畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　基于單片機(jī)的超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)院名稱： 汽車與交通工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 汽車服務(wù)工程 </p><p>　　班 級(jí)： &

2、lt;/p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師職稱： 講 師 <

3、;/p><p><b>　　二〇一七年六月</b></p><p>　　基于單片機(jī)的超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：汽車鋼板在汽車長期運(yùn)行的過程中會(huì)因各種原因發(fā)生銹蝕，嚴(yán)重的銹蝕會(huì)引起鋼板斷裂，進(jìn)而對(duì)行車安全造成極大隱患，因此對(duì)汽車鋼板厚度進(jìn)行定期測量十分必要。此外，在汽車的生產(chǎn)過程中，同樣要對(duì)其鋼板厚度進(jìn)行測量，由此來檢

4、測所用的鋼板是否符合要求。本課題在對(duì)比了目前用于厚度檢測的多種方法的基礎(chǔ)上，選擇了基于單片機(jī)的超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。所設(shè)計(jì)的測厚系統(tǒng)采用超聲波脈沖回波法對(duì)鋼板厚度進(jìn)行測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。測厚系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)是本課題的重點(diǎn)。其中硬件設(shè)計(jì)部分包括STC89C52模塊、超聲波發(fā)射與接收模塊、獨(dú)立按鍵模塊、溫度補(bǔ)償模塊和電源模塊。軟件設(shè)計(jì)部分采用C語言編寫軟件程序，程序包括主程序部分、計(jì)數(shù)器部分、鍵盤部分和溫

5、度補(bǔ)償部分。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；測厚</p><p>　　Design of an Ultrasonic Automotive Steel Plate Thickness Measurement System Based on Single Chip Microcomputer </p><p>　　Abstract：Automotive

6、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 ste

7、el 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 pro

8、duction requirements. In this work, diff</p><p>　　Keywords：Ultrasonic; SCM; Thickness measurement </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義</p><p>　　

9、超聲波技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)是其中一個(gè)很小的一個(gè)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(huì)有更多的行業(yè)應(yīng)用超聲波的各種技術(shù)。</p><p>　　超聲波測量車用鋼板厚度，操作簡單，測量快速。超聲波測量車用鋼板的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以單側(cè)面接觸測量。同時(shí)超聲波車用鋼板測厚系統(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

10、車用鋼板厚度及其局部腐蝕、銹蝕的情況，因此對(duì)汽車的產(chǎn)品檢驗(yàn)，安全行駛的監(jiān)督起到一個(gè)十分重要的作用。</p><p><b>　　1.2 測厚系統(tǒng)</b></p><p>　　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。</p><p>　　圖1

11、-1 測厚儀的分類</p><p>　　1.機(jī)械接觸式測厚技術(shù)</p><p>　　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(gè)壓頭在被測工件的兩個(gè)表面，然后測量這兩個(gè)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。</p><p><b>　　2.超聲波測厚技術(shù)&

12、lt;/b></p><p>　　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(huì)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(duì)車用鋼板進(jìn)行厚度測量。</p><p><b>　　3.χ射線測厚技術(shù)</b&g

13、t;</p><p>　　當(dāng)Χ射線穿透被測工件時(shí)，射線的強(qiáng)度會(huì)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。</p><p>　　4.同位素測厚技術(shù)</p><p>　　同為素測厚技術(shù)原理為：當(dāng)同

14、位素的射線穿過被測工件后，射線的強(qiáng)度會(huì)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(duì)穩(wěn)定。</p><p><b>　　5.渦流測厚技術(shù)</b></p><p>　　渦流測厚技術(shù)的原理為：將信號(hào)源產(chǎn)生的方波信號(hào)加

15、在激勵(lì)線圈的兩端，會(huì)有周期脈沖電流產(chǎn)生在激勵(lì)線圈之中。然后會(huì)感應(yīng)出脈沖磁場且會(huì)迅速衰減，之后脈沖電流會(huì)在導(dǎo)體中被磁場感應(yīng)出，脈沖渦流會(huì)傳播進(jìn)工件內(nèi)部，與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流磁場且會(huì)迅速衰減，而檢測線圈會(huì)由于渦流磁場的衰減，感應(yīng)電動(dòng)勢會(huì)隨著時(shí)間變化。由瞬間感應(yīng)電動(dòng)勢與被測材料厚度之間的關(guān)系，可以計(jì)算出被測工件的厚度。渦流測厚儀優(yōu)點(diǎn)為價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)線路簡單。缺點(diǎn)為精度低，不穩(wěn)定。</p><p><b>　　6

16、.激光測厚技術(shù)</b></p><p>　　激光測厚技術(shù)一般用于非透明板材的測量，能夠?qū)崿F(xiàn)不接觸測量而且精度較高。測量原理為：在被測工件的上下兩個(gè)表面用兩束準(zhǔn)直共線的激光去照射，這是被測工件上就會(huì)有兩個(gè)光點(diǎn)，被測工件在這一點(diǎn)的厚度就是這兩個(gè)光點(diǎn)之間的距離。測量點(diǎn)處的厚度經(jīng)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后光信號(hào)會(huì)在光學(xué)傳感器的作用下轉(zhuǎn)為電信號(hào)，最后經(jīng)過處理計(jì)算就能夠得到被測工件的厚度值。</p>

17、<p>　　1.3 超聲波測厚研究現(xiàn)狀及發(fā)展</p><p>　　在20世紀(jì)30年代，超聲波檢測技術(shù)開始興起。超聲波測厚儀是由四十年代美國GM公司首次推出，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛用于工業(yè)檢測診斷。GM公司的測厚儀工作原理是采用了共振法，但是共振法測厚儀只能測量內(nèi)外面平行的厚度，測量精度小，范圍也小等缺點(diǎn)，沒有成為主流。由于脈沖反射法測量精準(zhǔn)，算法簡單，成為了超聲波測厚的主流。脈沖反射法是通過測量超聲波在被測工件

18、中的時(shí)間，加上聲速校正，由聲速與厚度的關(guān)系，計(jì)算出被測工件的厚度值。在1944年和1946年，美國和英國分別對(duì)超脈沖式聲波測厚儀研制成功，并且都能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板與鋼管進(jìn)行厚度測量。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)與集成電路不成熟，沒有形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，未能得到推廣。</p><p>　　到了20世紀(jì)70年代，由于集成電路的成熟應(yīng)用，使得超聲波測厚系統(tǒng)的能耗大大降低。同時(shí)，隨著可充電電池系統(tǒng)的問世，超聲波測厚系統(tǒng)的體積和質(zhì)量可以越做越小，

19、與此同時(shí)，測量精度也得到了大幅提升。這個(gè)時(shí)代的超聲波測厚儀由于信號(hào)的高頻特性，無法對(duì)動(dòng)態(tài)波形進(jìn)行分析。</p><p>　　20世紀(jì)80年代以后，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得超聲波測厚儀有可能對(duì)動(dòng)態(tài)波形進(jìn)行采集與分析。當(dāng)單片機(jī)技術(shù)成熟并廣泛傳播與應(yīng)用之后，相比較于老式的純硬件超聲波測厚儀，使用單片機(jī)的超聲波測厚儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲速和厚度進(jìn)行設(shè)定，測量過程可由按鍵控制。最近，智能化超聲波測厚儀開始出現(xiàn)，

20、由于智能超聲波測厚儀測量精度高，體積小，適合帶到工作現(xiàn)場工作并且能夠適應(yīng)高空或水下燈等工作環(huán)境進(jìn)行檢測，在工業(yè)無損檢測的領(lǐng)域的到了十分廣泛的推廣與應(yīng)用。</p><p>　　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(huì)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。</p><p>　　1.4 課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文將詳

21、述一種基于單片機(jī)超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)，介紹其設(shè)計(jì)思路及各部分方案選型。因此，研究的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　分析超聲波的傳播特性及超聲波在金屬材料中回波反射情況，構(gòu)建合理的超聲波發(fā)射信號(hào)硬件電路，針對(duì)本課題的目標(biāo)，進(jìn)行算法改進(jìn)，提高測厚精度；</p><p>　　介紹超聲波測厚儀的厚度測量原理，包括系統(tǒng)的整體框架。對(duì)超聲波系統(tǒng)的發(fā)射與接收部分進(jìn)行介紹，能夠明確各個(gè)部分的性能要求

22、以及設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　完成基于單片機(jī)的超聲波汽車鋼板測厚系統(tǒng)的硬件規(guī)劃，并根據(jù)硬件使用C語言進(jìn)行對(duì)應(yīng)的軟件程序的編寫。</p><p>　　第二章 超聲波測厚的基本原理</p><p>　　2.1 超聲波的介紹</p><p>　　2.1.1 超聲波的概念</p><p>　　聲波的傳播形式為物體機(jī)械振動(dòng)

23、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(dòng)頻率大于20000Hz，人耳聽覺不能感受到的聲波，被稱為超聲波。</p><p>　　2.1.2 超聲波的特點(diǎn)</p><p>　　超聲波的波長與其他聲波的波長相比較短、方向性較好并且能夠穿透不透明的工件。由于這一特性，超聲波可以用于各種測量領(lǐng)域。超聲波在傳播

24、過程中有良好的方向性且具有集中的能量，傳播距離遠(yuǎn)且能在多種多樣的介質(zhì)中傳播，并且超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射。因此，超聲波測厚原理的關(guān)鍵是超聲波反射、折射。</p><p>　　（1）超聲波的反射和透射特性</p><p>　　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(huì)穿透這個(gè)相交面繼續(xù)傳播，而剩下的部分將會(huì)在相交面處被反射，如圖2-1所示。</p><

25、p>　　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</p><p>　　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(duì)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(huì)接近0，透射系數(shù)會(huì)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(huì)接近1，透射系數(shù)會(huì)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(duì)于固體之間，是非常有必要采用耦合劑的。</p><p>　　

26、（2）超聲波的折射特性</p><p>　　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(huì)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。</p><p>　　圖2-2 超聲波反射與折射情況</p><p>　　sinα/C1=sinβ/C2</p>

27、;<p>　　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(duì)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(gè)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

28、。</p><p>　?。?）超聲波的衰減特性</p><p>　　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(huì)漸漸的減弱，出現(xiàn)這種現(xiàn)象就是衰減。有以下三個(gè)主要方面會(huì)引起能量的衰減：</p><p>　　1、由聲束擴(kuò)展引起的衰減</p><p>　　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(huì)不斷地?cái)U(kuò)

29、大。所以聲能在單位距離上會(huì)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)，球面波的聲壓反比于至聲源距離，也就是p∝。而對(duì)于柱面波來說，則為p∝。平面波的聲波不會(huì)隨著傳播距離的增大而減弱，所以平面波沒有擴(kuò)散衰減。</p><p>　　2、由散射引起的衰減</p><p>　　當(dāng)實(shí)際材料中有雜質(zhì)、不均勻的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致材料的阻抗不均勻，在這種情況下就會(huì)導(dǎo)致聲波的散射。當(dāng)超

30、聲波發(fā)生散射之后，超聲波會(huì)在介質(zhì)中沿著很復(fù)雜的路徑傳播，在這個(gè)過程中，熱能會(huì)慢慢的被轉(zhuǎn)化為熱能。這種衰減就是散射衰減。</p><p>　　3、由介質(zhì)的吸收引起的衰減</p><p>　　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(huì)產(chǎn)生摩擦，就會(huì)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(huì)因?yàn)槌砻艹潭炔煌瑫?huì)進(jìn)行熱交換以及分子松散會(huì)吸收熱能，這些現(xiàn)象都屬于介質(zhì)吸收。<

31、/p><p>　　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。</p><p>　　PX=P0·e-αx</p><p>　　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：</p><p><

32、;b>　　α=αs +αa</b></p><p>　　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</p><p><b>　　αa=c1f</b></p><p>　　式中：C1是常數(shù)；f為超聲波頻率。</p><p>　　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：<

33、;/p><p>　　當(dāng)d≤λ時(shí)，αs=c2Fd3f4（c2為常數(shù)）。</p><p>　　當(dāng)d≈λ時(shí)，αs=c3Fdf2（c3為常數(shù)）。</p><p>　　當(dāng)d≥λ時(shí)，αs=c4F/d （c4為常數(shù)）。</p><p>　　其中，F(xiàn)代表各向異性系數(shù)。</p><p>　　通過以上的公式，我們可以看出超聲波的頻率對(duì)超聲波的

34、衰減有很大的影響。一般來說，頻率越高，衰減會(huì)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(duì)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車用鋼板。</p><p>　　2.2 超聲波測厚的原理</p><p>　　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(huì)對(duì)超聲波測厚的原理進(jìn)行研究，而且還會(huì)分析超聲波測厚的各種方法。下面開

35、始介紹超聲波常用的測厚技術(shù)。</p><p>　?。?）共振法測厚技術(shù)</p><p>　　共振法測厚技術(shù)使用調(diào)制的正弦波信號(hào)激勵(lì)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(huì)在被測工件內(nèi)形成駐波，從而會(huì)產(chǎn)生共振。</p><p>　　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)：</p>&l

36、t;p>　　上式中，n為任意整數(shù)。當(dāng)已知被測工件材料的聲速c時(shí)，由c=fλ這個(gè)公式，就可以計(jì)算出發(fā)生厚度共振時(shí)的超聲波頻率為：</p><p>　　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(gè)相鄰諧波頻率的差值，即：</p><p>　　由以上的公式可以看出，厚度可以根據(jù)兩個(gè)相鄰諧波的頻率的差值求得，即：</p><p>　　由

37、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： </p><p>　　只有當(dāng)被測工件的兩個(gè)表面平滑的時(shí)候，才能用共振法測量技術(shù)測量。而對(duì)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)。</p><p>　?。?）脈沖反射法測厚技術(shù) </p><p>　　圖2-3 脈沖反射法超聲測厚

38、工作原理圖</p><p>　　本方法是利用脈沖發(fā)射器發(fā)出一個(gè)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(hào)△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。</p><p>　　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。</p><p>　　△T的可以通過以

39、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)。</p><p><b>　　2.3 超聲波探頭</b

40、></p><p>　　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。</p><p>　　圖2-4 超聲波探頭實(shí)物圖</p&

41、gt;<p>　　2.3.1 超聲波探頭的組成</p><p>　　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。</p><p>　　圖2-5 超聲波直探頭的結(jié)構(gòu)</p><p>　　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(gè)晶片，其中一個(gè)為發(fā)射器，剩下的一個(gè)是接收器。縱波雙晶探頭靈敏度高，響應(yīng)迅速。表2-1

42、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)。</p><p>　　表2-1 雙晶探頭的組成和功能</p><p>　　表2-2 超聲波探頭的性能參數(shù)</p><p>　　2.3.2 超聲波探頭的種類和功能</p><p>　　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)

43、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。</p><p>　　表2-3 超聲波探頭的類別和用途</p><p>　　2.3.3 超聲波探頭的工作原理</p><p>　　壓電效應(yīng)是超聲波發(fā)射和接收超聲波所利用的原理。超聲波探頭具體的工作原理為：壓電晶片上會(huì)加上由超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生的交變電壓，有兩塊面積相同的金屬極板在壓電晶片上，當(dāng)

44、電壓到達(dá)兩金屬極板后，二者會(huì)分別產(chǎn)生等量的異種電荷，并形成電場，由此產(chǎn)生了電場力。壓電晶片具有良好的壓電效應(yīng)，壓電晶片會(huì)在電場力的作用下發(fā)生形變，這種效應(yīng)是逆壓電效應(yīng)，是超聲波探頭發(fā)射超聲波的過程。同樣，壓電效應(yīng)會(huì)受到返回的回波信號(hào)作用，壓電晶片會(huì)在交變的拉與壓的作用力下產(chǎn)生交變電場，這種效應(yīng)是壓電效應(yīng)，是超聲波探頭接收超聲波的過程。</p><p>　　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

45、超聲波探頭對(duì)超聲波信號(hào)受溫度變化的影響以及衰減程度一定要盡可能的小。</p><p>　　超聲波探頭有如下的三個(gè)性能指標(biāo)：</p><p>　　（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；</p><p>　?。?）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

46、夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，并且有可能失效；</p><p>　　（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(huì)越高。超聲波測厚儀與探頭的匹配程度的好壞也會(huì)影響靈敏度。</p><p>　　2.4 超聲波耦合劑的選擇</p><p>　　當(dāng)超聲波測厚探頭直接與被測工件接觸時(shí)，就會(huì)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(huì)引

47、起對(duì)超聲波信號(hào)造成十分大的干擾，并且會(huì)導(dǎo)致超聲波信號(hào)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(huì)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(huì)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。</p><p>　　圖2

48、-6超聲波測厚專用耦合劑</p><p>　　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(duì)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(huì)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

49、的耦合劑的參數(shù)如下圖所示。</p><p>　　表2-4 常見耦合劑的參數(shù)</p><p>　　2.5超聲波測厚系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　2.5.1基本性能參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　其基本的性能參數(shù)

50、如下：</p><p>　　1）顯示最小單位：0.01mm；</p><p>　　2）工作頻率：5MHZ；</p><p>　　3）測量范圍：0.12mm-120.00mm；</p><p>　　4）使用誤差：±（1％T+0.1）mm，其中T為被測物的實(shí)際厚度；</p><p>　　5）電源：USB外部供電。

51、</p><p>　　2.5.2 基本功能設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)下列功能：</p><p>　　1）超聲波接收探頭能夠?qū)崟r(shí)的接收有用的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車用鋼板厚度的測量；</p><p>　　2）能夠顯示實(shí)時(shí)厚度值；</p><p>　　3）能夠顯示實(shí)時(shí)溫度值；</p><p>

52、;　　4）能夠存儲(chǔ)之前測量的兩組厚度值。</p><p><b>　　2.6小結(jié)</b></p><p>　　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(duì)汽車鋼板厚度的測量并且能夠儲(chǔ)存兩組測量值。</p><p>　　第三章 車用鋼板測厚系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

53、</p><p>　　對(duì)于基于單片機(jī)的超聲波車用鋼板測厚系統(tǒng)的硬件部分，核心部分是單片機(jī)微處理器。單片機(jī)功能十分強(qiáng)大，負(fù)責(zé)管理控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。本測厚系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是超聲波發(fā)射電路和接收電路。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，超聲波回波的微弱信號(hào)要經(jīng)過一定的放大并且能夠抵抗外界的干擾。超聲波測厚能夠得以實(shí)現(xiàn)需要計(jì)數(shù)器電路。本系統(tǒng)的輸出終端為液晶顯示模塊。電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供運(yùn)行的動(dòng)力來源。</p><p

54、>　　3.1 硬件電路的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　在上一章的性能要求和功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含了如下模塊：電源模塊、單片機(jī)模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、計(jì)數(shù)器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、溫度補(bǔ)償模塊。下圖為超聲波測厚系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3-1 結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　厚度測量過程：首先，接通鍵盤電路，在

55、單片機(jī)的控制下，發(fā)射電路會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，從而讓探頭能夠發(fā)射超聲波。此時(shí)，開始清零計(jì)數(shù)器，在單片機(jī)的控制下，建立閥門脈沖的前沿。當(dāng)超聲波到達(dá)工件底部時(shí)，會(huì)返回，并且返回的聲波信號(hào)會(huì)被探頭接收，接收電路會(huì)對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行放大、中周選頻，通過74HC211芯片建立閥門脈沖，記發(fā)射脈沖為脈沖的前沿，接收到的回波脈沖為閥門脈沖的后沿，則閥門脈沖為超聲波在被測工件內(nèi)入射和反射所使用的時(shí)間。計(jì)數(shù)器電路會(huì)將25MHZ的晶振脈沖與這閥門脈沖相與進(jìn)行計(jì)數(shù)

56、。計(jì)數(shù)器將會(huì)在超聲波傳播的時(shí)間內(nèi)，對(duì)振蕩脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后就可以得到測量工件所花費(fèi)的時(shí)間，然后將時(shí)間值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行計(jì)算。最后，計(jì)算的厚度值的結(jié)果通過液晶顯示電路顯示。</p><p>　　3.2 單片機(jī)控制模塊</p><p>　　單片機(jī)是一種集成電路芯片，單片機(jī)將CPU、RAM、ROM、I/O口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等通過集成電路的技術(shù)集成到一塊硅片上，從而構(gòu)成了一個(gè)微型

57、的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可以用來生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。</p><p>　　3.2.1 89C52單片機(jī)</p><p>　　STC89C52系列單片機(jī)是STC推出的新一代單片機(jī)，具有高速、低功耗以及抗干擾的特點(diǎn)。STC89C52單片機(jī)具有以下的工作特性：</p><p>　　1）對(duì)傳統(tǒng)8051系統(tǒng)的指令代碼全部兼容，可選擇每機(jī)器周期12時(shí)鐘，也可以選

58、擇每機(jī)器周期6時(shí)鐘；</p><p>　　2）工作電壓：5.5-3.3V；</p><p>　　3）工作頻率：工作頻率的范圍可達(dá)0-40MHz，在實(shí)際使用過程中，工作頻率可以達(dá)到48MHZ；</p><p>　　4)用戶應(yīng)用程序空間：4K/8K/13K/32K/64K字節(jié)；</p><p>　　5）片上集成128字節(jié)或512字節(jié)RAM；<

59、;/p><p>　　6）有35個(gè)輸入端口，59個(gè)輸出端；</p><p>　　7）不需要專用的編程器和仿真器，就可以對(duì)系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)行編程?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)通過串口對(duì)應(yīng)用程序直接下載；</p><p>　　8）有EEPROM功能；</p><p><b>　　9）看門狗；</b></p><p>　　10

60、）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器共有3個(gè)，其中可以用來作為2個(gè)8位定時(shí)器使用的是定時(shí)器0；</p><p>　　11）有4路的外部中斷，中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)或者是低電平觸發(fā)；</p><p>　　12）具有通用的異步串行口；</p><p>　　13)工作溫度范圍：-40~+85°C。</p><p>　　STC89C52系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框

61、圖如下圖所示。CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊都是屬于STC89C52單片機(jī)的。</p><p>　　圖3-2 STC89C52系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)采用的STC89C52單片機(jī)是本套測厚系統(tǒng)的核心。它既連接著發(fā)射接收電路，控制超聲波的發(fā)射和回收信號(hào)的接收與調(diào)制。又控制著計(jì)數(shù)器電路，使計(jì)數(shù)器模塊能夠讀出有效的脈

62、沖。STC89C52單片機(jī)還與顯示模塊相連，使測量值能在LCD顯示屏顯示出來。另外單片機(jī)還與時(shí)鐘信號(hào)相連，記錄系統(tǒng)的采集時(shí)間。下圖是STC89C52單片機(jī)的接口電路圖。</p><p>　　圖3-3 STC89C52單片機(jī)接口電路圖</p><p>　　3.2.2 串口通信電路</p><p>　　本系統(tǒng)使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)RS-232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換。M

63、AX232芯片的生產(chǎn)公司為MAXIM,有一個(gè)電源電壓變換器在芯片內(nèi)部，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器IC芯片和兩路接收器都是MAX232的組成部分。通過內(nèi)部的電源電壓變換器，可以把輸入的5V電壓變成10V電壓以供RS232使用。因此，在RS232的使用過程中僅僅需要一個(gè)5V電源就可以。</p><p>　　圖3-4 MAX232引腳結(jié)構(gòu)與外圍電路圖</p><p>　　其中，右圖中，上半部分為電源轉(zhuǎn)換部分，

64、包括C1-4和V+、V- 。</p><p>　　右圖中，下半部分包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是接收部分，另一個(gè)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。</p&g

65、t;<p>　　在MAX232芯片的連接過程中，一定要將發(fā)送、接收的引腳對(duì)應(yīng)。如果引腳不對(duì)應(yīng)，將會(huì)對(duì)芯片造成損害。</p><p>　　3.2.3 時(shí)鐘電路</p><p>　　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(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路?？?/p>

66、以實(shí)現(xiàn)每月天數(shù)和閏年的自動(dòng)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(gè)接口與單片機(jī)進(jìn)行簡單的通信。</p><p>　　DS1302芯片被廣泛用于便攜式儀器，其主要擁有以下特性：</p><p>　　DS1302能夠計(jì)算2100年以前的年、月、日、時(shí)、分、秒，而且能夠?qū)?/p>

67、閏年進(jìn)行調(diào)整；</p><p>　　擁有8位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM；</p><p>　　DS1302管腳數(shù)量最少；</p><p>　　其工作電壓在2.0-5.5V之間；</p><p>　　在2.0V的工作電壓下，電流小于300nA；</p><p>　　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)

68、據(jù)時(shí)鐘時(shí)使用；</p><p>　　具有簡單的3線接口；</p><p>　　擁有8腳的DIP封裝或SOIC封裝；</p><p>　　其工作溫度范圍在-40-+85℃之間；</p><p>　　其電源為5V，與TTL兼容；</p><p><b>　　擁有雙電源管。</b></p>

69、<p>　　下圖3-5為DS1302管腳圖：</p><p>　　圖3-5 DS1302管腳圖</p><p>　　1) VCC1為備用電源；</p><p>　　2) VCC2為主用電源引腳；</p><p>　　3)GND為接地；</p><p>　　4)RST為復(fù)位引腳；</p>

70、<p>　　5)I/O為串行數(shù)據(jù)引腳；</p><p>　　6)SCLK為串行時(shí)鐘引腳；</p><p>　　7) X1、X2為DS1302的外部晶振引腳。</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)射模塊</p><p>　　超聲波發(fā)射電路的發(fā)射信號(hào)的好壞，會(huì)直接影響測厚系統(tǒng)回波信號(hào)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

71、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。</p><p>　　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(duì)輸入型號(hào)的波形進(jìn)行整形，能夠?qū)崿F(xiàn)6路信號(hào)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。</p><p>　　在本系統(tǒng)中

72、，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(gè)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(gè)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(huì)開始高電平輸出，然后對(duì)電容C重新開始充電。電路會(huì)一直這樣反復(fù)，會(huì)不停地進(jìn)行充放

73、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(huì)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。</p><p>　　圖3-6超聲波發(fā)射電路圖</p><p>　　上圖中，VN2406是一個(gè)NMOS管，其中，電阻R202有加速M(fèi)OS關(guān)斷的作用。VDD1會(huì)接入一個(gè)低電壓，形成一個(gè)低電勢。電流在電感L20

74、1中會(huì)伴隨著輸入電壓的不斷增大，L201一直在儲(chǔ)能，最終會(huì)形成交變電流。在這里MOS管會(huì)起到一個(gè)開關(guān)管的作用，在右側(cè)輸出端會(huì)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)榉较騿我坏闹绷麟姟?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(hào)進(jìn)行控制，然后高電壓的脈沖信號(hào)就會(huì)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。</p&

75、gt;<p>　　3.4 超聲波接收模塊</p><p>　　超聲波的回波信號(hào)會(huì)在測量距離特別大的時(shí)候會(huì)變的很小很小，所以超聲波轉(zhuǎn)換過來的電信號(hào)的幅度在電路中也很小，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。而且要處理掉回波信號(hào)中的無用的波形信號(hào)，處理完之后的波形會(huì)形成一個(gè)閥門脈沖，會(huì)用一個(gè)25M的晶振進(jìn)行調(diào)制，然后脈沖會(huì)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(hào)

76、放大電路、計(jì)數(shù)器模塊、中周選頻電路構(gòu)成。</p><p>　　3.4.1 回波信號(hào)放大電路</p><p>　　在本系統(tǒng)中，回波信號(hào)會(huì)經(jīng)過三極管三級(jí)放大。下圖為多級(jí)放大器的組成圖。</p><p>　　圖3-7 多級(jí)放大器的組成框圖</p><p>　　輸入級(jí)與中間級(jí)的功用是對(duì)電壓進(jìn)行放大，輸出級(jí)的功用是放大功率，以此實(shí)現(xiàn)放大，推動(dòng)負(fù)載工作。

77、</p><p>　　在本系統(tǒng)中，由于只能接受到十分小的回波信號(hào)，所以要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。在圖3-8中，電阻R302和電位器VR301可以對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)θ龢O管C301提供一個(gè)1.5V的窄波信號(hào)。三極管Q301、Q302、Q303組成的三級(jí)放大器將會(huì)對(duì)回波信號(hào)與1.5V信號(hào)疊加后的信號(hào)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(jí)放大。變壓器T301的工作是通過Q304來控制的。</p><p

78、>　　圖3-8 超聲波回波信號(hào)放大電路</p><p>　　3.4.2 中周調(diào)頻電路</p><p>　　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(hào)的頻率相同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)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。</p><p>　　圖3-9 中周調(diào)

79、頻電路</p><p>　　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(duì)被測工件測量時(shí)，需要對(duì)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。</p><p>　　3.4.3 計(jì)數(shù)器模塊</p><p>　　在本系統(tǒng)運(yùn)行

80、時(shí)，只要檢測到被測工件的存在，接收電路就會(huì)同時(shí)輸出一個(gè)信號(hào)，然后計(jì)數(shù)器就會(huì)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：</p><p>　　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(gè)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(gè)測量上限。后來通過將74HC393的最

81、高輸出端接到STC89C52單片機(jī)的P5和P6折兩個(gè)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(gè)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(gè)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： </p><p>　　上式中，上升沿中斷的觸發(fā)個(gè)數(shù)為a，下降沿中斷的觸發(fā)個(gè)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1.2-225m

82、m，因此需要對(duì)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：</p><p>　　3.4.4 超聲波測厚系統(tǒng)的測量范圍</p><p>　　由3.4.3可以得出，本汽車鋼板測厚系統(tǒng)在20℃時(shí)可以對(duì)鋼材實(shí)現(xiàn)的測量的最大厚度為286.858mm。</p><p>　　計(jì)數(shù)器通過一個(gè)脈沖時(shí)的值就是本系統(tǒng)可以測得的最小值：</p&g

83、t;<p>　　式中，0.04us是一個(gè)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。</p><p>　　所以，本基于單片機(jī)的超聲波汽車鋼板測厚系統(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。</p><p><b>　　3.5 顯示模塊

84、</b></p><p>　　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(gè)字符，一共可以顯示兩行。下圖為1602的引腳功能數(shù)據(jù)表。</p><p>　　表3-2 1602引腳功能數(shù)據(jù)表</p><p>　　下圖為1602的開發(fā)板電路圖：</p><p>　　圖3-10 1602電路圖</p>

85、<p>　　1602的使用注意事項(xiàng)：</p><p>　　1.LCD1602是以ASCLL碼對(duì)寫進(jìn)去的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行識(shí)別，因此，要以ASCLL碼對(duì)顯示的字符進(jìn)行編寫；</p><p>　　2.在操作LCD1602之前要進(jìn)行初始化； </p><p>　　3.LCD1602可以對(duì)字符進(jìn)行自定義；</p><p>　　4.調(diào)用顯示數(shù)據(jù)可以

86、通過調(diào)用字符數(shù)組的形式。</p><p><b>　　3.6 獨(dú)立按鍵</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了4個(gè)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：</p><p>　　圖3-11 獨(dú)立鍵盤電路圖</p><p>　　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)

87、械接觸時(shí)，會(huì)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(huì)產(chǎn)生按鍵抖動(dòng)，我們采用了軟件延時(shí)的方法去抖動(dòng)，過程如下：</p><p>　　1. 首先對(duì)IO口進(jìn)行高電平設(shè)置；</p><p>　　2.然后確認(rèn)按鍵時(shí)候按下；</p><p>　　3.當(dāng)有低電平的IO口時(shí)，設(shè)置延時(shí)；</p><p>　　4. 再次讀取是否有低電平的IO

88、口，如果有，說明對(duì)應(yīng)按鍵按下；</p><p>　　5.最后對(duì)按鍵的程序進(jìn)行執(zhí)行。</p><p><b>　　3.7 溫度補(bǔ)償</b></p><p>　　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(gè)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。</p

89、><p>　　在本系統(tǒng)中，DQ與STC89C52單片機(jī)P10引腳相連接。</p><p>　　由于溫度會(huì)對(duì)聲速造成影響，所以本系統(tǒng)中會(huì)對(duì)聲速進(jìn)行一個(gè)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：</p><p>　　在最終計(jì)算過程中，會(huì)對(duì)聲速進(jìn)行修正，從而得到一個(gè)更加精確的厚度

90、測量值。</p><p>　　圖3-12 DS18B20管腳圖</p><p><b>　　3.8 電源模塊</b></p><p>　　電源是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。在本汽車鋼板測厚系統(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(huì)需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中采用了LT1763-

91、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。</p><p>　　圖3-13 3.3V電源電路圖</p><p><b>　　3.9 實(shí)物運(yùn)行圖</b></p><p>　　圖3-14 實(shí)物運(yùn)行圖</p><p>　　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

92、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。</p><p>　　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(duì)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(gè)完整的

93、基于單片機(jī)的車用鋼板測厚系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.10 小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)基于單片機(jī)的超聲波汽車鋼板測厚系統(tǒng)進(jìn)行了硬件部分設(shè)計(jì)的介紹。詳細(xì)介紹了STC89C52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(duì)汽車鋼板的厚度測量。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(duì)鋼板厚

94、度的進(jìn)一步精確測量。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車鋼板厚度的測量，并且能夠顯示當(dāng)前溫度，能夠根據(jù)溫度自動(dòng)修正聲音傳播速度，可以儲(chǔ)存兩組測量值。</p><p>　　第四章 汽車鋼板測厚系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　在第三章中，詳細(xì)的對(duì)測厚系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行了介紹。當(dāng)我們有了一個(gè)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。</p><p>　　由于C語言具有很高

95、的編程效率而且代碼具有可維護(hù)性、可移植性，所以本系統(tǒng)的軟件是使用C語言來編寫的。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。</p><p>　　4.1主程序軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)打開汽車鋼板測厚系統(tǒng)后，首先系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行初始化。系統(tǒng)將會(huì)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(huì)提前2.4ms啟動(dòng)晶振，用來調(diào)試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)會(huì)提前20us建

96、立VDD2，用來產(chǎn)生250us寬、20MHZ的脈沖信號(hào)，從而使三極管導(dǎo)通產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　當(dāng)汽車鋼板測厚系統(tǒng)初始化完成之后，89C52單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)用來發(fā)射超聲波，超聲波到達(dá)被測工件地面后會(huì)返回，然后系統(tǒng)會(huì)判斷是否有回波信號(hào)。回波信號(hào)在接收之后，會(huì)經(jīng)過放大信號(hào)、中周選頻之后會(huì)形成一個(gè)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

97、晶振與厚度方波相與，然后把處理后的信號(hào)送到計(jì)數(shù)器部分開始計(jì)數(shù)。此時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)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(huì)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。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)初始化的流程圖</p><p>　　圖4-2 主程序軟件流程圖</p><p><b&g

98、t;　　4.2計(jì)數(shù)器單元</b></p><p>　　計(jì)數(shù)器工作過程：74HC393芯片對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，本系統(tǒng)根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)判斷是夠觸發(fā)中斷。當(dāng)脈沖的個(gè)數(shù)比127大時(shí)，上升沿就會(huì)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(huì)清零并且繼續(xù)計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)比255大時(shí)，下降沿就會(huì)觸發(fā)中斷，下降沿中斷計(jì)數(shù)加1，計(jì)數(shù)器會(huì)清零并且繼續(xù)計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)大于256+127時(shí)，上升沿中斷觸發(fā)，上升沿中斷觸發(fā)，上

99、升沿中斷計(jì)數(shù)加1，計(jì)數(shù)清零。以此類推，直到計(jì)數(shù)結(jié)束。計(jì)數(shù)器單元的軟件流程圖如下。</p><p>　　圖4-3 計(jì)數(shù)器軟件流程圖</p><p><b>　　4.3 鍵盤單元</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用的是STC89C52的獨(dú)立鍵盤，只要單片機(jī)有空閑，就會(huì)在空閑時(shí)就會(huì)掃面鍵盤的輸入口。一開始單片機(jī)會(huì)確定按鍵的位置，然后會(huì)儲(chǔ)存當(dāng)前測量

100、得到的厚度值。下圖為鍵盤掃描流程圖。</p><p>　　圖4-4 鍵盤掃描程序流程圖</p><p>　　4.4 溫度補(bǔ)償單元</p><p>　　由于溫度會(huì)對(duì)聲速造成部分影響，所以要對(duì)聲速進(jìn)行校正。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。下圖為溫度補(bǔ)償軟件流程圖。</p><p>

101、;　　圖4-5 溫度補(bǔ)償程序流程圖</p><p><b>　　4.5 軟件主程序</b></p><p>　　#include"reg52.h"</p><p>　　#include"XPT2046.h"</p><p>　　#include<lcd1602.h>&l

102、t;/p><p>　　#include <beep.h></p><p>　　#include<DS18B20.h></p><p>　　extern temp_value;</p><p>　　//--定義使用的IO--//</p><p>　　sbit key1=P3^0;</p>

103、<p>　　sbit key2=P3^1;</p><p>　　sbit key3=P3^2;</p><p>　　sbit key4=P3^3; </p><p>　　long int a1,b1;</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</

104、b></p><p>　　long int temp;</p><p>　　uint count;</p><p>　　InitLcd();</p><p><b>　　P2=0xff;</b></p><p><b>　　beep(1);</b></p>

105、<p>　　Init_DS18B20( ); </p><p>　　ReadTemp();</p><p>　　lcd_pos(0x40);</p><p>　　LCD_DisStr("HouDu:") ;</p><p><b>　　while(1)</b></p>&l

106、t;p><b>　　{</b></p><p>　　ReadTemp();</p><p><b>　　count++;</b></p><p>　　lcd_pos(0x00);</p><p>　　LCD_DisStr("T:") ;xianshi_T(temp_val

107、ue); WriteData(0xdf);WriteData(0x43);</p><p>　　if(count==5)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　count=0; </b></p><p>　　temp = Read_AD_Data(0x94)*(temp

108、_value-20);// AIN0 電位器</p><p>　　lcd_pos(0x46);</p><p>　　xianshi_three(temp);</p><p>　　LCD_DisStr("mm") ;</p><p>　　if(key1==0)</p><p><b&

109、gt;　　{ </b></p><p>　　delay_ms(1);</p><p>　　if(key1==0)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　a1=temp ;</b></p><p>　　lcd_pos(0x09)

110、;</p><p>　　LCD_DisStr("S") ;</p><p>　　delay_ms(400);</p><p>　　lcd_pos(0x09);</p><p>　　LCD_DisStr(" ") ;</p><p><b>　　}</b>

111、</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key2==0)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　delay_ms(1);</p><p>　　if(key2==0)</p><p><b

112、>　　{ </b></p><p>　　lcd_pos(0x09);</p><p>　　xianshi_three(a1);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key3==0)<

113、;/p><p><b>　　{ </b></p><p>　　delay_ms(1);</p><p>　　if(key3==0)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　b1=temp ;</b></p>

114、;<p>　　lcd_pos(0x09);</p><p>　　LCD_DisStr("S") ;</p><p>　　delay_ms(400);</p><p>　　lcd_pos(0x09);</p><p>　　LCD_DisStr(" ") ;</p><

115、p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key4==0)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　delay_ms(1);</p><p>　　if(key4==0