基于单片机的便携式厚度测量仪的系统设计说明

1、基于单片机的便携式厚度测量仪的系统设计摘要在石油化工领域中，油汽的运输与储存过程中，运输管道和储油罐会因为各种原因受到腐蚀的影响，管道壁和油罐壁的厚度会因此减小，当腐蚀程度严重时，会导致油汽的泄漏，甚至引起爆炸，造成人员伤亡，所以，需要定期对使用设备进行检测、记录和分析。而在所有检测的指标中，厚度值则是能够反映其腐蚀程度和安全性能的重要指标。本次课题研究目的是开发一种基于单片机的便携式超声波测厚仪，其具有体积小、易携带的优点，可以实现高精度厚度测量，对于不同材料的被测物体有多种测厚模式选择，并且实现了对测厚数据的记录与保存等功能。本论文主要从以下三个方面展开研究：首先,论文对现代工业领域常用的

2、测厚技术做了介绍,然后详细介绍了本次测厚仪采用的超声波测厚原理,并对超声波以与超声波的应用作了简单的概述。着重分析了脉冲回波法测量厚度的原理与方法,同时介绍了超声波探头的分类和耦合剂的选择。其次，针对本次课题所设计的便携式超声波测厚仪的硬件电路作了详细的说明。将电路部分分成了单片机控制电路、发射电路、接收电路、液晶显示电路和按键电路，分别说明了各电路模块的电路结构和工作原理，并对电路设计中所使用的芯片作了简单概述。最后，根据硬件电路的设计结合功能要求，对软件程序进行了设计。程序设计采用C 语言编译，分为初始化程序、发射超声波程序、接收超声波程序、中断程序等。关键词：测厚仪，超声波，单片机I /

3、 45TheThe thicknessthickness ofof thethe portableportable measuringmeasuring instrumentinstrument systemsystem designdesignABSTRACTABSTRACTIn the petrochemical industry, transportation and storage of oil and gas in the process, pipelines and storage tanks will be affected by corrosion due to various

4、 reasons, the thickness of the pipe wall and the tank wall will therefore decrease when severe corrosion, will lead to leakage of oil and gas, and even cause an explosion, causing casualties, therefore, the need for regular use of the device for testing, recording and analysis. In all tests the indi

5、cators, it is possible to reflect the value of the thickness of the corrosion important indicator of performance and safety.The purpose of this research is to develop a microcontroller-based portable ultrasonic thickness gauge, which has a small, easy to carry advantage, you can achieve high-precisi

6、on thickness measurement, the object of different materials for a variety of thickness measurement mode is selected, and the realization of the thickness measurement data, such as recording and preservation of function. In this thesis, a study from the following three aspects:First, the paper common

7、ly used in modern industry thickness measurement technique have been described, and details of the ultrasonic thickness gage uses this principle, and the application of ultrasound and ultrasound briefly summarized. Analyzes the principle and method of measuring the thickness of the pulse-echo method

8、, also introduced to select ultrasonic probe classification and coupling agents.Secondly, the subject of this portable ultrasonic thickness designed hardware circuitry described in detail. The circuit portion into the chip control circuit, a transmitting circuit, a receiving circuit, a liquid crysta

9、l display circuit and the key circuit, respectively, illustrate the working principle of the circuit structure and circuit modules, and the chip used in the circuit design are briefly summarized.III / 45Finally, based on a combination of hardware circuit design functional requirements of software pr

10、ograms are designed. Programming using C language compiler, into the initialization process, transmit ultrasound procedures, receiving ultrasound procedures, interrupt procedures.KEYWORDS:KEYWORDS: thickness gage, ultrasonic, SCM目录摘要 IABSTRACTII1 绪论 11.1 课题研究的背景和意义 11.1.1 测厚技术 11.1.2 超声波测厚技术的发展 31.1

11、.3 本次课题的意义 41.2 本测厚仪的特点 41.3 研究过程中遇到的难点和问题 51.4 课题结构安排 52 超声波测厚的基本原理 62.1 超声波的介绍 62.1.1 超声波的定义 62.1.2 超声波的主要参数 62.1.3 超声波效应 62.1.4 超声波特性 62.1.5 超声波的应用 72.2 超声波测厚原理 72.2.1 脉冲透射法 72.2.2 脉冲回波法 82.3 超声波探头 92.3.1 超声波探头的种类 92.3.2 超声波探头的性能指标 102.3.3 超声波探头的工作原理 112.3.4 超声波探头盲区 112.4 超声波测厚仪的耦合剂 112.5 本次超声波测厚

12、仪的性能参数 122.5.1 性能参数 122.5.2 基本功能 122.6 本章小结 123 超声波测厚仪的硬件设计 133.1 总体设计 133.2 单片机控制电路 143.2.1 STC89C52153.2.2 STC89C52 引脚说明 163.2.3 STC89C52 的最小系统 173.3 发射电路 183.3.1 振荡电路 183.3.2 驱动电路 203.4 接收电路 213.4.1 CX20106A223.4.2 CX20106A 部构成 223.4.3 CX20106A 引脚注释 223.4.4 CX20106A 工作原理 233.5 液晶显示电路 233.5.1 LCD1

13、2864 简介 243.5.2 LCD12864 的特性参数 243.5.3 LCD12864 引脚说明 253.6 本章小结 254 超声波测厚仪的软件设计 274.1 主程序设计 274.2 系统初始化设计 294.3 超声波发射程序设计 304.4 计数单元设计 314.5 中断程序设计 324.6 按键单元设计 334.7 本章小结 345 课题总结 355.1 课题研究所得成果 355.2 课题研究中遇到的问题 35V / 45致 36参考文献 37附录 I 常见材料声速表 39附录 II 主函数程序 40附录 III 设计原理图 411 绪论1.1 课题研究的背景和意义厚度测量时日

14、常生活中非常常见的事情，但是传统的用尺子进行厚度测量有很多缺点，比如测量不精确，对测量方式有很多限制，等等。在科技日益发达的今天，厚度测量的方法和仪器也应该有所进步。本次设计就是为了改变传统的测量方式，使厚度测量更简便更准确。在科技水平日益发达的今天，厚度也成为了各个领域检测产品质量的重要指标，例如，石油化工领域中，在石油的储存和运输中，对储油容器和运输管道的厚度都有严格的要求，需要定期对其厚度进行检测；建筑业中，钢板的厚度不仅对整个工程的成本就较大影响，还直接决定了房屋的安全性能；对于船体制造行业，由于海水的腐蚀特性，也需要对船体厚度进行精确测量，保证航行稳定与安全。由此可以看出，对于材料厚

15、度的精确测量的要与日俱增，同时，如何快速、便捷、准确的测量厚度，也成为的各个领域所面临的共同问题。本次课题所研究的便携式厚度测量仪就是根据当前社会对不同材料进行快速、便捷、准确测量要求而研制的。1.1.1 测厚技术目前，国外在厚度测量仪的研制中所采用的测厚技术有很多种类。根据中国电子科技集团电子七十二研究所贾治国的总结，可以把测厚仪按照不同形式划分为接触式和非接触式两种，具体划分，又可按照工作原理的不同划分为激光、超声波、涡流、X 射线、 射线等测厚仪。对测厚仪按不同原理的分类如图 1 所示。1 / 45测厚仪接触式非接触式机械 接触式 超声波射线涡流激光光电码盘式位移传感器式X 射线同位素高

16、频涡流电容超声波激光图 1-1 测厚仪原理分类（1）机械接触式测厚技术机械接触式测厚仪根据原理不同，又分为光电码盘式测厚仪和位移传感器式测厚仪。其原理是把两个压头分别置于被测工件的上下或外两个表面上，通过测量两个压头的旋转角度或位移来测量被测工件的厚度。机械接触式测厚仪具有很高的精度，可达到0.001mm，但是测量围有限，只能测量 1-5mm 的厚度12。（2）超声波测厚技术超声波具有较好的指向性，超声波测厚技术就是根据这个特性，通过超声波在不同介质面发生折射和反射的原理来实现3。超声波测厚技术在当前的工业领域应用非常广泛，不仅可以用来测厚，根据其原理还可以用来进行探伤、测距、测定液位，以与鉴

17、别材料的杂质4。（3）X 射线测厚技术X 射线测厚技术利用 X 射线穿透被测物时，其强度变化与材料的厚度相关的特性来测定物体的厚度。发射一定强的的 X 射线，当穿透被测工件时强度会被吸收掉一部分，穿过被测工件到达接收探头检测器的是强度衰减的射线，测得发射强度和接收强度就可以测出被测工件的厚度56。X 射线测厚技术的优点：测量单一材料的物体是精度很高；不受被测工件材料和颜色的影响。其缺点包括易受环境温度和材料波动的影响；通电时有很强的放射性，需要很高的防护。在实际应用中 X 射线测厚仪多应用于塑料薄膜、铝箔、薄钢板等材料的厚度测量7。（4）同位素测厚技术由宝钢的玲的材料可知，同位素测厚技术的原理

18、同 X 射线测厚技术相类似，都属于射线式测厚技术，利用的是同位素射线穿过被测物体后，其强度发生衰减，衰减程度与被测工件厚度相关的原理研制而成的89。根据所使用放射源的区别，又可以分为 射线测厚仪和 射线测厚仪。 射线测厚仪常用在造纸、橡胶、塑料等工业生产中与控制金属镀层的厚度。 射线测厚仪一般应用于板、管、膜等产品在线测厚控制， 射线与其他射线相比，有更强的穿透力，且相对稳定1011。（5）涡流测厚技术涡流检测技术室近年发展起来的一种新的检测技术。脉冲涡流技术的原理是：信号源方波信号加到激励线圈两端，激励线圈中产生周期的脉冲电流，从而感生出快速衰减的脉冲磁场，检测线圈随着涡流磁场的衰减，感应出

19、随时间变化的电压，由于脉冲涡流在导体试件部的传播过程是逐渐衰减的，因而对于不同厚度的导体试件，最终得到的检测线圈上的瞬态感应电压信号的波形是不同的，利用被测物体的厚度与这种瞬态感应电压信号的关系，便可以求出被测物体的厚度值12。根据严仍春的报告，涡流测厚技术主要应用于覆层厚度的测量，根据覆层材料和基体材料的不分为复合镀层厚度测量、非磁性金属上非导电层厚度和磁性金属上非磁性覆层厚度测量三种13。涡流式测厚仪造价较低且易于制造、检测线路简单。但其精度降低较快、稳定程度不够高、难以长期使用14。（6）激光测厚技术激光测厚利用的是激光亮度高、方向性强切抗干扰能力强的特点。激光测厚技术的工作原理为：把两

20、束准直并共线的激光光束照射在被测工件的上下表面，形成了两个光点，两个光点之间的距离就是被测工件在这一点的厚度，把被测点处的厚度信息转变为光信号，通过光学传感器把光信号转变为电信号，再经过计算机的处理就可以得出厚度值。激光测厚技术可以实时的测定移动的被测工件并且测定精度高、敏感度高。由于收表面的反光强弱和粗糙程度的影响，其静态时的测量精度比较低，而当低速平稳运行时的精度高15。激光测厚技术通常应用于非透明板材的厚度测量，特别是对板坯和中厚板的厚度测量，可以实现在线、实时和非接触高精度测量，可以实现在条件极差的热轧钢生产线上的对轧制厚度的控制盒管理1617。1.1.2 超声波测厚技术的发展超声波检

21、测技术起始于 20 世纪 30 年代，由联 Sokolov 首先提出。在第二次世界大战后出现了以 Sokolov 实验的系统为原型，使用穿透法的第一代超声探伤仪18。同时，根据超声脉冲反射为依据的声纳设备在法国出现，并且成功的应用于对德军水下潜艇的监测。此后美英两国在 1944 年和 1946 年分别成功研制了脉冲反射式超声波测厚仪，并3 / 45成功应用于厚钢板和钢管的厚度测量但是这类超声波测厚是建立在石英压电晶体和电子管器件的基础之上的，很难建立统一的标准，不便推广使用2021。到了七十年代超声波测厚系统的半导体化使测厚的能耗大幅度降低，集成电路的普与和应用，充电电池供电系统的问世，使系统

22、的体积和质量不断减小，性能和测量精度不断提高。但此时因为信号的高频特性，超声波检测仅能使用模拟信号进行分析，对于动态波形难以观察和分析。八十年代后，计算机技和高速元件的不断涌现，使超声波信号额数字化采集和分析逐渐成为可能。随着现代电子技术的发展，微机技术特别是单片机技术得到广泛的传播和使用，采用单片机设计的测厚仪相对老式的纯硬件结构，不仅在电气性能和物理性能上有论文很大的提高，而且可以使测厚系统的声速设定和厚度设定等操作实现智能化，实现 PVC 面膜式结构，全测量过程由按键控制。数字化超声波测厚仪在世界主要的工业国家得到迅速的发展，如美国的 magnaflux 公司，德国的 K-K 公司，法国

23、的 SOFRATEST公司和加拿大的 R/D TECH 公司，他们的超声波测厚仪产品中的数据采集、检测、分析和处理技术在世界上处于领先水平。相对于国外的超声波发展，国主要研究容包括：高精度探头的研发；单片机、DSP 的应用时测厚仪的体积小型化；对回波信号的超声波数字信号处理技术；扩展功能的开发和研制；友好界面的操作系统。今年来国问世了很多超声波测量系统的产品，在精度和功能上已经逐渐与国外公司的产品相接轨1922。未来超声波测厚技术将向超小型化、高精度、低功耗、多功能发展、同时兼具厚度分析功能，可以通过历史数据的变化趋势，来分析工件的腐蚀或缺陷情况23。1.1.3 本次课题的意义在石油化工行业，

24、经常涉与到石油的储存和天然气的运输，而石油的储存容器与天然气的运输管道在厚度上必须达到工业要求。但是，一旦这些设备投入使用，就不能采用在被测物两端各置一个传感器的测厚方法，而且为实现对被测物的多点测厚，所使用的测厚设备的体积不能过大，传统的测厚仪一般是进行单次测量，不能实现实时检测的目的。本次课题所研制的测厚仪，利用超声波原理，只需要一个探头，就可以对被测物进行厚度测量并且具有实时检测功能，而且具有体积小、携带方便等优点。1.2 本测厚仪的特点（1）控制系统采用的 51 单片机，具有体积小，功能多，方便操作的特点。（2）测厚围为 1.2mm-225mm。（3）可以对不同材质的物体测厚。（4）通

25、过 LCD12864 液晶显示，可以显示汉字，并且显示容丰富。（5）测量时，并非单次测量，而是实时采集数据。（6）硬件电路简单，易于检测故障。1.3 研究过程中遇到的难点和问题（1）超声波原理学习。由于对超声波相关知识的缺乏，需要学习超声波的基本原理。（2）电路设计。本超声波测厚仪有由多个模块电路组成包括驱动电路、接收电路、单片机控制电路、显示电路、按键电路等，每个模块电路不仅要具有相应的功能，而且要和其他电路进行数据传输。（3）元器件选择。包括超声波探头在，电路中所使用的每一个元器件都要经过计算后才能使用，既要保证电路功能的实现，又要保证电路运行的安全。（4）盲区设置。由于本超声波厚度检测仪

26、采用的是超声波直探头，所以必须对检测盲区进行设定，需要进过大量的实验和数据分析得到。1.4 课题结构安排本次课题的论文共分成五个章节，各个章节容如下：第一章为绪论部分，对当前常用的测厚技术与原理作简单概述，并着重介绍超声波应用的发展历史和趋势。第二章对超声波测厚的原理进行详细介绍，并对本次课题设计的超声波测厚仪所使用的探头和耦合剂的选择作简单介绍。第三章着重介绍本次课题设计的超声波测厚仪的硬件电路部分，按照电路的功能不同，可以分成驱动电路、接收电路、单片机控制电路、显示电路、按键电路来分别介绍。第四章着重介绍本次课题设计的超声波测厚仪的软件部分，详细说明如何通过程序实现各电路模块之间的数据传输

27、以与单片机对各电路模块的控制。第五章是对本次课题的总结。5 / 452 超声波测厚的基本原理2.1 超声波的介绍2.1.1 超声波的定义科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为 20Hz20kHz。当声波的振动频率小于 20Hz 或大于 20kHz 时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于 20kHz 的声波称为“超声波” 。2.1.2 超声波的主要参数超声波的两个主要参数：（1）频率：F20kHz（在实际应用中因为效果相似，通常把 F15kHz 的声波也称为超声波） ；（2）功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常 p0.

28、3W/cm2。2.1.3 超声波效应（1）机械效应超声在介质中前进时所产生的效应。 （超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应）。超声波的机械作用可软化组织，增强渗透，提高代，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。（2）温热效应当超声波在物体中传播，其能量不断地被物体吸收而变成热量，其结果是使物体己身的温度升高。产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程，即生热。（3）理化效应超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。2.1.4 超声波特性（1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。（2）超声波能在各

29、种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏物体的状态。2.1.5 超声波的应用（1）超声检验超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物部形象的技术，把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息，

30、经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。（2）超声处理利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。（3）超声除螨科研人员发现，螨虫的听觉神经系统很脆弱，对特定频率的超声非常敏感，针对螨虫的这种生理特性，目前已有科技公司的研究人员开发出了超声波除螨仪。这种新型的除螨产品采用现代微电子技术手段，直接用特殊频率的超声作用于螨虫的听觉神经系统，使其生理系统紊乱，烦躁不安，食欲不振，最终奄奄一

31、息逐渐死亡。采用这种原理的除螨产品不用添加任何化学药剂，无毒无二次污染，对人体和家中宠物都没有伤害，是目前比较理想的除螨产品。（4）超声除油将黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油过程处于一定频率的超声波场作用下的除油过程，称为超声波除油。引入超声波可以强化除油过程、缩短除油时间、提高除油质量、降低化学药品的消耗量。尤其对复杂外形零件、小型精密零件、表面有难除污物的零件与绝缘材料制成的零件有显著的除油效果，可以省去费时的手工劳动，防止零件的损伤。2.2 超声波测厚原理在利用超声波对工件进行厚度测量时，有四种不同的方法可以达到测量目的，分别是：共振法测厚、干涉法测厚、脉冲透射法测厚和脉冲回波法测

32、厚。由于共振法测厚的局限性太大且测量方法过于繁琐，干涉法测厚的应用只在薄膜测量领域，所以下面只对脉冲透射法和脉冲回波法这两种方法作详细说明。7 / 452.2.1 脉冲透射法超声波脉冲透射法测厚的工作原理是将超声波发射探头置于被测物体的表面，另外一面放置超声波探头的接收头，通过计算超声波发射探头发射信号到超声波接收探头收到信号的时间差再与声速在此种介质中的传播速度（常用材料声速表见附录 I）相乘，就可以得到被测物体的厚度。超声波脉冲透射法不仅可以用来测量物体的你厚度，还可以完成对被测工件的探伤工作，若被测工件的部有瑕疵，则超声波会在瑕疵处有衰减，导致超声波接收探头收不到信号。超声波脉冲透射法测

33、厚的工作原理如图 2-1 所示。.被测工件.*发射探头接收探头图 2-1 超声波脉冲透射法测厚的工作原理图2.2.2 脉冲回波法由于超声波具有与光一样的反射特性，所以，当超声波在介质中传播时，一旦遇到不同介质的分界面是，就会有一部分超声波反射，另外一部分超声波穿过分界面继续传播。利用超声波的反射特性，可以在被测工件的表面分别放置一个超声波的发射探头和一个超声波的接收探头，当发射端发射信号后，超声波在被测工件部传播，当到达被测工件另外一个表面时，有一部分超声波会反射回来，并被接收端接收。计算超声波发射探头发射信号到超声波接收探头收到信号的时间差再与声速在此种介质中的传播速度相乘，就得到的值为被测

34、物体厚度值的两倍。超声波脉冲回波法测厚的工作原理如图 2-2所示。2.3 超声波探头对于超声波测厚仪来说，最主要的性能参数是测量的围和精度，而这两个参数是由超声波探头直接决定的，因此，超声波探头的选择对整个超声波测厚仪的设计来说至关重要。超声波探头的作用就是实现电信号-超声波信号和超声波信号-电信号的转换，所以又可以称为超声换能器。图 2-3 为不同种类超声波探头的实物图。.被测工件.发射探头接收探头直射波透射波反射波2-2 超声波脉冲回波法测厚的工作原理图图 2-3 超声波探头实物图2.3.1 超声波探头的种类根据测量要求的不同，选用的超声波探头的类型和类别也不同，因此，在使用超声波探头之前

35、，必须对超声波探头的种类划分有所了解。对各类超声波探头的名称、类别、特性、优点以与用途的总结如表 2-4 所示。表 2-4 超声波探头分类类型类别优点和用途直探头纵波直探头优点：适用于被测物在探测晶片下方垂直于声束9 / 45横波直探头 的情况；探测围广；灵敏度高。用途：用于工件的探伤。纵波斜探头横波斜探头斜探头表面波斜探头优点：能够对探头斜下方不同角度的情况进行探 测；探测围小；灵敏度高。用途：经常用于金属板和金属管的裂纹检测。周向曲率探头带曲率探头径向曲率探头优点：超声波的入射方向可以改变。用途：周向曲率探头常用于轴类工件的轴向缺陷 检测；径向曲率探头则用于工件的径向缺 陷检测点聚焦水浸式

36、探头线聚焦水浸式探头点聚焦接触式探头聚焦探头线聚焦接触式探头优点：方向性好；声束尺寸小，可以提高灵敏度 和分辨力。用途：适合对曲面零件进行深度探伤；水浸式探 头要求耦合剂是水，常用于对材料性质和 细小缺陷的分析。表面波探头表面波斜探头使用时，对工件表面的光洁程度要求较高。2.3.2 超声波探头的性能指标（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比

37、较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。一般将灵敏度分成相对灵敏度和灵敏度余量这两个参数。相对灵敏度是指某一探头在与测厚仪组合后比较其在特定试验品和石英晶片试验品中的回波幅度，所得的分贝差值。灵敏度余量是指在测厚仪处在最大输出时，能够使回波达到基准波高所需要的衰减总量。（4）指向性。超声波传感器探测的围2.3.3 超声波探头的工作原理超声波探头是利用压电效应发射超声波和接收超声波的。其原理是：超声波探头发射超声波时，有发射电路在压电晶片上加上高幅值的交变电压，由于雅典晶片上的两块金属极板面积一样、间隔固定，在电压到达后，在金属极

38、板上产生的不同性质的电荷是等量的并形成电场，产生电场力，在电场力的作用下，金属极板发生形变，产生了超声波，实现电信号到超声波信号的转换，这个过程称为逆压电效应；接收超声波时，反射回来的超声波作用在压电晶片之上，使极板发生形变，导致交变电场的产生，实现超声波信号到电信号的转换，这个过程称为正压电效应24。2.3.4 超声波探头盲区当超声换能器发射超声波后，探头上还会有余震的存在，而在余震存在是这段时间里不允许接收超声波信号的，因此，这段时间就称为超声波探头的盲区。导致盲区产生的原因有以下三点：1.探头的余震。即使是分体式的探头，发射探头工作完后还会持续震动一段时间，这是物理效应，也就是余震，这个

39、余震信号也会向外传播。如果程序设计是发射完毕后立刻切换为接收状态（无盲区） ，那么这个余震波会通过壳体和周围的空气，直接到达接收头，干扰了检测（注：通常的设计里，发射探头和接收探头的距离很近，在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的，可达 180） 。2.壳体的余震。就像敲钟一样，能量仍来自发射探头，发射结束后，壳体的余震会直接传导到接收头，当然这个时间很短，但已形成了干扰。另外，在不同的环境温度下，壳体的硬度和外形会有所变化，其余震有时长、有时短、有时干扰大、有时干扰小，这是设计工业级产品时必须要考虑的问题。3.电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大，例如某种工业级连续测距产品瞬间电流会有 1

40、5A，通常的产品也能达到 1A，瞬间这么大的电流会对电源有一定影响，并干扰接收电路。通过改善电源设计可以缓解这种情况，但在低成本设计中很难根除，所以每次发射完毕，接收电路还需要一段时间稳定工作状态。在此期间，其输出的信号很难使用。2.4 超声波测厚仪的耦合剂在超声波测厚仪使用时，被测工件表面和超声波探头之间必然会有一层空气薄膜，虽然这层空气薄膜用肉眼已经无法观测到，但是它可能会引起被测工件与探头之间强烈且杂乱的反射波和折射波，为测量过程带来许多不必要的麻烦。耦合剂的作用就是排除被测工件表面与探头之间的空气，使超声波有效的穿入被测工件达到检测目的。常用的耦合剂包括机油、变压器油、润滑脂和甘油等。

41、其特点是：PH 值呈中性，无毒、无味、无刺激，不沾皮肤和衣服，对皮肤无刺激、无过敏反应，且易擦除，具有良好触变性且不流淌，操作容易掌握。稳定性好，不受气候变化影响。使用时一般将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。2.5 本次超声波测厚仪的性能参数2.5.1 性能参数11 / 45测量围：0.12mm-120.00mm测量误差：（1%H+0.1）mm 注：H 为被测物的实际厚度；使用温度：0C-40C工作频率：50MHz显示方式：点阵式液晶显示电源供给：5V2.5.2 基本功能（1）发射超声波：为实现实时测量的目的，需要连续发射超声波。（2）接收超声波：为实现实时测

42、量的目的，接收探头必须长期有效的接收有用的反射波。（3）显示数据：通过 LCD 液晶屏显示测量数据时，为实时显示。（4）记录数据：在测量过程中，按下“记录”按键，测厚仪会将此时测量的厚度值保存下来，并显示在屏幕上，但是不影响实时测量与实时显示功能。（5）声速设定：本测厚仪系统预设定五个常测材料的声速值，分别是铝、铁、普通钢、不锈钢以与铜。用户如需测量其他材料，可以手动设置声速值。记录数据时，会将声速值一起显示，方便观测。（6）供电方式：本测厚仪采用 5V 充电电池供电，电池可以反复使用。2.6 本章小结本章首先通过定义、性质、参数以与应用等几个方面对超声波进行了详细地介绍，然后对超声波测厚的原

43、理与不同方法作了介绍，接着详细介绍了超声波探头的种类和特性参数，并且对盲区进行概述，最后，结合本次超声波测厚仪所要完成的各项功能做了性能参数上的规定，为接下来研究硬件电路的各部分模块和软件上的程序设计做好了铺垫。3 超声波测厚仪的硬件设计本次课题所研究的超声波测厚仪，选用单片机处理器作为控制核心，控制整个电路系统的工作运行。用于发射超声波的驱动电路和接收超声波的接收电路是整个电路系统中最为关键的部分，因为超声波的反射波信号属于微弱信号，要经过放大处理后才能使用，同时还不能对外界的干扰信号进行放大。按键部分是实现人机交互的关键部分，必须能够准确地对系统进行操作。液晶显示部分作为整个测厚系统的最终

44、输出端，是测厚仪不可缺少的一部分。3.1 总体设计本次课题所设计的超声波测厚仪采用的是双晶直探头作为超声波的发射和接收装置，控制器采用 STC89C52 单片机，发射电路模块和接收电路模块用到的主要芯片分别为NE555 和 CX20106A。本次课题设计的超声波测厚仪的硬件结构图如图 3-1 所示。下面对各个电路模块分别作详细介绍和分析。3.2 单片机控制电路单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A

45、/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。单片机的硬件特性包括：（1）主流单片机包括 CPU、4KB 容量的 ROM、128B 容量的 RAM、2 个 16 位定时/计数器、4 个 8 位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；（2）系统结构简单，使用方便，实现模块化；（3）单片机可靠性高，可工作到 106 107小时无故障；（4）处理功能强，速度快；（5）低电压，低功耗，便于生产便携式产品；（6）控制功能强；（7）环

46、境适应能力强。3.2.1 STC89C52STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在13 / 45驱动电路振荡电路放大电路滤波电路整流电路电压比较电路单片机控制电路 按键电路液晶显示器被测物体发射电路发射电路发射电路发射电路接收电路超声波探头图 3-1 硬件结构图系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方

47、案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12

48、T 可选。STC89C52 的特性参数如下：（1）增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051；（2）工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机） ；（3）工作频率围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作频率可达48MHz；（4）用户应用程序空间为 8K 字节；（5）片上集成 512 字节 RAM；（6）通用 I/O 口（32 个） ，复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，

49、需加上拉电阻；（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）具有 EEPROM 功能；（9）共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2；（10）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；（11）通用异步串行口（UART） ，还可用定时器软件实现多个 UART；（12）工作温度围：-4085（工业级）/075（商业级） ；（13）PDIP 封装。3.2.2 STC89C52 引脚说

50、明STC89C52 共有 40 个引脚，引脚如下图所示。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U1ST

51、C89C52图 3-2 STC89C52 引脚图15 / 45下面对各引脚的功能作详细地介绍：1 脚：I/O 口 P1.0 同时也是定时器/计数器 2 外部计数输入2 脚：I/O 口 P1.1 同时也是定时器/计数器 2 捕获/重装触发和方向控制38 脚：I/O 口 P1.2P1.7 无其它特殊功能9 脚：REST 复位脚，用来单片机的复位初始化操作10 脚：I/O 口 P3.0 同时也是串行输入口（RXD）11 脚：I/O 口 P3.1 同时也是串行输出口（TXD）12 脚：I/O 口 P3.2 同时也是外中断 0（）INT013 脚：I/O 口 P3.3 同时也是外中断 l（）INT114

52、 脚：I/O 口 P3.4 同时也是定时计数器 0 外部输入端（T0）15 脚：I/O 口 P3.5 同时也是定时计数器 1 外部输入端（T1）16 脚：I/O 口 P3.6 同时也是外部数据存储器写选通（）WR17 脚：I/O 口 P3.7 同时也是外部数据存储器读选通（）RD18 脚：外部时钟引脚 XTAL2，片振荡电路的输出端19 脚：外部时钟引脚 XTAL1，片振荡电路的输入端20 脚：接地引脚 GND21-28 脚：I/O 口 P2.0 无其它特殊功能29 脚：程序存储器允许输出控制端（） 。程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存PSEN储器的读选通信号，当 AT89C52 由外部

53、程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN信号。30 脚：ALE/。:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许）PROG输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。31 脚：/Vpp。接高电平时，单片机读取部程序存储器；接低电平时，单片机直接EA读取外部 ROM。因为现在我们所使用的单片机都有部 ROM，所以在设计电路时，此引脚始终接

54、在高电平上。32-39 脚：I/O 口 P2.0P2.7 无其它特殊功能40 脚：VCC 电源端3.2.3 STC89C52 的最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.。对 52 系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路和电源。图 3-4 为 STC89C52 的最小系统原理图。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD1

55、7XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U1STC89C52VCC12Y122pFC122pFC2GND10FC34.7KR14.7KR2VCCGNDGND图 3-3 STC89C52 最小系统原理图3.3 发射电路本次课题所设计的超声波测厚仪的超声波发射电路共分为两个部分，一个是产生40kHz 脉冲信号的振荡电路，另一个是用来驱动超声波探头的驱动

56、电路。发射电路总原理图如图 3-4所示。VCC8OUT3GND1RST4DIS7THR6TRI2CON5NE555VCCGND0.01uFC20.01uFC11.6KR21.6KR1D3D4Trig1KR31KR41274S04N1274S04N1274S04N1274S04N1274S04N1274S04NVCC发发发发发图 3-4 发射电路总原理图17 / 45下面就构成发射电路的两个组成部分，振荡电路和驱动电路分别作详细分析。3.3.1 振荡电路振荡电路算所选用的是 NE555 集成计时器组成的多谐振荡器，下面对 NE555 芯片作简单介绍：（1)NE555 芯片NE555 是属于 55

57、5 系列的计时 IC 的其中一种型号，555 系列 IC 的接脚功能与运用都是相容的，只是不同型号的计时 IC 因其价格不同，其稳定性、省电能力、可产生的振荡频率也不一样。而 555 是一个用途相当普遍的计时 IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数字电路所需的各种不同频率的脉冲信号。（2）NE555 芯片的特点1.只需简单的电阻、电容，即可完成特定的振荡延时作用，延时围极广，可由几微秒至几小时不等。2.它的操作电源围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路相互配合，也就是说它的输出电平与输入触发电平，均能与这些逻辑电路的高、低电平匹配。3.NE555 芯片输出端的供给电流大，可直接推动多种自动

58、控制的负载。4.NE555 芯片的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。（3）NE555 芯片的工作原理NE555 电路的部电路方框图如图 3-5 所示，它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器，一个放电开关管 T。比较器的参考电压由三只 5k 的电阻器构成的分压器提供，它们分别使高电平比较器 A1的同相输入端和低电平比较器 A2的反相输入端的参考电平为2 /3Vcc 和 1/3 Vcc。A1与 A2的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状态，当信号自6 脚输入，即高电平触发输入并超过参考电平 2/3 V cc 时，触发器复位，NE555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电开关管导

59、通；当输入信号自 2 脚输入并低于 1/3 Vcc 时，触发器置位，NE555 的 3 脚输出高电平，同时放电开关管截止。是复位端（4 脚） ，当RD0，NE555 输出低电平，平时端开路或接 Vcc。Vc 是控制电压端（5 脚） ，平时RDRD输出 2/3 Vcc 作为比较器 A1 的参考电平，当 5 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个 0.01f 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。T 为放电管，当 T导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电通路。（4）NE555 芯片工作电路NE555 定

60、时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。NE555 芯片工作电路图如图 3-6 所示。T+-A1+-A2G1G2 562713485K5K5KR+VCCVcTHTLCtGNDOUTRD12348765GNDTLOUTRDVcTHCt+VCC(a)(b)NE555图 3-5 555 芯片的部框图与引脚排列74683521R1R2R3D2D1vc+-C10.01FC2V0VccNE555图 3-6 NE55