超声波测厚仪.docx
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超声波测厚仪
超声波测厚仪
1.系统方案设计
概述
由于社会不断进步进展，人们对物体厚度测量的要求愈来愈高，许多传统的测厚方式已经无法知足咱们的需求，还有在很多要求实时测距的情形下，传统的测厚方式也很难完成测量的任务。
第一台接触式速续测厚仪大约出此刻1930年，操作者用这台侧厚仪器去侧量铜材的厚度时,必需把它推向待侧的钢带,用机械的方式来测量距带材边沿几寸范围内的金属材料的厚度。
这种测量方式利用极为不便，而且测量精度也很低。
在咱们看来，一样的物体尺寸的测量，无非长、宽、高（厚），三个方面，而厚度测量是生产中最多见的测量内容之一,经常使用量具是游标卡尺或千分尺,这些量具在利历时都必需和工件接触,尽管接触压力不大,但对一些特殊工件,在测量时不许诺量具和工件接触,不然会在工件表面上留下压印或划痕，乃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式来代替接触式测量。
随着科技大进展和生产力的要求，非接触式的测量方式显现了。
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，非接触式测量方式开始了迅猛进展，其壮大的功能和优势无法使传统的接触式测量望其项背，也为人类社会的进展，工业文明的进步做出了庞大的奉献。
而目前能够通过采纳波在介质中的传播速度和时刻关系进行测量的技术要紧有激光测距、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，无益于普遍的普及应用，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，愈来愈被人们所重视。
于是，超声波测距这种新的测距方式在测距的应用中将愈来愈广。
由于超声波具有指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境阻碍和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量厚度就能够够解决传统测量方式中碰到的问题。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时操纵，而且在测量精度方面能达到工业有效的要求，因此超声波测量距离技术在工业操纵、勘探测量、机械人定位和平安防范等领域取得了普遍的应用。
超声波测厚电路能够由传统的模拟或数字电路构建，可是基于这些传统电路构建的系统往往靠得住性差，调试困难，可扩展性差，因此基于单片机的超声波测距系统被普遍的应用。
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抵达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精准测量超声波在材料中传播的时刻来确信被测材料的厚度。
凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各类材料都可采纳此原理测量。
而且能够搜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，靠得住性好，而且能够超级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,并能从其反面取得反射的各类材料厚度的测量。
此仪器可对各类板材和各类加工零件作精准测量。
可普遍应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。
由单片机计时，单片机利用晶振，因此此系统的测量精度能够达到毫米级，同时此系统的本钱超级的低廉，稳固性好,能够取得普遍的应用。
系统方案框图
图1超声波测厚仪原理框图
此系统依照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刻差来测量厚度,设计了一套超声波检测系统。
该系统设计要紧分为主操纵器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个大体模块组成。
2.超声波测厚仪工作原理
检测原理
超声波测厚方式的原理通常利用的是时刻差。
第一测量从发射超声波碰到障碍后返回的时刻，然后乘以超声声速的二分之一即取得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，与单片机处置，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份组成，包括微操纵器，超声波传感器和数字操纵。
图2超声波智能测厚仪原理框图
由上图能够看出，硬件电路设计要紧包括单片机系统，超声波发射器和超声波接收器，显示电路四部份组成。
或用AT89C52单片机微操纵器系列兼容系列代替。
单片机对超声波发射器进行操纵，超声波同意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，计算和处置，由LED数码管显示测量厚离的最终值。
测厚传感器的选择
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，部份散射光返回到同意传感器，能同意其微弱的光信号，从而记录并处置光脉冲发射到返回所经历的时刻即可测定距离，即用来回时刻的一半乘以光速就能够取得距离。
其优势是测量的距离远、速度快、测量精准度高、量程范围大，缺点是对人体存在平安问题，而且制作的难度大本钱也比较高。
激光测厚仪是最近几年来开发出的高科技有效型设备,是用于热轧生产线上时在线式持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、有效性好、平安靠得住、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方式无法比拟的优势,并为轧制钢材厚度操纵提供了准确的信息,从而提高了生产效率和产品质量,降低了劳动强度度。
激光测厚仪利用两年多以来,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,普遍地受到人们的确信与赞赏。
咱们有理由相信，在以后的进展进程中，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。
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20kHz的机械波。
超声波传感器在工作的时候确实是将电压和超声波之间的相互转换，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操纵芯片。
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势，从平安性，本钱、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。
依照对以上两种传感器性能的比较，尽管能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，可是它的价钱却比较高，而且平安度不够高。
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刻，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
AT89C52单片机的概述
图3AT89C52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：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、2个可编程I/O口线、三个16位按时器/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、看门狗按时器等。
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，现在能够作为输入口利用。
作为输入利历时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的缘故，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，现在能够作为输入口利用作为输入利历时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的缘故，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操纵信号。
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，现在能够作为输入口利用。
作为输入利历时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的缘故，将输出电流（IIL）。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些操纵信号。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）利用，如下所示。
AT89S52引脚号第二功能
RXD（串行输入）
TXD（串行输出）
INT0（外部中断0）
INT1（外部中断1）
T0（按时器0外部输入）
T1（按时器1外部输入）
WR（外部数据存储器写选通）
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个机械周期高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
地址锁存操纵信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在一样情形下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部按时器或时钟利用。
但是，专门强调，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在每一个机械周期被激活两次，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操纵信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必需接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，中断是指运算机在执行某一程序的进程中,由于运算机系统内、外的某种缘故,而必需中止原程序的执行,转去执行相应的处置程序,待处置终止以后,再回来继续执行被中止的原程序的进程。
采纳了中断技术后的运算机,能够解决CPU与外设之间速度匹配的问题,使运算性能够及时处置系统中许多随机的参数和信息,同时,它也提高了运算机处置故障与应变的能力。
两个外部中断（INT0和INT1），两个按时中断（按时器0、1）和一个串行中断。
每一个中断源都能够通过置位或清除特殊寄放器IE中的相关中断许诺操纵位别离使得中断源有效或无效。
IE还包括一个中断许诺总操纵位EA，它能一次禁止所有中断。
中断源是在一个运算机系统对中断请求的来源，中断能够人为设定，它能够在应付突发随机事件设置。
通常的I/O设备，实时操纵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，中断效劳程序，另一个中断高优先级中断请求产生，当电流CPU中断效劳将暂停高级别中断处置应用，可完成先进的中断处置程序中断程序关闭，然后再返回到CPU原始点继续这一进程被称为嵌套。
中断响应的进程：
（1）在每一个指令终止时，系统会自动检测中断请求信号，若是有一个中断请求，并在打开的CPU，那么响应的中断的中断状态。
（2）爱惜之前，在一样爱惜，禁止中断，以避免现场销毁现场的一幕。
爱惜现场的指令一样用于堆叠在原程序中利用到堆栈中的寄放器。
（3）中断效劳的相应的中断源是效劳。
（4）恢复现场，将爱惜的数据在堆栈上弹出的苏醒之前，禁止中断现场，以避免破坏现场。
时刻后，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。
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。
发射电路要紧由反相器74LS04和超声波发射换能器T组成，单片机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头，能够提精湛声波的发射强度。
输出端采纳两个反相器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R10、R11一方面能够提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面能够增加超声波换能器的阻尼成效，缩短其自由振荡的时刻。
超声波接收电路
图5超声波接收电路
集成电路CX20206A是一款红外检波接收的专用芯片，经常使用于电视机红外遥控同意器。
考虑到红外遥控经常使用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ较为接近，能够利用它制作超声波检测接收电路实验证明用CX20206A同意超声波（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，能够改变同意电路的灵敏度和抗干扰能力。
CX20206A引脚功能：
l脚：
超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
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份，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，反之那么放大倍数增大。
但C的改变会阻碍到频率特性，一样在实际利用中没必要改动，推荐选用参数为R=Ω，C=μF。
3脚：
该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，刹时相应灵敏度低；假设容量小，那么为峰值检波，刹时相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变更大，易造成误动作，推荐参数为μF。
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=200kΩ时，fn≈42kHz，假设取R=220kΩ，那么中心频率f0≈38kHz。
6脚：
该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，若是该电容取得太大，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，因此该引脚必需接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时那么会下降。
8脚：
电源正极，～5V。
数码管
LED数码显示管是由发光二极管按必然的结构组合起来的显示器件，通常利用的是8段式数码管，它一样有共阳和共阴两种。
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路，阴极端分开操纵，利历时公共端来接电源。
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路，阳极端分开来操纵，利历时公共端接地，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路，用一个I/O接口操纵，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接口线操纵，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，可是哪个数码管显示取决于，】公共端操纵码。
通过度时连番来操纵各个数码管的的公共端，就能够够让数码管连番受控显示。
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路显示的，这确实是动态显示原理。
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），各段选线别离与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，那么显示方便，要显示某个字符，直接在I/O线上发送相应的字符码，可是一个数码管需要8根I/O线，若是数码管个数少，这时用起来方便，可是若是数码管数量较多，这时占用很多的I/O线，因此数码管较多时常采纳动态显示。
此设计显示电路采纳4位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P0口，位码输出端口别离为单片机的、、、口,数码管位驱运用74LS07驱动。
为使电路简单，提高靠得住性，此超声波测距仪的显示系统采纳动态显示。
4、软件设计
软件设计方式
超声波传感器发射部份要紧受单片机操纵发射超声波，超声波传感器接收部份同意已发射的超声波。
单片机AT89C52操纵超声波传感器发射超声波时单片机内的按时器，在超声波传感器接收到已发射的超声波时，停止单片机内的按时器计时，而且把记录的超声波传播时刻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。
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效劳子程序。
在中断初始化中打开了按时器0中断，外部中断0，按时器工作在方式2，使THO=6DH，TL0=6DH。
主程序中，超声波传感器发射超声波的同时，打开中断总许诺EA，现在按时器0开始计时。
按时器0中断效劳子程序每计时294US（超声波传播所需要的时刻），按时器0中断一次，而且使R0寄放器加1，而且判定计数值是不是超过5m，假设超过使R3置1。
当超声波传感器同意到超声波时，外部中断0关闭中断总许诺EA，使按时器0停止计时，如此R0计录的数值除以20确实是测量的距离值（R0计录的时刻超声波传播所需要的时刻且为来回时刻之和）。
主程序中，判定记录的距离值是不是在0——5m之间。
图7传感器设计流程图
部份程序代码
voiddelays（）{}
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CX20206A传感器测量温度的设计，我学到了很多新的知识。
第一，这次设计让我了解了CX20206A这种传感器，并学会利用这种传感器的特性设计出能够知足课题需要的超声波传感器。
第二，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，若是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专门好的明白得，也不能熟练的把它们应用到现实生活中。
最后，这次设计增强了我独立试探的能力。
通过设计以后，我不像以前那样，碰到问题都不肯意独立试探，只会一味的向他人求助。
此刻，我会通过自己的试探，解决自己碰到的问题和困难。
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庞大的，由于时刻紧迫，所设计的结果还不太完善，可是这仍是为咱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系列单片机有效接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，1993.6
[2]陈光东.单片机微型运算机原理与接口技术（第二版）.武汉：
华中理工大学出版社，
[3]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，
2.元器件列表
器件
数量
AT89C52
1
LED数码管
1
74LS04
1
反相器
4
排阻
1
CX20106A
1
电源
3
电阻
若干
升级会员 