第第頁共29頁1前言1.1課題研究的背景及意義超聲波技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，超聲波測厚系統(tǒng)是其中一個很小的一個分支。我們常用的超聲波技術(shù)應(yīng)用包括超聲波清洗、超聲波測距、超聲波焊接等等。超聲波技術(shù)得到了越來越多的行業(yè)認(rèn)可，將會有更多的行業(yè)應(yīng)用超聲波的各種技術(shù)。超聲波測量厚度，操作簡單，測量快速。超聲波測量的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以單側(cè)面接觸測量。同時(shí)超聲波測厚系統(tǒng)具有測量精度高、安全無污染的優(yōu)點(diǎn)。超聲技術(shù)可以用于檢測厚度及其局部腐蝕、銹蝕的情況，因此對大型設(shè)備的產(chǎn)品檢驗(yàn)，安全行駛的監(jiān)督起到一個十分重要的作用。1.2測厚系統(tǒng)當(dāng)下，測厚技術(shù)的種類很多很多。按照接觸與否，可以分為接觸式測厚和非接觸式測厚兩類。按照測厚的工作原理可以分為五類，下圖為當(dāng)前使用的測厚儀詳細(xì)分類。圖1.1測厚儀的分類1.機(jī)械接觸式測厚技術(shù)根據(jù)使用的傳感器的差別，可以分為位移傳感器式和光電碼盤式。機(jī)械接觸式測厚技術(shù)的工作原理為：分別放置兩個壓頭在被測工件的兩個表面，然后測量這兩個壓頭的位移或旋轉(zhuǎn)的角度，以測算工件的厚度。本測厚技術(shù)的精度很高，但是測量范圍很小。2.超聲波測厚技術(shù)超聲波測厚技術(shù)，主要工作原理是超聲波脈沖反射原理。測量時(shí)，當(dāng)超聲波探頭發(fā)射的超聲波到達(dá)被測工件的分界面時(shí)，超聲波脈沖會被反射回探頭。由超聲波在被測工件中的傳播時(shí)間就可以計(jì)算出被測工件的厚度。由于本測厚技術(shù)測量精確，算法簡單，本測厚系統(tǒng)將采用超聲波測厚技術(shù)對進(jìn)行厚度測量。3.χ射線測厚技術(shù)當(dāng)Χ射線穿透被測工件時(shí)，射線的強(qiáng)度會發(fā)生變化，由射線強(qiáng)度與材料厚度之間的關(guān)系可以計(jì)算出被測工件的厚度。本測厚技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為可以不受材質(zhì)不受顏色的影響而且測量由一種材料構(gòu)成的工件時(shí)精度很高。缺點(diǎn)為其測量容易受到溫度的影響。本測厚技術(shù)大多用于塑料、薄膜等等。4.同位素測厚技術(shù) 同為素測厚技術(shù)原理為：當(dāng)同位素的射線穿過被測工件后，射線的強(qiáng)度會衰減，通過射線強(qiáng)度的衰減與材料厚度之間的關(guān)系可以計(jì)算出被測工件的厚度。按照放射源的不同，同位素測厚技術(shù)又可以細(xì)分為兩種，β射線測厚儀與γ射線測厚儀。同位素測厚技術(shù)相比與其他的測厚技術(shù)，穿透能力更像，且相對穩(wěn)定。1.3超聲波測厚研究現(xiàn)狀及發(fā)展早在上世紀(jì)四十年代，美國通用公司即基于超聲波進(jìn)行工業(yè)診斷，基于超聲共振原理實(shí)現(xiàn)對厚度的初步檢測。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的制約，檢測精度較差，且適用范圍小，使得該儀器并未得到廣泛應(yīng)用。隨后，基于超聲波的脈沖反射法被開發(fā)出來，該檢測方案算法簡單，且精度顯著提升，并引入了聲速校正技術(shù)，從而有效提升了測定的精度，使得該技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中迅速推廣開來。但由于成本問題的制約，該技術(shù)并未得到推廣。隨后在70年代，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為基于超聲波的厚度檢測奠定了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)?；诔暡ǖ臏y厚系統(tǒng)成本不斷下降，同時(shí)單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信號處理能力，使得檢測精度也飛速提高，其對動態(tài)波形的分析能力也顯著增強(qiáng)。現(xiàn)如今，在智能化技術(shù)的支撐下，基于超聲波的無損厚度檢測裝置推陳出新，不但具有較長的續(xù)航能力，同時(shí)儀器的便攜性也顯著增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)不同場景的厚度精準(zhǔn)檢測。并配合上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對厚度參數(shù)的集中匯總分析。未來，超聲波測厚技術(shù)除了體積小，精度高等優(yōu)點(diǎn)之外，還將會具有多項(xiàng)功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析并能夠判定被測工件的缺陷狀況。1.4課題研究的主要內(nèi)容本文結(jié)合測厚系統(tǒng)的功能需求特點(diǎn)，重點(diǎn)做了以下系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)工作：首先，為了確保所開發(fā)系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用，首先對系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行明確，在此基礎(chǔ)上選擇性能、功能滿足需求的單片機(jī)芯片，并兼顧性價(jià)比和單片機(jī)的穩(wěn)定性；其次，進(jìn)行系統(tǒng)功能的梳理，并圍繞單片機(jī)單片系統(tǒng)進(jìn)行外圍技術(shù)方案的對比，如人機(jī)交互方案、執(zhí)行器方案等；第三，進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，在完成單片機(jī)最小系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)上，分配單片機(jī)端口給外圍功能電路，完成整體系統(tǒng)的硬件開發(fā)；第四，結(jié)合硬件電路進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。采用keil軟件完成程序的開發(fā)，并在編譯后將程序代碼段燒寫至單片機(jī)，完成系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。第五，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，通過組裝、焊接完成系統(tǒng)的搭建，并對系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行驗(yàn)證。2超聲波測厚的基本原理2.1超聲波的介紹2.1.1超聲波的概念聲波的傳播形式為物體機(jī)械振動狀態(tài)或能量。聲波的頻率在20～20000Hz之間，人耳是能聽聞的。頻率在20～20000Hz以外的聲波，是不能被人耳所感受的。當(dāng)振動頻率大于20000Hz，人耳聽覺不能感受到的聲波，被稱為超聲波。2.1.2超聲波的特點(diǎn)利用超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)對外界距離信號的檢測，從而為智能避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了距離檢測技術(shù)基礎(chǔ)。首先通過超聲波發(fā)生器發(fā)出一定頻率的超聲波，并向特定方向傳播，遇到障礙物后，聲波即被反彈，并傳回超聲波信號接收裝置，利用超聲波發(fā)送、接收的時(shí)間差，并按照340m/s的聲波速度，即可計(jì)算出與障礙物的距離。（1）超聲波的反射和透射特性當(dāng)超聲波遇到兩種不同介質(zhì)的相交面時(shí)，有一部分聲波會穿透這個相交面繼續(xù)傳播，而剩下的部分將會在相交面處被反射，如圖2-1所示。圖2.1聲波在平面界面上垂直入射時(shí)的反射和透射情況反射和透射系數(shù)能夠決定著反射與透射的聲強(qiáng)的相對大小。當(dāng)兩種介質(zhì)很好的耦合時(shí)，這種情況下，反射系數(shù)會接近0，透射系數(shù)會接近1。當(dāng)兩種介質(zhì)耦合的比較差的時(shí)候，反射系數(shù)會接近1，透射系數(shù)會接近0。因此為了使透射系數(shù)接近于1，要保證兩種介質(zhì)很好的偶爾，對于固體之間，是非常有必要采用耦合劑的。（2）超聲波的折射特性當(dāng)超聲波遇到兩種不同介質(zhì)，從介質(zhì)1穿過交界面?zhèn)鞑サ浇橘|(zhì)2，由于不同介質(zhì)密度不同，在兩種不同介質(zhì)交界面上，一部分聲波被反射，另一部分聲波會折射過交界面，然后介質(zhì)2內(nèi)繼續(xù)傳播。下圖為超聲波反射與折射情況。βββαS反L反S折L折圖2-2超聲波反射與折射情況sinα/C1=sinβ/C2（2-1）在式（2-1）中，C1是入射超聲波在第一種介質(zhì)中的速度，C2時(shí)超聲波在第一種介質(zhì)中反射（或折射）的聲速。由圖知，α是入射角，β為反射角。由于超聲波在相同介質(zhì)中，當(dāng)波形相同時(shí)，則聲速相同。從而對于圖2.2中L反的反射角與L的入射角是相同的。在同一種介質(zhì)中，縱波的速度是要大于橫波的速度的，所以，L的入射角是大于S反的反射角的。同樣因?yàn)檫@個原因，L折的折射角是要大于S折的折射角的。本式也被成為斯涅爾定律—折射定律。（3）超聲波的衰減特性在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，伴隨著傳播距離的不斷增大，超聲波在介質(zhì)中傳播的能量會漸漸的減弱，出現(xiàn)這種現(xiàn)象就是衰減。有以下三個主要方面會引起能量的衰減：1、由聲束擴(kuò)展引起的衰減當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)傳播距離不斷增大時(shí)，非平面聲波的聲束也會不斷地?cái)U(kuò)大。所以聲能在單位距離上會因?yàn)榫嚯x的增大而變?nèi)?，聲能的這種減弱稱為擴(kuò)散衰減。當(dāng)在聲場中原理聲源時(shí)，球面波的聲壓p反比于至聲源距離r，也就是p∝1/r。而對于柱面波來說，則為p∝√(1/r)。平面波的聲波不會隨著傳播距離的增大而減弱，所以平面波沒有擴(kuò)散衰減。2、由散射引起的衰減當(dāng)實(shí)際材料中有雜質(zhì)、不均勻的時(shí)候，會導(dǎo)致材料的阻抗不均勻，在這種情況下就會導(dǎo)致聲波的散射。當(dāng)超聲波發(fā)生散射之后，超聲波會在介質(zhì)中沿著很復(fù)雜的路徑傳播，在這個過程中，熱能會慢慢的被轉(zhuǎn)化為熱能。這種衰減就是散射衰減。3、由介質(zhì)的吸收引起的衰減由于介質(zhì)具有粘滯性，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)間就會產(chǎn)生摩擦，就會使聲能的一部分轉(zhuǎn)化為熱能。并且介質(zhì)的內(nèi)部之間還會因?yàn)槌砻艹潭炔煌瑫M(jìn)行熱交換以及分子松散會吸收熱能，這些現(xiàn)象都屬于介質(zhì)吸收。綜上可以看出，超聲波在傳播過程中的衰減情況很復(fù)雜，如果綜合衰減，設(shè)P0為距離振源X=0處的聲壓振幅，PX為距離振源X的聲壓振幅。 PX=P0·e-αx（2-2）其中α為衰減系數(shù)。當(dāng)介質(zhì)為固體時(shí)，散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa相加就是超聲波能量的衰減系數(shù)α：α=αs+αa（2-3）根據(jù)查詢資料的結(jié)果，吸收衰減系數(shù)αa與頻率的關(guān)系為αa=c1f（2-4）式中：C1是常數(shù)；f為超聲波頻率。從介質(zhì)的晶粒直徑和波長的關(guān)系來分析散射衰減系數(shù)，有以下三種情況：當(dāng)d≤λ時(shí)，αs=c2Fd3f4（c2為常數(shù)）。當(dāng)d≈λ時(shí)，αs=c3Fdf2（c3為常數(shù)）。當(dāng)d≥λ時(shí)，αs=c4F/d（c4為常數(shù)）。其中，F(xiàn)代表各向異性系數(shù)。通過以上的公式，我們可以看出超聲波的頻率對超聲波的衰減有很大的影響。一般來說，頻率越高，衰減會越大。正常情況下，晶粒的直徑要比超聲波的波長的數(shù)值小，所以，晶粒直徑越大，衰減越大。對于本設(shè)計(jì)來說，要增加超聲波發(fā)射探頭的聲強(qiáng)或選用低頻探頭來穿透。2.2超聲波測厚的原理超聲波檢測的重要應(yīng)用包含超聲波測厚技術(shù)。在本小節(jié)中，將會對超聲波測厚的原理進(jìn)行研究，而且還會分析超聲波測厚的各種方法。下面開始介紹超聲波常用的測厚技術(shù)。（1）共振法測厚技術(shù)共振法測厚技術(shù)使用調(diào)制的正弦波信號激勵壓電晶片，晶片向被測工件發(fā)射頻率連續(xù)變化的超聲波。當(dāng)被測工件的厚度為半波長的整數(shù)倍的時(shí)候，就會在被測工件內(nèi)形成駐波，從而會產(chǎn)生共振。由試件的厚度d，在試件中傳播的超聲波波長λ，可得共振時(shí)：（2-5）振時(shí)的超聲波頻率為：（2-6）（2-6）當(dāng)n=1時(shí)，f的值就是基波頻率。由上面的公式可以推算出，基波頻率就是任意兩個相鄰諧波頻率的差值，即：（2-7）（2-7）由以上的公式可以看出，厚度可以根據(jù)兩個相鄰諧波的頻率的差值求得，即：（2-8（2-8）由上式，如果知道了fm和fn的值，則fm-fn=(m-n)f1，就可以求出厚度：（2-9）（2-9）只有當(dāng)被測工件的兩個表面平滑的時(shí)候，才能用共振法測量技術(shù)測量。而對于表面不光滑，不均勻的工件則難以用共振法進(jìn)行測量，因此不用于本設(shè)計(jì)。（2）脈沖反射法測厚技術(shù)圖2.3脈沖反射法超聲測厚工作原理圖本方法是利用脈沖發(fā)射器發(fā)出一個脈沖，然后脈沖傳輸?shù)教筋^上，利用壓電效應(yīng)將脈沖轉(zhuǎn)化成聲波脈沖后，最后射入被測工件中。當(dāng)已知從發(fā)射超聲波到接受回波信號△t，當(dāng)我們已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度V，被測工件的厚度值D就能求出。D=V△T2△T=TA其中TA、TB分別表示底波A的返回時(shí)間與底波B的返回時(shí)間?！鱐的可以通過以下方式測量：把超聲波從被測工件底面返回的波與從被測工件的界面反射回的波分別記為A、B，則把超聲波B到A所用的時(shí)間記為△T。前沿為界面波B，后沿為底面波A，A與B所形成的方波就是閥門脈沖。晶振脈沖可以由產(chǎn)生頻率得知，然后將晶振脈沖與其閥門脈沖相與得到的脈沖計(jì)數(shù)器單元計(jì)算出△T的值。由于測量過程簡單，可以測量表面不均勻不光滑的工件，因此用于本設(shè)計(jì)。2.3超聲波探頭在超聲波測厚的過程中，超聲波探頭可以實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。超聲波探頭的好壞可以直接影響測量范圍與測量精度。本超聲波測厚系統(tǒng)使用的探頭，是通過材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與聲能之間的轉(zhuǎn)換。在超聲波探頭中，最重要的部件為晶片。晶片是單晶或者多晶體的薄片，它具有壓電效應(yīng)。晶片的功能是實(shí)現(xiàn)電能和聲能的互相轉(zhuǎn)換。圖2.4超聲波探頭實(shí)物圖2.3.1超聲波探頭的組成本設(shè)計(jì)采用的是超聲波直探頭，下面介紹超聲波直探頭的結(jié)構(gòu)以及功能。圖2-5超聲波直探頭的結(jié)構(gòu)本測厚系統(tǒng)采用的是縱波雙晶直探頭。雙晶探頭，這種超聲波探頭具有兩個晶片，其中一個為發(fā)射器，剩下的一個是接收器。縱波雙晶探頭靈敏度高，響應(yīng)迅速。表2-1介紹了雙晶探頭的組成部分與其各自的功能，表2-2為基于單片機(jī)的超聲波鋼板測厚系統(tǒng)所采用的超聲波探頭的性能參數(shù)。表2-1雙晶探頭的組成和功能組成部分功能發(fā)射晶片發(fā)射超聲波聲束接收晶片將被測攻堅(jiān)中返回的回波信號轉(zhuǎn)換成電信號插座通過探頭線與儀器相連接外殼鋁合金材質(zhì)，發(fā)揮支撐、保護(hù)和電磁屏蔽的作用隔聲層在發(fā)射和接收僅晶片之間，貼合有隔聲層延遲塊晶片是粘結(jié)在延遲塊上的，我們可以通過改變兩個延遲塊之間的夾角，來獲得不同的焦距值。表2-2超聲波探頭的性能參數(shù)探頭型號特性測量范圍（鋼）直徑頻率接觸溫度5P￠10通用探頭1.2-225mm10mm5MHZ-10-+605P￠10/9通用探頭1.2-225mm10mm5MHZ-10-+607P￠6小管徑0.75-60mm6mm7MHZ-10-+60TSTU32高穿透5.0-40mm（鑄鐵）22mm2MHZ-10-+60SZ2.5P高穿透3.0-300mm（鋼）12mm2.5MHZ-10-+60ZW5P高溫4.8-80mm12mm5MHZ-10-+3002.3.2超聲波探頭的種類和功能常用的超聲波探頭有很多種類。不同的工件、不同的應(yīng)用環(huán)境，需要與之適應(yīng)的超聲波去探頭，才能得到更準(zhǔn)確的測量結(jié)果與更精確的測量精度。表2-3超聲波探頭的類別和用途類型類別優(yōu)點(diǎn)和用途直探頭縱波探頭橫波探頭優(yōu)點(diǎn)：適用于探測晶片正下與聲束方向垂直的情況；檢測靈敏度高；探測深度較大，適用范圍較廣。用途：用于鍛件、鋼板超聲波探傷。斜探頭縱波斜探頭橫波斜探頭表面波斜探頭優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)μ筋^斜下方不同角度進(jìn)行探測，靈敏度較高但是探測深度小。用途：可以用于裂縫或者寒風(fēng)檢測，同時(shí)，也可檢測零件。帶曲率探頭周向曲率探頭徑向曲率探頭優(yōu)點(diǎn)：可以改變超聲波的入射方向。用途：對無縫鋼管、簡單鑄件、軸類工件等軸向缺陷進(jìn)行檢測。聚焦探頭點(diǎn)聚焦水浸水式探頭線聚焦水浸式探頭點(diǎn)聚焦接觸式探頭線聚焦接觸式探頭優(yōu)點(diǎn)：方向性較好，可以用來探測曲面零件與晶片垂直方向上一定深度的缺陷。用途：由于其聲束尺寸小，檢測的靈敏度和分辨率較高。水浸式聚焦探頭要求耦合劑為水，常用于分析材料性能和細(xì)小缺陷，檢測精度高。表面波探傷表面波斜探頭對被測工件的表面光潔度要求比較嚴(yán)格。此種探頭探測深度淺，能量低。2.3.3超聲波探頭的工作原理利用超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)對外界距離信號的檢測，從而為智能避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了距離檢測技術(shù)基礎(chǔ)。首先通過超聲波發(fā)生器發(fā)出一定頻率的超聲波，并向特定方向傳播，遇到障礙物后，聲波即被反彈，并傳回超聲波信號接收裝置，利用超聲波發(fā)送、接收的時(shí)間差，并按照340m/s的聲波速度，即可計(jì)算出與障礙物的距離。在選用探頭時(shí)，一定要滿足測厚系統(tǒng)的測量范圍與測量精度。要求超聲波探頭對超聲波信號受溫度變化的影響以及衰減程度一定要盡可能的小。超聲波探頭有如下的三個性能指標(biāo)：（1）工作頻率。當(dāng)晶片的共振頻率與加到超聲波探頭兩端的交流電壓的頻率相同時(shí)，可以輸出最大能量并且能夠獲得最高的靈敏度。一般用示波器活頻譜儀測定；（2）工作溫度。當(dāng)超聲波探頭的工作溫度比較高的時(shí)候，就不能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，并且有可能失效；（3）靈敏度。超聲波探頭晶片的本身制造決定了探頭的靈敏度。機(jī)電耦合系數(shù)越大，其靈敏度也會越高。超聲波測厚儀與探頭的匹配程度的好壞也會影響靈敏度。2.4超聲波耦合劑的選擇當(dāng)超聲波測厚探頭直接與被測工件接觸時(shí)，就會有一層空氣薄層在超聲波探頭與工件之間。這層空氣薄層將會引起對超聲波信號造成十分大的干擾，并且會導(dǎo)致超聲波信號的衰減，嚴(yán)重影響測厚的精度。因此，就需要一種物質(zhì)去消除這層空氣薄層，于是就有了超聲波耦合劑。當(dāng)在被測工件表面涂上超聲波測厚專用耦合劑之后，這層空氣層就會被排擠掉。這樣，超聲波探頭就可以正常發(fā)射和接收通過被測工件的超聲波。耦合劑是測量過程必需的，在實(shí)際應(yīng)用之中，我們會用耦合劑排擠掉探頭與超聲波之間的空氣層。下圖就是超聲波測厚專用的耦合劑。圖2.6超聲波測厚專用耦合劑耦合劑是測量過程中不可缺少的部分，它是實(shí)現(xiàn)聲能從探頭向被測工件傳遞的重要介質(zhì)。我們要求耦合劑要有良好的浸潤性，并且能夠很好的附著在被測工件的表面。為了能夠保證聲能損耗較少，要求超聲波測厚的專用耦合劑阻抗性能要好，大概要與被測工件相近。同時(shí)，對于超聲波測厚專用耦合劑，要求其價(jià)格要低、清洗要簡單容易并且無毒無害，不會腐蝕工件。我們常用的耦合劑有膠水、機(jī)油、自來水等等，常用的耦合劑的參數(shù)如下圖所示。表2-4常見耦合劑的參數(shù)耦合劑密度g.cm3聲速103m/s聲特性阻抗106kg/m2.s水（10℃）1.01.481.48機(jī)油0.921.391.28水玻璃（體積分?jǐn)?shù)33%）1.261.722.17甘油（純）1.271.882.382.5超聲波測厚系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)本測厚系統(tǒng)采用的是單片機(jī)控制的便攜式測量裝置。本測厚系統(tǒng)構(gòu)造簡單，易于操作，成本較小。2.5.1基本性能參數(shù)設(shè)計(jì)其基本的性能參數(shù)如下：1）顯示最小單位：0.01mm；2）工作頻率：5MHZ；3）測量范圍：0.12mm-120.00mm；4）使用誤差：±（1％T+0.1）mm，其中T為被測物的實(shí)際厚度；5）電源：USB外部供電。2.5.2基本功能設(shè)計(jì)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)下列功能：1）超聲波接收探頭能夠?qū)崟r(shí)的接收有用的回波信號，實(shí)現(xiàn)對厚度的測量；2）能夠顯示實(shí)時(shí)厚度值；3）能夠顯示實(shí)時(shí)溫度值；4）能夠存儲之前測量的兩組厚度值。2.6小結(jié)本章介紹了超聲波的性質(zhì)和其主要的應(yīng)用，概述了超聲波探頭與耦合劑，詳細(xì)介紹了超聲波測厚度的方法，給出了本測厚系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對厚度的測量并且能夠儲存兩組測量值。3測厚系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在明確控制系統(tǒng)技術(shù)方案和整體開發(fā)框架后，隨機(jī)以模塊化思想進(jìn)行單片機(jī)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)。對于硬件電路設(shè)計(jì)而言，可分為兩個主要部分，分別為最小系統(tǒng)搭建、外圍功能設(shè)計(jì)。最小系統(tǒng)體現(xiàn)在電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路三部分，在完成最小系統(tǒng)搭建后，結(jié)合控制系統(tǒng)其它功能需求，完成信號處理、命令執(zhí)行等外圍電路的設(shè)計(jì)。3.1硬件電路的總體設(shè)計(jì)綜合分析所確定的技術(shù)方案，進(jìn)行系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。對于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)而言，所有信號均通過單片機(jī)這一邏輯處理核心進(jìn)行處理，通過傳感器單元進(jìn)行外部參數(shù)的檢測，并得到數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)，通過編寫處理程序，進(jìn)行傳感器信號的處理，并得出對應(yīng)的控制信號，基于控制信號實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行單元的控制，最終達(dá)到各項(xiàng)功能。結(jié)合超聲波測厚儀的功能需求，設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3.1結(jié)構(gòu)示意圖本次設(shè)計(jì)基于單片機(jī)作為控制核心，并通過單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，利用按鍵電路實(shí)現(xiàn)對超聲波信號的發(fā)射，超聲波信號達(dá)工件底部時(shí)，會返回，在檢測到回波后確定對應(yīng)的傳播時(shí)間，繼而計(jì)算出對應(yīng)的厚度，并利用液晶顯示裝置將其顯示出來。3.2單片機(jī)控制模塊單片機(jī)已經(jīng)具有低功耗、集成功能豐富、儲存空間大等諸多優(yōu)勢。單片機(jī)具有兼容傳統(tǒng)指令集、寬工作電壓等優(yōu)點(diǎn)，有力保障了控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。一個基本的單片機(jī)一般包括：CPU、RAM、I/O口等各功能部件，各個功能由內(nèi)部的總線連接起來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通信。3.2.1STM32單片機(jī)3.2.2串口通信電路為了實(shí)現(xiàn)通信功能，本次設(shè)計(jì)采用MAX232芯片進(jìn)行TTL電平的轉(zhuǎn)換，與單片機(jī)建立串口通信。MAX232封裝如下圖所示。圖3.4MAX232引腳結(jié)構(gòu)與外圍電路圖其中，右圖中，上半部分為電源轉(zhuǎn)換部分，包括C1-4和V+、V-。右圖中，下半部分包含了兩個部分，一個是接收部分，另一個是發(fā)送部分。STC89C52單片機(jī)的串行發(fā)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.同時(shí)，RS232串口的發(fā)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芯片的連接過程中，一定要將發(fā)送、接收的引腳對應(yīng)。如果引腳不對應(yīng)，將會對芯片造成損害。3.2.3時(shí)鐘電路本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路選用了DS1302芯片，該芯片是由DALLAS公司推出的。DS1302芯片可以與單片機(jī)進(jìn)行通信，是通過簡單的串行接口。在DS1302的內(nèi)部，有31字節(jié)的靜態(tài)RAM和一個實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路?？梢詫?shí)現(xiàn)每月天數(shù)和閏年的自動調(diào)整，同時(shí)能夠提供從年到秒的信息，十分詳細(xì)。時(shí)鐘的操作上可以由AM/PM的指示，然后選用12/24的小時(shí)格式。我們將用RES復(fù)位、I/O數(shù)據(jù)線/SCLK串行時(shí)鐘這三個接口與單片機(jī)進(jìn)行簡單的通信。DS1302芯片被廣泛用于便攜式儀器，其主要擁有以下特性：DS1302能夠計(jì)算2100年以前的年、月、日、時(shí)、分、秒，而且能夠?qū)﹂c年進(jìn)行調(diào)整；擁有8位暫存數(shù)據(jù)存儲RAM；DS1302管腳數(shù)量最少；其工作電壓在2.0-5.5V之間；在2.0V的工作電壓下，電流小于300nA；有單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組兩種方式可以再讀或?qū)憰r(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)鐘時(shí)使用；具有簡單的3線接口；擁有8腳的DIP封裝或SOIC封裝；其工作溫度范圍在-40-+85℃之間；其電源為5V，與TTL兼容；擁有雙電源管。下圖3-5為DS1302管腳圖：圖3-5DS1302管腳圖1)VCC1為備用電源；2)VCC2為主用電源引腳；3) GND為接地；4) RST為復(fù)位引腳；5) I/O為串行數(shù)據(jù)引腳；6) SCLK為串行時(shí)鐘引腳；7)X1、X2為DS1302的外部晶振引腳。3.3超聲波發(fā)射模塊超聲波發(fā)射電路的發(fā)射信號的好壞，會直接影響測厚系統(tǒng)回波信號的質(zhì)量。我們應(yīng)該選取性能好的傳感器并且設(shè)計(jì)出好的發(fā)射電路。其中，超聲波探頭的壓電晶片的性能決定著超聲波的發(fā)射頻率。在本測厚系統(tǒng)中，超聲波的產(chǎn)生方式為：自激蕩電路有施密特觸發(fā)器構(gòu)成，然后產(chǎn)生了超聲波。其中一款高速的CMOS器件74HC14是施密特反相器的組成部分。它有下列幾種用途：可以用來對輸入型號的波形進(jìn)行整形，能夠?qū)崿F(xiàn)6路信號的反向輸出；還能夠成為非穩(wěn)態(tài)或者單穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器。在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)方案是通過RC積分電路將輸入端與74HC14芯片的反向輸出端相連接，構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器。接通電源之后，74HC14的6腳反向輸出端為高電平，因?yàn)殡娙莸钠鹗茧妷簽?。同時(shí)，向電容C201開始充電，通過電位器VR101和電阻R201。當(dāng)輸入電壓V1等于VT+時(shí)，這時(shí)開始低電平輸出，在這個時(shí)候電容開始放電，經(jīng)過電阻R201。當(dāng)放電至V1等于VT-的時(shí)候，又會開始高電平輸出，然后對電容C重新開始充電。電路會一直這樣反復(fù)，會不停地進(jìn)行充放電，一直在振蕩。我們調(diào)節(jié)振蕩周期是通過調(diào)節(jié)電阻VR101的電阻的大小實(shí)現(xiàn)的。方波脈沖通過自激振蕩產(chǎn)生之后，脈沖會在74HC14的作用下被反向放大，然后從輸出端輸出。下圖為超聲波發(fā)射電路。圖3.6超聲波發(fā)射電路圖上圖中，VN2406是一個NMOS管，其中，電阻R202有加速M(fèi)OS關(guān)斷的作用。VDD1會接入一個低電壓，形成一個低電勢。電流在電感L201中會伴隨著輸入電壓的不斷增大，L201一直在儲能，最終會形成交變電流。在這里MOS管會起到一個開關(guān)管的作用，在右側(cè)輸出端會得到與輸入端頻率一樣的波形。二極管是具有單向?qū)щ娦?，通過這一特性，我們可以使用二極管將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉较騿我坏闹绷麟?。NCOS管的導(dǎo)通和閉合是通過單片機(jī)控制發(fā)射電路，控制是通過74HC14的反向。脈沖通過控制信號進(jìn)行控制，然后高電壓的脈沖信號就會傳輸?shù)匠暡ㄌ筋^，從而通過超聲波測厚的探頭來發(fā)出超聲波。3.4超聲波接收模塊超聲波的回波信號會在測量距離特別大的時(shí)候會變的很小很小，所以超聲波轉(zhuǎn)換過來的電信號的幅度在電路中也很小，因此需要對信號進(jìn)行放大處理。而且要處理掉回波信號中的無用的波形信號，處理完之后的波形會形成一個閥門脈沖，會用一個25M的晶振進(jìn)行調(diào)制，然后脈沖會被傳輸?shù)接?jì)數(shù)器內(nèi)，緊接著進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，最后得出測量厚度所用的時(shí)間。超聲波接收模塊由超聲波信號放大電路、計(jì)數(shù)器模塊、中周選頻電路構(gòu)成。3.4.1回波信號放大電路在本系統(tǒng)中，回波信號會經(jīng)過三極管三級放大。下圖為多級放大器的組成圖。圖3.7多級放大器的組成框圖輸入級與中間級的功用是對電壓進(jìn)行放大，輸出級的功用是放大功率，以此實(shí)現(xiàn)放大，推動負(fù)載工作。在本系統(tǒng)中，由于只能接受到十分小的回波信號，所以要對信號進(jìn)行放大。在圖3-8中，電阻R302和電位器VR301可以對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)θ龢O管C301提供一個1.5V的窄波信號。三極管Q301、Q302、Q303組成的三級放大器將會對回波信號與1.5V信號疊加后的信號進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)采用阻容耦合的方式實(shí)現(xiàn)三級放大。變壓器T301的工作是通過Q304來控制的。圖3.8超聲波回波信號放大電路3.4.2中周調(diào)頻電路中周調(diào)頻電路的組成部分包括：底座、支架、磁心、線圈、磁冒和金屬屏蔽罩。在本系統(tǒng)中，中周調(diào)頻是當(dāng)電路調(diào)諧與回波信號的頻率相同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對回波信號的放大程度的最大化，而且能夠?qū)ζ渌念l率進(jìn)行抑制。圖3-9為中周調(diào)頻電路。圖3.9中周調(diào)頻電路在圖3.9中，中周變壓器為T301，電感線圈在其左側(cè)，電感與電容C305以并聯(lián)的方式連接，組成了并聯(lián)諧振電路。選用中周電路有利于提高接收的靈敏度，減少各種干擾。在對被測工件測量時(shí)，需要對中周進(jìn)行精確的調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)回波頻率和其頻率是一樣的，以此來實(shí)現(xiàn)精確的測量。3.4.3計(jì)數(shù)器模塊在本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只要檢測到被測工件的存在，接收電路就會同時(shí)輸出一個信號，然后計(jì)數(shù)器就會開始計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，采用的是74HC393計(jì)數(shù)器，為8位計(jì)數(shù)器，可以通過計(jì)數(shù)上限可以計(jì)算出能夠測量的厚度值為：S=28上式中5900是20℃時(shí)超聲波在鋼材中的傳播速度，25M晶振產(chǎn)生一個脈沖的時(shí)間寬度為1/（25*103）。由于設(shè)計(jì)之初的測量上限為120mm，而74HC393不能滿足這個測量上限。后來通過將74HC393的最高輸出端接到STC89C52單片機(jī)的P5和P6折兩個管腳，然后設(shè)置P5為上升沿，P6為下降沿。上升沿觸發(fā)的條件是，讀到脈沖個數(shù)從127到128變化。下降沿中斷觸發(fā)的條件是，讀到脈沖個數(shù)從255到0變化。記錄中斷的次數(shù)，通過這樣的方式，可以測得的厚度為：S=27上式中，上升沿中斷的觸發(fā)個數(shù)為a，下降沿中斷的觸發(fā)個數(shù)為b，74HC393脈沖的計(jì)數(shù)為c。本系統(tǒng)選用的超聲波探頭的測量范圍是1.2-225mm，因此需要對變量a和b進(jìn)行0-9的整數(shù)的設(shè)置。同時(shí)，c≤127，可以求得可測量的最大厚度值為：S=273.4.4超聲波測厚系統(tǒng)的測量范圍由3.4.3可以得出，本測厚系統(tǒng)在20℃時(shí)可以對鋼材實(shí)現(xiàn)的測量的最大厚度為286.858mm。計(jì)數(shù)器通過一個脈沖時(shí)的值就是本系統(tǒng)可以測得的最小值：0.04×1×5.92=0.12mm式中，0.04us是一個脈沖的時(shí)間寬度，5.9mm/us是聲音在20℃時(shí)，在鋼材中的傳輸速度。所以，本基于單片機(jī)的超聲波測厚系統(tǒng)的測量范圍是0.12到286.85mm。由于探頭的測量范圍是1.2mm-225mm，從而實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的量程為1.2mm-225mm，符合了設(shè)計(jì)的要求。3.5顯示模塊本系統(tǒng)采用的是1602的液晶顯示屏，1602代表著每行可以顯示16個字符，一共可以顯示兩行。下圖為1602的引腳功能數(shù)據(jù)表。表3-21602引腳功能數(shù)據(jù)表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2DateI/O2VDD電源正極10D3DateI/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DateI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5DateI/O5R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6DateI/O6E使能信號14D7DateI/O7D0DateI/O15BLK背光源正極8D1DateI/O16BLK背光源負(fù)極下圖為1602的開發(fā)板電路圖：圖3.101602電路圖1602的使用注意事項(xiàng)：1.LCD1602是以ASCLL碼對寫進(jìn)去的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行識別，因此，要以ASCLL碼對顯示的字符進(jìn)行編寫；2.在操作LCD1602之前要進(jìn)行初始化；3.LCD1602可以對字符進(jìn)行自定義；4.調(diào)用顯示數(shù)據(jù)可以通過調(diào)用字符數(shù)組的形式。3.6獨(dú)立按鍵本設(shè)計(jì)采用了4個獨(dú)立按鍵，分別接在了單片機(jī)的P3.0到P3.4口。下圖為開發(fā)板獨(dú)立按鍵電路圖：圖3-11獨(dú)立鍵盤電路圖機(jī)械按鍵之所以能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)的作用，是利用了機(jī)械的接觸。在機(jī)械接觸時(shí)，會經(jīng)過由接觸不穩(wěn)定到正在穩(wěn)定，最后才能夠徹底穩(wěn)定。這樣就會產(chǎn)生按鍵抖動，我們采用了軟件延時(shí)的方法去抖動，過程如下：1.首先對IO口進(jìn)行高電平設(shè)置；2. 然后確認(rèn)按鍵時(shí)候按下；3. 當(dāng)有低電平的IO口時(shí)，設(shè)置延時(shí)；4.再次讀取是否有低電平的IO口，如果有，說明對應(yīng)按鍵按下；5. 最后對按鍵的程序進(jìn)行執(zhí)行。3.7溫度補(bǔ)償本系統(tǒng)采用的溫度傳感器為DS18B20，此溫度傳感器的測量范圍在-55～+125℃。DS18B20各個引腳的功能如下：接地GND；單數(shù)據(jù)總線DQ；電源電壓VDD；空引腳NC。在本系統(tǒng)中，DQ與STC89C52單片機(jī)P10引腳相連接。由于溫度會對聲速造成影響，所以本系統(tǒng)中會對聲速進(jìn)行一個修正。在20攝氏度時(shí)，聲音在鋼材中的傳播速度為5900m/s。溫度每升高1度，速度就增加0.607m/s。設(shè)實(shí)際溫度為t，則在鋼材中聲速為：V=5900+[(t-20)×0.607]在最終計(jì)算過程中，會對聲速進(jìn)行修正，從而得到一個更加精確的厚度測量值。圖3.12DS18B20管腳圖3.8電源模塊電源是整個系統(tǒng)的動力來源，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。在本測厚系統(tǒng)中，采用了USB供電的方式。由于USB總線供電電壓是5V,而系統(tǒng)中使用的電壓為3.3V,這時(shí)就會需要一個電平轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中采用了LT1763-3.3穩(wěn)壓芯片，其輸入電壓可以為1.8-20V，輸出為3.3V。下圖為具體應(yīng)用電路圖。圖3.133.3V電源電路圖3.9實(shí)物運(yùn)行圖圖3.14實(shí)物運(yùn)行圖其中，第一幅圖為正常測量過程，顯示屏左上角顯示實(shí)時(shí)溫度，第二行顯示當(dāng)前測得的厚度值。第二幅圖為保存了測量值的情況，其中顯示屏第一行左半部分顯示溫度，右半部分顯示保存的測量值，第二行為實(shí)時(shí)測量的厚度值。本人在做本畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，遇到了一些困難，有些到現(xiàn)在仍未解決，至今并沒有完成超聲波測厚模塊硬件的制作。于是，在硬件上，我對超聲波測厚模塊進(jìn)行了模擬，采用電位計(jì)模擬測量值。在后續(xù)的工作中，還要繼續(xù)學(xué)習(xí)，繼續(xù)研究，將測厚模塊硬件部分完成，從而構(gòu)成一個完整的基于單片機(jī)的測厚系統(tǒng)。3.10小結(jié)本章對基于單片機(jī)的超聲波測厚系統(tǒng)進(jìn)行了硬件部分設(shè)計(jì)的介紹。詳細(xì)介紹了STCM32單片機(jī)的功能，以及各組成硬件部分的功能原理。通過本章，可以明確實(shí)現(xiàn)測厚系統(tǒng)的整體構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)對的厚度測量。本系統(tǒng)在市場現(xiàn)有的技術(shù)上，加入了溫度補(bǔ)償模塊，可以實(shí)現(xiàn)對鋼板厚度的進(jìn)一步精確測量。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對厚度的測量，并且能夠顯示當(dāng)前溫度，能夠根據(jù)溫度自動修正聲音傳播速度，可以儲存兩組測量值。4測厚系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在第三章中，詳細(xì)的對測厚系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行了介紹。當(dāng)我們有了一個完整的硬件體系，就需要軟件去支持，實(shí)現(xiàn)我們設(shè)計(jì)的功能。本次設(shè)計(jì)基于C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。相對有匯編語言而言，C語言在開發(fā)過程中具有更強(qiáng)的可移植性，且代碼段易讀性強(qiáng)，為后續(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在微控制器功能不斷豐富的背景下，基于C語言進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，可以為后續(xù)的功能擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)，也便于系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試?；诖?，本次設(shè)計(jì)基于C語言進(jìn)行軟件的開發(fā)，并基于KEIL軟件進(jìn)行程序的編譯與調(diào)試。本系統(tǒng)的軟件部分由主程序、計(jì)數(shù)器單元、顯示單元和按鍵單元的軟件構(gòu)成。4.1主程序軟件設(shè)計(jì)當(dāng)打開測厚系統(tǒng)后，首先系統(tǒng)會進(jìn)行初始化。系統(tǒng)將會在按下測量鍵后，提前在脈沖發(fā)射前3.75us進(jìn)行清零計(jì)數(shù)器。然后會提前2.4ms啟動晶振，用來調(diào)試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)會提前20us建立VDD2，用來產(chǎn)生250us寬、20MHZ的脈沖信號，從而使三極管導(dǎo)通產(chǎn)生超聲波。當(dāng)測厚系統(tǒng)初始化完成之后，STM32單片機(jī)會發(fā)出信號用來發(fā)射超聲波，超聲波到達(dá)被測工件地面后會返回，然后系統(tǒng)會判斷是否有回波信號?；夭ㄐ盘栐诮邮罩螅瑫?jīng)過放大信號、中周選頻之后會形成一個厚度方波。在本系統(tǒng)中，用方波的前沿去表示超聲波發(fā)射的時(shí)間，超聲波被探頭接收的時(shí)間用方波的下降沿表示。將25MHZ的晶振與厚度方波相與，然后把處理后的信號送到計(jì)數(shù)器部分開始計(jì)數(shù)。此時(shí)，計(jì)數(shù)器會不停地去判斷計(jì)數(shù)有沒有結(jié)束。計(jì)數(shù)完成以后，計(jì)數(shù)的結(jié)果會通過總線傳遞給單片機(jī)部分，然后進(jìn)行厚度計(jì)算，最后通過顯示屏顯示厚度。下面是系統(tǒng)初始化的流程圖和主程序流程圖。開機(jī)開機(jī)提前3.75ms清零計(jì)數(shù)器單片機(jī)提前2.4ms啟動晶振提前20us建立VDD2，產(chǎn)生250us、20HZ的脈沖初始化結(jié)束，P20發(fā)送控制信號產(chǎn)生超聲波圖4.1系統(tǒng)初始化的流程圖圖4.2主程序軟件流程圖4.2計(jì)數(shù)器單元計(jì)數(shù)器工作過程：74HC393芯片對處理后的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，本系統(tǒng)根據(jù)脈沖個數(shù)判斷是夠觸發(fā)中斷。當(dāng)脈沖的個數(shù)比127大時(shí)，上升沿就會觸發(fā)中斷，然后在上升沿的中斷計(jì)數(shù)加1，計(jì)數(shù)器會清零并且繼續(xù)