声波探头的性能参数。表2-1 双晶探头的组成和功能组成部分功能发射晶片发射超声波声束接收晶片将被测攻坚中返回的回波信号转换成电信号插座通过探头线与仪器相连接外壳铝合金材质，发挥支撑、保护和电磁屏蔽的作用隔声层在发射和接收仅晶片之间，贴合有隔声层延迟块晶片是粘结在延迟块上的，我们可以通过改变两个延迟块之间的夹角，来获得不同的焦距值。表2-2 超声波探头的性能参数探头型号特性测量范围（钢）直径频率接触温度5P10通用探头1.2-225mm10mm5MHZ-10-+605P10/9通用探头1.2-225mm10mm5MHZ-10-+607P6小管径0.75-60mm6mm7MHZ-10-+60TSTU32高穿透5.0-40mm（铸铁）22mm2MHZ-10-+60SZ2.5P高穿透3.0-300mm（钢）12mm2.5MHZ-10-+60ZW5P高温4.8-80mm12mm5MHZ-10-+3002.3.2 超声波探头的种类和功能常用的超声波探头有很多种类。不同的工件、不同的应用环境，需要与之适应的超声波去探头，才能得到更准确的测量结果与更精确的测量精度。表2-3 超声波探头的类别和用途类型类别优点和用途直探头纵波探头横波探头优点：适用于探测晶片正下与声束方向垂直的情况；检测灵敏度高；探测深度较大，适用范围较广。用途：用于锻件、钢板超声波探伤。斜探头纵波斜探头横波斜探头表面波斜探头优点： 能够对探头斜下方不同角度进行探测，灵敏度较高但是探测深度小。用途：可以用于裂缝或者寒风检测，同时，也可检测零件。 带曲率探头周向曲率探头径向曲率探头优点：可以改变超声波的入射方向。用途：对无缝钢管、简单铸件、轴类工件等轴向缺陷进行检测。 聚焦探头点聚焦水浸水式探头线聚焦水浸式探头点聚焦接触式探头线聚焦接触式探头 优点：方向性较好，可以用来探测曲面零件与晶片垂直方向上一定深度的缺陷。 用途：由于其声束尺寸小，检测的灵敏度和分辨率较高。水浸式聚焦探头要求耦合剂为水，常用于分析材料性能和细小缺陷，检测精度高。表面波探伤表面波斜探头对被测工件的表面光洁度要求比较严格。此种探头探测深度浅，能量低。2.3.3 超声波探头的工作原理压电效应是超声波发射和接收超声波所利用的原理。超声波探头具体的工作原理为：压电晶片上会加上由超声波发射电路产生的交变电压，有两块面积相同的金属极板在压电晶片上，当电压到达两金属极板后，二者会分别产生等量的异种电荷，并形成电场，由此产生了电场力。压电晶片具有良好的压电效应，压电晶片会在电场力的作用下发生形变，这种效应是逆压电效应，是超声波探头发射超声波的过程。同样，压电效应会受到返回的回波信号作用，压电晶片会在交变的拉与压的作用力下产生交变电场，这种效应是压电效应，是超声波探头接收超声波的过程。在选用探头时，一定要满足测厚系统的测量范围与测量精度。要求超声波探头对超声波信号受温度变化的影响以及衰减程度一定要尽可能的小。超声波探头有如下的三个性能指标：（1）工作频率。当晶片的共振频率与加到超声波探头两端的交流电压的频率相同时，可以输出最大能量并且能够获得最高的灵敏度。一般用示波器活频谱仪测定；（2）工作温度。当超声波探头的工作温度比较高的时候，就不能够长时间稳定工作，并且有可能失效；（3）灵敏度。超声波探头晶片的本身制造决定了探头的灵敏度。机电耦合系数越大，其灵敏度也会越高。超声波测厚仪与探头的匹配程度的好坏也会影响灵敏度。2.4 超声波耦合剂的选择 当超声波测厚探头直接与被测工件接触时，就会有一层空气薄层在超声波探头与工件之间。这层空气薄层将会引起对超声波信号造成十分大的干扰，并且会导致超声波信号的衰减，严重影响测厚的精度。因此，就需要一种物质去消除这层空气薄层，于是就有了超声波耦合剂。当在被测工件表面涂上超声波测厚专用耦合剂之后，这层空气层就会被排挤掉。这样，超声波探头就可以正常发射和接收通过被测工件的超声波。耦合剂是测量过程必需的，在实际应用之中，我们会用耦合剂排挤掉探头与超声波之间的空气层。下图就是超声波测厚专用的耦合剂。图2-6超声波测厚专用耦合剂耦合剂是测量过程中不可缺少的部分，它是实现声能从探头向被测工件传递的重要介质。我们要求耦合剂要有良好的浸润性，并且能够很好的附着在被测工件的表面。为了能够保证声能损耗较少，要求超声波测厚的专用耦合剂阻抗性能要好，大概要与被测工件相近。同时，对于超声波测厚专用耦合剂，要求其价格要低、清洗要简单容易并且无毒无害，不会腐蚀工件。我们常用的耦合剂有胶水、机油、自来水等等，常用的耦合剂的参数如下图所示。表2-4 常见耦合剂的参数耦合剂密度g.cm3声速 103m/s声特性阻抗106kg/m2.s水（10）1.01.481.48机油 0.92 1.391.28水玻璃（体积分数33%）1.26 1.722.17甘油（纯） 1.27 1.882.382.5超声波测厚系统的性能设计本测厚系统采用的是单片机控制的便携式测量装置。本测厚系统构造简单，易于操作，成本较小。2.5.1基本性能参数设计其基本的性能参数如下：1）显示最小单位：0.01mm；2）工作频率：5MHZ；3）测量范围：0.12mm-120.00mm；4）使用误差：（1T+0.1）mm，其中T为被测物的实际厚度；5）电源：USB外部供电。2.5.2 基本功能设计本系统可以实现下列功能：1）超声波接收探头能够实时的接收有用的回波信号，实现对车用钢板厚度的测量；2）能够显示实时厚度值；3）能够显示实时温度值；4）能够存储之前测量的两组厚度值。2.6小结本章介绍了超声波的性质和其主要的应用，概述了超声波探头与耦合剂，详细介绍了超声波测厚度的方法，给出了本测厚系统的总体设计。本系统可以实现对汽车钢板厚度的测量并且能够储存两组测量值。第三章 车用钢板测厚系统的硬件设计对于基于单片机的超声波车用钢板测厚系统的硬件部分，核心部分是单片机微处理器。单片机功能十分强大，负责管理控制整个系统的工作。本测厚系统的关键部分是超声波发射电路和接收电路。在系统运行的过程中，超声波回波的微弱信号要经过一定的放大并且能够抵抗外界的干扰。超声波测厚能够得以实现需要计数器电路。本系统的输出终端为液晶显示模块。电源系统为整个系统提供运行的动力来源。3.1 硬件电路的总体设计在上一章的性能要求和功能设计的基础上，本系统的硬件设计包含了如下模块：电源模块、单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块、计数器模块、液晶显示模块、键盘模块、温度补偿模块。下图为超声波测厚系统的硬件结构图。单片机控制电路计数器电路超声波接收电路超声波发射电路探头被测工件232通信电路储存及实时时钟电路液晶显示电路键盘电路温度电路图3-1 结构示意图厚度测量过程：首先，接通键盘电路，在单片机的控制下，发射电路会产生高压脉冲信号，从而让探头能够发射超声波。此时，开始清零计数器，在单片机的控制下，建立阀门脉冲的前沿。当超声波到达工件底部时，会返回，并且返回的声波信号会被探头接收，接收电路会对声波信号进行放大、中周选频，通过74HC211芯片建立阀门脉冲，记发射脉冲为脉冲的前沿，接收到的回波脉冲为阀门脉冲的后沿，则阀门脉冲为超声波在被测工件内入射和反射所使用的时间。计数器电路会将25MHZ的晶振脉冲与这阀门脉冲相与进行计数。计数器将会在超声波传播的时间内，对振荡脉冲的个数进行计算，然后就可以得到测量工件所花费的时间，然后将时间值传输到单片机进行计算。最后，计算的厚度值的结果通过液晶显示电路显示。3.2 单片机控制模块单片机是一种集成电路芯片，单片机将CPU、RAM、ROM、I/O口、定时器、计数器、中断系统等通过集成电路的技术集成到一块硅片上，从而构成了一个微型的计算机系统。单片机系统结构简单，稳定性好，可以用来生产便携式产品。3.2.1 89C52单片机STC89C52系列单片机是STC推出的新一代单片机，具有高速、低功耗以及抗干扰的特点。STC89C52单片机具有以下的工作特性：1）对传统8051系统的指令代码全部兼容，可选择每机器周期12时钟，也可以选择每机器周期6时钟；2）工作电压：5.5-3.3V；3）工作频率：工作频率的范围可达0-40MHz，在实际使用过程中，工作频率可以达到48MHZ；4)用户应用程序空间：4K/8K/13K/32K/64K字节；5）片上集成128字节或512字节RAM；6）有35个输入端口，59个输出端；7）不需要专用的编程器和仿真器，就可以对系统和应用进行编程。可以在短时间内通过串口对应用程序直接下载；8）有EEPROM功能；9）看门狗；10）定时器/计数器共有3个，其中可以用来作为2个8位定时器使用的是定时器0；11）有4路的外部中断，中断触发方式为下降沿触发或者是低电平触发；12）具有通用的异步串行口；13)工作温度范围：-40+85C。 STC89C52系列单片机的内部结构框图如下图所示。CPU、RAM、ROM、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块都是属于STC89C52单片机的。图3-2 STC89C52系列内部结构框图本系统采用的STC89C52单片机是本套测厚系统的核心。它既连接着发射接收电路，控制超声波的发射和回收信号的接收与调制。又控制着计数器电路，使计数器模块能够读出有效的脉冲。STC89C52单片机还与显示模块相连，使测量值能在LCD显示屏显示出来。另外单片机还与时钟信号相连，记录系统的采集时间。下图是STC89C52单片机的接口电路图。图3-3 STC89C52单片机接口电路图3.2.2 串口通信电路本系统使用MAX232芯片实现RS-232电平与TTL电平转换。MAX232芯片的生产公司为MAXIM,有一个电源电压变换器在芯片内部，同时，驱动器IC芯片和两路接收器都是MAX232的组成部分。通过内部的电源电压变换器，可以把输入的5V电压变成10V电压以供RS232使用。因此，在RS232的使用过程中仅仅需要一个5V电源就可以。图3-4 MAX232引脚结构与外围电路图其中，右图中，上半部分为电源转换部分，包括C1-4和V+、V- 。右图中，下半部分包含了两个部分，一个是接收部分，另一个是发送部分。STC89C52单片机的串行发送端TXD可以直接接到MAX332的T1IN或者T2IN，串行接收端RXD可以直接接到MAX332的R1OUT或R2OUT.同时，RS232串口的发送端可以直接接到MAX332的T1IN或者T2IN，接收端可以直接接到MAX332的T1IN或者T2IN。在MAX232芯片的连接过程中，一定要将发送、接收的引脚对应。如果引脚不对应，将会对芯片造成损害。3.2.3 时钟电路本系统的时钟电路选用了DS1302芯片，该芯片是由DALLAS公司推出的。DS1302芯片可以与单片机进行通信，是通过简单的串行接口。在DS1302的内部，有31字节的静态RAM和一个实时时钟电路。可以实现每月天数和闰年的自动调整，同时能够提供从年到秒的信息，十分详细。时钟的操作上可以由AM/PM的指示，然后选用12/24的小时格式。我们将用RES复位、I/O数据线/SCLK串行时钟这三个接口与单片机进行简单的通信。DS1302芯片被广泛用于便携式仪器，其主要拥有以下特性： DS1302能够计算2100年以前的年、月、日、时、分、秒，而且能够对闰年进行调整； 拥有8位暂存数据存储RAM； DS1302管脚数量最少； 其工作电压在2.0-5.5V之间； 在2.0V的工作电压下，电流小于300nA； 有单字节传送和多字节传送字符组两种方式可以再读或写时钟或RAM数据时钟时使用； 具有简单的3线接口； 拥有8脚的DIP封装或SOIC封装； 其工作温度范围在-40-+85之间； 其电源为5V，与TTL兼容； 拥有双电源管。下图3-5为DS1302管脚图：图3-5 DS1302管脚图1) VCC1为备用电源；2) VCC2为主用电源引脚；3)GND为接地；4)RST为复位引脚；5)I/O为串行数据引脚；6)SCLK为串行时钟引脚；7) X1、X2为DS1302的外部晶振引脚。3.3 超声波发射模块超声波发射电路的发射信号的好坏，会直接影响测厚系统回波信号的质量。我们应该选取性能好的传感器并且设计出好的发射电路。其中，超声波探头的压电晶片的性能决定着超声波的发射频率。在本测厚系统中，超声波的产生方式为：自激荡电路有施密特触发器构成，然后产生了超声波。其中一款高速的CMOS器件74HC14是施密特反相器的组成部分。它有下列几种用途：可以用来对输入型号的波形进行整形，能够实现6路信号的反向输出；还能够成为非稳态或者单稳态的多谐振荡器。在本系统中，设计方案是通过RC积分电路将输入端与74HC14芯片的反向输出端相连接，构成一个施密特触发器。接通电源之后，74HC14的6脚反向输出端为高电平，因为电容的起始电压为0。同时，向电容C201开始充电，通过电位器VR101和电阻R201。当输入电压V1等于VT+时，这时开始低电平输出，在这个时候电容开始放电，经过电阻R201。当放电至V1等于VT-的时候，又会开始高电平输出，然后对电容C重新开始充电。电路会一直这样反复，会不停地进行充放电，一直在振荡。我们调节振荡周期是通过调节电阻VR101的电阻的大小实现的。方波脉冲通过自激振荡产生之后，脉冲会在74HC14的作用下被反向放大，然后从输出端输出。下图为超声波发射电路。图3-6超声波发射电路图上图中，VN2406是一个NMOS管，其中，电阻R202有加速MOS关断的作用。VDD1会接入一个低电压，形成一个低电势。电流在电感L201中会伴随着输入电压的不断增大，L201一直在储能，最终会形成交变电流。在这里MOS管会起到一个开关管的作用，在右侧输出端会得到与输入端频率一样的波形。二极管是具有单向导电性，通过这一特性，我们可以使用二极管将交流电转变为方向单一的直流电。 NCOS管的导通和闭合是通过单片机控制发射电路，控制是通过74HC14的反向。脉冲通过控制信号进行控制，然后高电压的脉冲信号就会传输到超声波探头，从而通过超声波测厚的探头来发出超声波。3.4 超声波接收模块超声波的回波信号会在测量距离特别大的时候会变的很小很小，所以超声波转换过来的电信号的幅度在电路中也很小，因此需要对信号进行放大处理。而且要处理掉回波信号中的无用的波形信号，处理完之后的波形会形成一个阀门脉冲，会用一个25M的晶振进行调制，然后脉冲会被传输到计数器内，紧接着进行计数处理，最后得出测量厚度所用的时间。超声波接收模块由超声波信号放大电路、计数器模块、中周选频电路构成。3.4.1 回波信号放大电路在本系统中，回波信号会经过三极管三级放大。下图为多级放大器的组成图。信号源输入级中间级输出级负载图3-7 多级放大器的组成框图输入级与中间级的功用是对电压进行放大，输出级的功用是放大功率，以此实现放大，推动负载工作。在本系统中，由于只能接受到十分小的回波信号，所以要对信号进行放大。在图3-8中，电阻R302和电位器VR301可以对电压进行调节，能够对三极管C301提供一个1.5V的窄波信号。三极管Q301、Q302、Q303组成的三级放大器将会对回波信号与1.5V信号叠加后的信号进行放大，本设计采用阻容耦合的方式实现三级放大。变压器T301的工作是通过Q304来控制的。图3-8 超声波回波信号放大电路3.4.2 中周调频电路中周调频电路的组成部分包括：底座、支架、磁心、线圈、磁冒和金属屏蔽罩。在本系统中，中周调频是当电路调谐与回波信号的频率相同时，可以实现对回波信号的放大程度的最大化，而且能够对其他的频率进行抑制。图3-9为中周调频电路。图3-9 中周调频电路在图3-9中，中周变压器为T301，电感线圈在其左侧，电感与电容C305以并联的方式连接，组成了并联谐振电路。选用中周电路有利于提高接收的灵敏度，减少各种干扰。在对被测工件测量时，需要对中周进行精确的调试，可以实现回波频率和其频率是一样的，以此来实现精确的测量。3.4.3 计数器模块（3-1）在本系统运行时，只要检测到被测工件的存在，接收电路就会同时输出一个信号，然后计数器就会开始计数。在本设计中，采用的是74HC393计数器，为8位计数器，可以通过计数上限可以计算出能够测量的厚度值为：S=285900251032=30.208mm（3-2）上式中5900是20时超声波在钢材中的传播速度，25M晶振产生一个脉冲的时间宽度为1/（25*103）。由于设计之初的测量上限为120mm，而74HC393不能满足这个测量上限。后来通过将74HC393的最高输出端接到STC89C52单片机的P5和P6折两个管脚，然后设置P5为上升沿，P6为下降沿。上升沿触发的条件是，读到脉冲个数从127到128变化。下降沿中断触发的条件是，读到脉冲个数从255到0变化。记录中断的次数，通过这样的方式，可以测得的厚度为： S=27a+b+c5900251032（3-3）上式中，上升沿中断的触发个数为a，下降沿中断的触发个数为b，74HC393脉冲的计数为c。本系统选用的超声波探头的测量范围是1.2-225mm，因此需要对变量a和b进行0-9的整数的设置。同时，c127，可以求得可测量的最大厚度值为：S=279+9+1275900251032=286.855mm3.4.4 超声波测厚系统的测量范围 由3.4.3可以得出，本汽车钢板测厚系统在20时可以对钢材实现的测量的最大厚度为286.858mm。（3-4） 计数器通过一个脉冲时的值就是本系统可以测得的最小值：0.0415.92=0.12mm式中，0.04us是一个脉冲的时间宽度，5.9mm/us是声音在20时，在钢材中的传输速度。所以，本基于单片机的超声波汽车钢板测厚系统的测量范围是0.12到286.85mm。由于探头的测量范围是1.2mm-225mm，从而实际可实现的量程为1.2mm-225mm，符合了设计的要求。3.5 显示模块本系统采用的是1602的液晶显示屏，1602代表着每行可以显示16个字符，一共可以显示两行。下图为1602的引脚功能数据表。表3-2 1602引脚功能数据表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Date I/O2VDD电源正极10D3Date I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Date I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Date I/O5R/W读/写选择端（H/L）13D6Date I/O6E使能信号14D7Date I/O7D0Date I/O15BLK背光源正极8D1Date I/O16BLK背光源负极下图为1602的开发板电路图：图3-10 1602电路图1602的使用注意事项：1.LCD1602是以ASCLL码对写进去的数据字节进行识别，因此，要以ASCLL码对显示的字符进行编写；2.在操作LCD1602之前要进行初始化； 3.LCD1602可以对字符进行自定义；4.调用显示数据可以通过调用字符数组的形式。3.6 独立按键本设计采用了4个独立按键，分别接在了单片机的P3.0到P3.4口。下图为开发板独立按键电路图：图3-11 独立键盘电路图机械按键之所以能够实现开关的作用，是利用了机械的接触。在机械接触时，会经过由接触不稳定到正在稳定，最后才能够彻底稳定。这样就会产生按键抖动，我们采用了软件延时的方法去抖动，过程如下：1. 首先对IO口进行高电平设置；2.然后确认按键时候按下；3.当有低电平的IO口时，设置延时；4. 再次读取是否有低电平的IO口，如果有，说明对应按键按下；5.最后对按键的程序进行执行