超声波测厚仪.doc

超声波测厚仪1.系统方案设计1.1 概述由于社会不断进步发展，人们对物体厚度测量的要求越来越高，许多传统的测厚方法已经无法满足我们的需求，还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测厚方法也很难完成测量的任务。第一台接触式速续测厚仪大约出现在1930年，操作者用这台侧厚仪器去侧量铜材的厚度时, 必须把它推向待侧的钢带, 用机械的方法来测量距带材边沿几寸范围内的金属材料的厚度。这种测量方法使用极其不便，而且测量精度也很低。在我们看来，一般的物体尺寸的测量，无非长、宽、高（厚），三个方面，而厚度测量是生产中最常见的测量内容之一,常用量具是游标卡尺或千分尺,这些量具在使用时都必须和工件接触,虽然接触压力不大,但对一些特殊工件,在测量时不允许量具和工件接触,否则会在工件表面上留下压印或划痕，甚至有些测量环境环境下很难或无法进行接触式测量，那么，这就需要有一种新的方法来代替接触式测量。随着科技大发展和生产力的要求，非接触式的测量方法出现了。第一台成功的非接触式自动测厚仪应用了X射线吸收技术。从此，非接触式测量方法开始了迅猛发展，其强大的功能和优点无法使传统的接触式测量望其项背，也为人类社会的发展，工业文明的进步做出了巨大的贡献。而目前能够通过采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。于是，超声波测距这种新的测距方法在测距的应用中将越来越广。 由于超声波具有指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量厚度就可以解决传统测量方法中遇到的问题。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。 超声波测厚电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好，并且能够非常简单快捷的测出所需要的距离。 超声波测厚适用于超声波能以一恒定速度在其内部传播,并能从其背面得到反射的各种材料厚度的测量。此仪器可对各种板材和各种加工零件作精确测量。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。由单片机计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度可以达到毫米级，同时此系统的成本非常的低廉，稳定性好,可以得到广泛的应用。1.2 系统方案框图 图1 超声波测厚仪原理框图此系统根据超声波在空气中传播反射原理, 把超声波传感器作为接口部件, 利用超声波在空气中传播的时间差来测量厚度,设计了一套超声波检测系统。该系统设计主要分为主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个基本模块构成。2. 超声波测厚仪工作原理2.1检测原理超声波测厚方法的原理通常使用的是时间差。首先测量从发射超声波遇到障碍后返回的时间，然后乘以超声声速的二分之一即得到声源与障碍物之间的厚离。声波智能测厚仪设计测量装置利用超声波传感器，与单片机处理，最后通过LED数码管显示测量值之间的厚度。智能超声波测厚仪由三个部分组成，包括微控制器，超声波传感器和数字控制。图2 超声波智能测厚仪原理框图由上图可以看出，硬件电路设计主要包括单片机系统，超声波发射器和超声波接收器，显示电路四部分组成。或者用AT89C52单片机微控制器系列兼容系列代替。单片机对超声波发射器进行控制，超声波接受器把检测的信号输入到单片机中，然后通过内部程序传输的信号进行分析，计算和处理，由LED数码管显示测量厚离的最终值。2.2测厚传感器的选择2.2.1激光测厚传感器激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。激光测厚仪是近年来开发出的高科技实用型设备, 是用于热轧生产线上时在线式连续测量成材厚度的非接触式测量设备。它有效地改善了工作环境, 具有测量准确、精度高、实用性好、安全可靠、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方法无法比拟的优点, 并为轧制钢材厚度控制提供了准确的信息, 从而提高了生产效率和产品质量, 降低了劳动强度度。激光测厚仪使用两年多以来, 具不完全统计, 因板厚误差造成的废品率下降了50%以上, 创经济效益上亿元, 广泛地受到人们的肯定与赞赏。我们有理由相信，在未来的发展过程中，激光测厚仪作为非接触测量领域的一个重要分支将更能发挥其作用。2.2.2超声波传感器超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。根据对以上两种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。同时超声波传感器具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。3.硬件设计3.1 AT89C52单片机的概述 图3 AT89C52引脚结构功能特性描述:与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器、2个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器等。AT89C52引脚功能描述： VCC : 电源 GND: 地 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；而在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在flash编程和校验时，P2口亦接收低高位地址和其它控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。AT89S52 引脚号 第二功能 P3.0 RXD （串行输入） P3.1 TXD （串行输出） P3.2 INT0 (外部中断0) P3.3 INT1 (外部中断1) P3.4 T0 （定时器0外部输入） P3.5 T1 （定时器1外部输入） P3.6 WR (外部数据存储器写选通) P3.7 RD (外部数据存储器写选通) RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过一个ALE脉冲。 PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89C51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 AT89C52 有5个中断源，中断是指计算机在执行某一程序的过程中, 由于计算机系统内、 外的某种原因, 而必须中止原程序的执行,转去执行相应的处理程序,待处理结束之后, 再回来继续执行被中止的原程序的过程。 采用了中断技术后的计算机, 可以解决CPU与外设之间速度匹配的问题, 使计算机可以及时处理系统中许多随机的参数和信息, 同时, 它也提高了计算机处理故障与应变的能力。两个外部中断（INT0 和INT1），两个定时中断（定时器0、1）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。中断源是在一个计算机系统对中断请求的来源，中断可以人为设定，它可以在应对突发随机事件设置。通常的I / O设备，实时控制系统的故障随机参数和信息源等。较高优先级的中断，那么到更高的优先级响应。当运行时，中断服务程序，另一个中断高优先级中断请求产生，当电流CPU中断服务将暂停高级别中断处理应用，可完成先进的中断处理程序中断程序关闭，然后再返回到CPU原始点继续这一过程被称为嵌套。中断响应的过程：（1） 在每个指令结束时，系统会自动检测中断请求信号，如果有一个中断请求，并在打开的CPU，那么响应的中断的中断状态。 （2）保护之前，在一般保护，禁止中断，以防止现场销毁现场的一幕。保护现场的指令一般用于堆叠在原程序中使用到堆栈中的寄存器。 （3）中断服务的相应的中断源是服务。 （4）恢复现场，将保护的数据在堆栈上弹出的复苏之前，禁止中断现场，以防止破坏现场。时间后，现场恢复开放中断。 （5）返回时，此CPU的断点地址时堆栈推弹回到程序计数器，使CPU继续执行被中断的程序。 3.2超声波发射电路图4 超声波发射电路超声波发射电路原理图如上图所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出高电平驱动振荡电路产生的40KHZ方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。3.3超声波接收电路图5 超声波接收电路集成电路CX20106A是一款红外检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接受器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路实验证明用CX20106A接受超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。CX20106A引脚功能： l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=3.3F。 3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。 6脚： 该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。 8脚： 电源正极，4.5V5V。3.4数码管LED数码显示管是由发光二极管按一定的结构组合起来的显示器件，通常使用的是8段式数码管，它一般有共阳和共阴两种。图(a)为共阴极数码管的引脚图，从a-g引脚输入不同的8位二进制编码，可用于显示不同的数字或字符。图 (b)为共阳极数码管结构，8段发光二极管的阳极接在一起，阴极端分开控制，使用时公共端来接电源。要使哪根发光二极管亮，那么对应的阴极接地。图 (c)为共阴极数码管结构，8段发光二极管的阴极接在一起，阳极端分开来控制，使用时公共端接地，要使哪根发光二极管亮，那么对应的阳极端接高电平。图6 数码管数码管在显示时通常有静态显示和动态显示两种显示方式。(1) 动态显示：动态显示是将所有的数码管的段选线并接连接在一起，用一个I/O接口控制，公共端不是直接接地(共阴极)或电源(共阳极)，而是通过相应的I/O接口线控制，每一个数码管的公共端与一根I/O线相连。桑单片机在输入字符码时，所有的数码管接收到的字符码相同，但是哪个数码管显示取决于，】公共端控制码。通过分时轮流来控制各个数码管的的公共端，就可以让数码管轮流受控显示。由于人的视觉暂留效应，只要循环的周期足够快，那么看起来所有的数码管都是一起显示的，这就是动态显示原理。动态显示所用的I/O接口信号线少，线路简单。(2)静态显示驱动：静态显示时，在其公共端直接接地(共阴极)或电源(共阳极)，各段选线分别与I/O接口线相连。想要显示字符，直接在I/O线发送相应的字符码。静态显示结构简单，则显示方便，要显示某个字符，直接在I/O线上发送相应的字符码，但是一个数码管需要8根I/O线，如果数码管个数少，这时用起来方便，但是如果数码管数目较多，这时占用很多的I/O线，所以数码管较多时常采用动态显示。 此设计显示电路采用4位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P0口，位码输出端口分别为单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口,数码管位驱运用74LS07驱动。为使电路简单，提高可靠性，此超声波测距仪的显示系统采用动态显示。4、软件设计4.1软件设计方法超声波传感器发射部分主要受单片机控制发射超声波，超声波传感器接收部分接受已发射的超声波。单片机AT89C52控制超声波传感器发射超声波时单片机内的定时器，在超声波传感器接收到已发射的超声波时，停止单片机内的定时器计时，并且把记录的超声波传播时间转换为测距仪测量的电路与前方障碍物的距离值，最后通过LED数码管显示出来。4.2测控系统流程图本设计单片机中的汇编程序包括中断初始化、主程序、显示程序和两个中断服务子程序。在中断初始化中打开了定时器0中断，外部中断0，定时器工作在方式2，使THO=6DH，TL0=6DH。主程序中，超声波传感器发射超声波的同时，打开中断总允许EA，此时定时器0开始计时。定时器0中断服务子程序每计时294US（超声波传播0.1m 所需要的时间），定时器0中断一次，并且使R0寄存器加1，并且判断计数值是否超过5m，若超过使R3置1。当超声波传感器接受到超声波时，外部中断0关闭中断总允许EA，使定时器0停止计时，这样R0计录的数值除以20就是测量的距离值（R0计录的时间超声波传播0.1m 所需要的时间且为往返时间之和）。主程序中，判断记录的距离值是否在05m之间。图7 传感器设计流程图4.3部分程序代码void delays() /延时函数void main()for(a=0；a200；a+) /产生100 个40KHz 的方波P36=!P36； /每循环一次，输出引脚取反delays() ；中断程序如下：void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /INTO 中断服务程序uint bwei,shwei,gwei；uchar DH,DL；ulong COUNT；ulong num；TR0=0 ； /停止计数DH=TH0；DL=TL0；COUNT=TH0*256+TL0；num= (344*COUNT)/20000； /计算距离bwei=num/100； /取百位gwei=(num-bwei*100)/10； /取十位shwei=num%10； /取个位P1=tabbwei； /输出百位P0=tabshwei； /输出十位P2=tabgwei； /输出个位TH0=0；TL0=0；4.4系统调试与验证 图8 传感器总电路图由于缺少硬件材料，所以只做了软件仿真。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测量范围在0.5m12.0m,测量精度0.1m不与被测物体直接接触，可显示清晰，稳定的测量结果。 5.设计体会与总结 本次课程设计实现了超声波测距功能，通过这次基于CX20106A传感器测量温度的设计，我学到了很多新的知识。首先，这次设计让我了解了CX20106A这种传感器，并学会利用这种传感器的特性设计出可以满足课题需要的超声波传感器。其次，这次课程设计把我在书本上学到的理论知识转化成为现实生活中有价值的实物，如果没有这次设计为我搭建的平台，我就不能对书本上的知识进行很好的理解，也不能熟练的把它们应用到现实生活中。最后，这次设计加强了我独立思考的能力。经过设计之后，我不像以前那样，遇到问题都不愿意独立思考，只会一味的向别人求助。现在，我会通过自己的思考，解决自己遇到的问题和困难。还有，我学会不能手高眼低，要踏踏实实，从基础学起、做起。这次课程设计对我的专业知识的提高也是巨大的，由于时间紧迫，所设计的结果还不太完善，但是这还是为我们步入社会打下了坚实的基础。 附录：1.参考资料1 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 62 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.43 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6.4 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.72.元器件列表器件数量AT89C521LED数码管174LS041反相器4排阻1CX20106A1电源3电阻若干13