基于超聲波的測厚系統的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9979基于超聲波的測厚系統的硬件和軟件設計案例 1111471測厚系統的硬件設計 1216021.1硬件電路的總體設計 1314181.2單片機控制模塊 260901.2.1STM32單片機 2307821.2.2串口通信電路 2143741.2.3時鐘電路 3317661.4超聲波接收模塊 6284171.2.1回波信號放大電路 6156111.2.2中周調頻電路 7302181.2.3計數器模塊 7236401.2.4超聲波測厚系統的測量范圍 8178331.5顯示模塊 87581.6獨立按鍵 9136951.7溫度補償 1071711.8電源模塊 11207442測厚系統的軟件設計 12172432.1主程序軟件設計 12243652.2計數器單元 14100512.3鍵盤單元 15247202.4溫度補償單元 151測厚系統的硬件設計在明確控制系統技術方案和整體開發(fā)框架后，隨機以模塊化思想進行單片機的硬件系統和軟件系統開發(fā)。對于硬件電路設計而言，可分為兩個主要部分，分別為最小系統搭建、外圍功能設計。最小系統體現在電源電路、時鐘電路、復位電路三部分，在完成最小系統搭建后，結合控制系統其它功能需求，完成信號處理、命令執(zhí)行等外圍電路的設計。1.1硬件電路的總體設計綜合分析所確定的技術方案，進行系統的總體方案設計。對于所設計的系統而言，所有信號均通過單片機這一邏輯處理核心進行處理，通過傳感器單元進行外部參數的檢測，并得到數字信號傳輸給單片機，通過編寫處理程序，進行傳感器信號的處理，并得出對應的控制信號，基于控制信號實現對執(zhí)行單元的控制，最終達到各項功能。結合超聲波測厚儀的功能需求，設計整體系統結構如下圖所示。圖1.1結構示意圖本次設計基于單片機作為控制核心，并通過單片機的定時計數器實現計時，利用按鍵電路實現對超聲波信號的發(fā)射，超聲波信號達工件底部時，會返回，在檢測到回波后確定對應的傳播時間，繼而計算出對應的厚度，并利用液晶顯示裝置將其顯示出來。1.2單片機控制模塊單片機已經具有低功耗、集成功能豐富、儲存空間大等諸多優(yōu)勢。單片機具有兼容傳統指令集、寬工作電壓等優(yōu)點，有力保障了控制系統的整體穩(wěn)定性。一個基本的單片機一般包括：CPU、RAM、I/O口等各功能部件，各個功能由內部的總線連接起來，從而實現數據傳輸通信。1.2.1STM32單片機1.2.2串口通信電路為了實現通信功能，本次設計采用MAX232芯片進行TTL電平的轉換，與單片機建立串口通信。MAX232封裝如下圖所示。圖1.4MAX232引腳結構與外圍電路圖其中，右圖中，上半部分為電源轉換部分，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，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。如果引腳不對應，將會對芯片造成損害。1.2.3時鐘電路本系統的時鐘電路選用了DS1302芯片，該芯片是由DALLAS公司推出的。DS1302芯片可以與單片機進行通信，是通過簡單的串行接口。在DS1302的內部，有31字節(jié)的靜態(tài)RAM和一個實時時鐘電路?？梢詫崿F每月天數和閏年的自動調整，同時能夠提供從年到秒的信息，十分詳細。時鐘的操作上可以由AM/PM的指示，然后選用12/24的小時格式。我們將用RES復位、I/O數據線/SCLK串行時鐘這三個接口與單片機進行簡單的通信。DS1302芯片被廣泛用于便攜式儀器，其主要擁有以下特性：DS1302能夠計算2100年以前的年、月、日、時、分、秒，而且能夠對閏年進行調整；擁有8位暫存數據存儲RAM；DS1302管腳數量最少；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寫時鐘或RAM數據時鐘時使用；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為復位引腳；5) I/O為串行數據引腳；6) SCLK為串行時鐘引腳；7)X1、X2為DS1302的外部晶振引腳。1.3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回波信號的質量。我們應該選取性能好的傳感器并且設計出好的發(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。在本測厚系統中，超聲波的產生方式為：自激蕩電路有施密特觸發(fā)器構成，然后產生了超聲波。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行整形，能夠實現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。在本系統中，設計方案是通過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，因為電容的起始電壓為0。同時，向電容C201開始充電，通過電位器VR101和電阻R201。當輸入電壓V1等于VT+時，這時開始低電平輸出，在這個時候電容開始放電，經過電阻R201。當放電至V1等于VT-的時候，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，會不停地進行充放電，一直在振蕩。我們調節(jié)振蕩周期是通過調節(jié)電阻VR101的電阻的大小實現的。方波脈沖通過自激振蕩產生之后，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1.6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MOS關斷的作用。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管會起到一個開關管的作用，在右側輸出端會得到與輸入端頻率一樣的波形。二極管是具有單向導電性，通過這一特性，我們可以使用二極管將交流電轉變?yōu)榉较騿我坏闹绷麟?。NCOS管的導通和閉合是通過單片機控制發(fā)射電路，控制是通過74HC14的反向。脈沖通過控制信號進行控制，然后高電壓的脈沖信號就會傳輸到超聲波探頭，從而通過超聲波測厚的探頭來發(fā)出超聲波。1.4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候會變的很小很小，所以超聲波轉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的晶振進行調制，然后脈沖會被傳輸到計數器內，緊接著進行計數處理，最后得出測量厚度所用的時間。超聲波接收模塊由超聲波信號放大電路、計數器模塊、中周選頻電路構成。1.2.1回波信號放大電路在本系統中，回波信號會經過三極管三級放大。下圖為多級放大器的組成圖。圖1.7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行放大，輸出級的功用是放大功率，以此實現放大，推動負載工作。在本系統中，由于只能接受到十分小的回波信號，所以要對信號進行放大。在圖3-8中，電阻R302和電位器VR301可以對電壓進行調節(jié)，能夠對三極管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行放大，本設計采用阻容耦合的方式實現三級放大。變壓器T301的工作是通過Q304來控制的。圖1.8超聲波回波信號放大電路1.2.2中周調頻電路中周調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。在本系統中，中周調頻是當電路調諧與回波信號的頻率相同時，可以實現對回波信號的放大程度的最大化，而且能夠對其他的頻率進行抑制。圖3-9為中周調頻電路。圖1.9中周調頻電路在圖1.9中，中周變壓器為T301，電感線圈在其左側，電感與電容C305以并聯的方式連接，組成了并聯諧振電路。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，需要對中周進行精確的調試，可以實現回波頻率和其頻率是一樣的，以此來實現精確的測量。1.2.3計數器模塊在本系統運行時，只要檢測到被測工件的存在，接收電路就會同時輸出一個信號，然后計數器就會開始計數。在本設計中，采用的是74HC393計數器，為8位計數器，可以通過計數上限可以計算出能夠測量的厚度值為：S=28上式中5900是20℃時超聲波在鋼材中的傳播速度，25M晶振產生一個脈沖的時間寬度為1/（25*103）。由于設計之初的測量上限為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單片機的P5和P6折兩個管腳，然后設置P5為上升沿，P6為下降沿。上升沿觸發(fā)的條件是，讀到脈沖個數從127到128變化。下降沿中斷觸發(fā)的條件是，讀到脈沖個數從255到0變化。記錄中斷的次數，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)個數為a，下降沿中斷的觸發(fā)個數為b，74HC393脈沖的計數為c。本系統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進行0-9的整數的設置。同時，c≤127，可以求得可測量的最大厚度值為：S=271.2.4超聲波測厚系統的測量范圍由1.2.3可以得出，本測厚系統在20℃時可以對鋼材實現的測量的最大厚度為286.858mm。計數器通過一個脈沖時的值就是本系統可以測得的最小值：0.04×1×5.92=0.12mm式中，0.04us是一個脈沖的時間寬度，5.9mm/us是聲音在20℃時，在鋼材中的傳輸速度。所以，本基于單片機的超聲波測厚系統的測量范圍是0.12到286.85mm。由于探頭的測量范圍是1.2mm-225mm，從而實際可實現的量程為1.2mm-225mm，符合了設計的要求。1.5顯示模塊本系統采用的是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的引腳功能數據表。表3-21602引腳功能數據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數據/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背光源負極下圖為1602的開發(fā)板電路圖：圖1.101602電路圖1602的使用注意事項：1.LCD1602是以ASCLL碼對寫進去的數據字節(jié)進行識別，因此，要以ASCLL碼對顯示的字符進行編寫；2.在操作LCD1602之前要進行初始化；1.LCD1602可以對字符進行自定義；2.調用顯示數據可以通過調用字符數組的形式。1.6獨立按鍵本設計采用了4個獨立按鍵，分別接在了單片機的P1.0到P1.4口。下圖為開發(fā)板獨立按鍵電路圖：圖3-11獨立鍵盤電路圖機械按鍵之所以能夠實現開關的作用，是利用了機械的接觸。在機械接觸時，會經過由接觸不穩(wěn)定到正在穩(wěn)定，最后才能夠徹底穩(wěn)定。這樣就會產生按鍵抖動，我們采用了軟件延時的方法去抖動，過程如下：1.首先對IO口進行高電平設置；2. 然后確認按鍵時候按下；1. 當有低電平的IO口時，設置延時；2.再次讀取是否有低電平的IO口，如果有，說明對應按鍵按下；5. 最后對按鍵的程序進行執(zhí)行。1.7溫度補償本系統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；單數據總線DQ；電源電壓VDD；空引腳NC。在本系統中，DQ與STC89C52單片機P10引腳相連接。由于溫度會對聲速造成影響，所以本系統中會對聲速進行一個修正。在20攝氏度時，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。設實際溫度為t，則在鋼材中聲速為：V=5900+[(t-20)×0.607]在最終計算過程中，會對聲速進行修正，從而得到一個更加精確的厚度測量值。圖1.12DS18B20管腳圖1.8電源模塊電源是整個系統的動力來源，是系統的關鍵部分。在本測厚系統中，采用了USB供電的方式。由于USB總線供電電壓是5V,而系統中使用的電壓為1.3V,這時就會需要一個電平轉換。在本系統中采用了LT1763-1.3穩(wěn)壓芯片，其輸入電壓可以為1.8-20V，輸出為1.3V。下圖為具體應用電路圖。圖1.131.3V電源電路圖2測厚系統的軟件設計在第三章中，詳細的對測厚系統的硬件部分進行了介紹。當我們有了一個完整的硬件體系，就需要軟件去支持，實現我們設計的功能。本次設計基于C語言進行軟件設計。相對有匯編語言而言，C語言在開發(fā)過程中具有更強的可移植性，且代碼段易讀性強，為后續(xù)的系統擴展奠定了堅實的基礎。在微控制器功能不斷豐富的背景下，基于C語言進行系統功能設計，可以為后續(xù)的功能擴展奠定基礎，也便于系統進行調試?；诖?，本次設計基于C語言進行軟件的開發(fā)，并基于KEIL軟件進行程序的編譯與調試。本系統的軟件部分由主程序、計數器單元、顯示單元和按鍵單元的軟件構成。2.1主程序軟件設計當打開測厚系統后，首先系統會進行初始化。系統將會在按下測量鍵后，提前在脈沖發(fā)射前1.75us進行清零計數器。然后會提前2.4ms啟動晶振，用來調試實驗。系統會提前20us建立VDD2，用來產生250us寬、20MHZ的脈沖信號，從而使三極管導通產生超聲波。當測厚系統初始化完成之后，STM32單片機會發(fā)出信號用來發(fā)射超聲波，超聲波到達被測工件地面后會返回，然后系統會判斷是否有回波信號?；夭ㄐ盘栐诮邮罩?，會經過放大信號、中周選頻之后會形成一個厚度方波。在本系統中，用方波的前沿去表示超聲波發(fā)射的時間，超聲波被探頭接收的時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數器