基于单片机的超声波测厚仪设计 计算机科学和技术专业.docx

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基于单片机的超声波测厚仪设计计算机科学和技术专业

课题基于单片机的超声波测厚仪设计

摘要

超声波技术具有可以快速准确地测量金属和非金属材料的厚度且无污染的优点，所以非常适用于复合材料、非金属、金属等多种材料制件的无损评价。

其穿透能力强的特点，可检测较大厚度范围的试件内部，也可扫查整个试件体积；特别是如果只可以通过单面接触，更能显示其优点。

本文设计了一种超声波测厚仪，它由AT89C51单片机、HC-SR04超声波传感器、LM016L液晶显示屏、DS18B20温度传感器等部分组成。

基于原始超声波厚度测量，该设计考虑到温度变化可能引起的误差，采用了温度补偿的方法。

使用液晶显示画面显示厚度，若超过规定厚度范围则发出警告。

关键词：

超声波测厚；AT89C51；温度补偿。

Abstract

Ultrasonic technology can quickly and accurately measure the thickness of metal andnon-metalmaterials and pollution-free, so it is very suitable for nondestructiveevaluationofcompositematerials, non-metal, metal and other materials. Its high penetration capabilityenablesdetectionof the interior of a specimen over a wide range of thickness, as well asscanningoftheentirespecimen volume, especially if only one side of the specimen can be accessed.This paperdesignsanultrasonic thickness measuring instrument, which is composed of AT89C51microcontroller,HC-SR04 ultrasonic sensor, LM016L liquid crystal display,DS18B20temperaturesensorandsoon.Based on the original ultrasonic thickness measurement,thedesigntakes into account the errorcausedby the temperature change and adopts the temperature

compensation method. Use LCD screen to display the thickness. If the thickness exceedsthespecifiedrange, a warning will be issued.

Key words:

 ultrasonicthicknessmeasurement;AT89C51;temperaturecompensation.

第一章绪论

1.1课题研究背景意义

测厚仪器大量应用于工业测量环境中，其中基于超声波技术的测厚仪使用更为广泛。

超声波具有容易实现非接触式和接触式测量的特点，所以它可以迅速准确地计算出金属和非金属材料的厚度。

它广泛应用于管道壁厚、汽锅容器壁厚，以及局部腐蚀、造船、机械、化工、电子、原子能等企业和部门的生产技术检验，在现代化管理安全操纵和设施方面发挥了重要的作用。

超声波探测发出脉冲，回到测量平台，超声波接收探测到脉冲并纪录其从发射到返回的时间。

将物体放在平台上，超声波接收探测会再次工作，得到第二次时间。

将时间之差代入公式后，被测量物的厚度便被测量出来。

超声波脉冲反射法更适用于接触测量。

超声波探测利用收发器探头贴紧放在物体的表面上，当超声波探测的脉冲进入物体并到达材料界面时，脉冲则被反射到探针上。

物体的厚度是通过精确计算材料中超声脉冲的传播时间来确定的。

1.2超声波测厚仪的发展

超声测量仪器，无论是测厚仪还是探伤仪，本质上都是“计时仪器”，即记录脉冲的发送和接收、计算发送和接收的时间差、乘以输入的超声波在被测介质中传递的速度（即该介质中的超声波声速），由此得出介质的厚度、或者是缺陷的在介质中的位置。

两者的差异，概括而言，超声波测厚更关注脉冲信号记录的精确性和唯一性，而超声波探伤更关注脉冲信号的深度传递和信号捕捉的全面性。

超声测厚仪器的研制、生产和应用，已有近百年的时间。

利用超声波技术来进行检测起始于20世纪30年代，前苏联Sokolov首先想出了用超声波探测金属物体内部缺陷的建议[1]。

第一种穿透法检测仪器是在第二次大战后出现在市场上的，是根据Sokolov的试验装置的原理制成。

20世纪中期，美国的Firestone首次提出了脉冲回波式超声检测仪，随后，由美国和英国开发出了脉冲回波式超声测厚仪[2]。

脉冲回波技术仍是通用性最好、使用最普遍的一种超声检测技术。

在此基础上，超声检测的工业应用更为广泛。

随着工业生产对检测技术的要求不断增强，人们想要超声检测更加快速和直观，对缺陷的描述更加准确。

因此20世纪80年代，使用单片微机的智能化测厚仪陆续出现，这标志着超声波测厚仪进入了一个新的阶段，日本东京计器公司的UTM110型，日本帝通公司的UDM550型、西德K-K公司的DM3型、美国PANAMETRICS公司的5230型等，这些产品代表了国际的水平；同一时期，为了满足我国无损检测事业日益增长的需要，国内生产超声波测厚仪的厂家不断增多，新产品层出不穷，产品质量逐渐提高；便携式测厚仪的典型产品有山东济宁超声电子仪器广的SCH-870型、北京京海计算机公司的USTM-500型、上海超声波仪器厂的CCH-14型、上海华阳电子仪器厂的HCC-16型等[3]。

进入21世纪，国内针对测厚仪的研究也取得了一些有效研究成果。

比如王占元等[4]基于单片机的便携式超声波测厚仪设计、段伟亮等[5]提出的为了改善测厚系统抗干扰能力、降低系统复杂度、提高测量效率，研制了一种基于FPGA的电磁超声测厚仪。

胡子俭等[6]设计的经改进的超声波测厚仪传感器，可克服一般超声波测厚仪传感器的缺点，大大降低了装配工作的难度，压电陶瓷片的输出电极形式改变，增加了超声波测厚仪传感器在装配和测试过程中的成功率。

自超声测厚技术产生到现在，材料和工艺的发展也更加多姿多彩，被测介质的声学特性也呈现出纷繁芜杂的多样性，因此，在超声测厚的应用和测厚仪器的选择上，也有了更多的认知。

1.3本文结构安排

本文设计了一种基于AT89C51单片机的超声波测厚仪。

基于原始超声波厚度测量，该设计考虑到温度变化可能引起的误差，采用了温度补偿的方法。

使用液晶显示画面显示厚度，若超过规定厚度范围则发出警告。

论文共分五个章节，各章节内容安排如下。

第一章为绪论。

首先简要介绍本文的研究背景，同时介绍超声波测厚技术的发展史。

第二章介绍超声波测厚的基本原理，对三种测量方法进行比较分析。

了解超声波的一些工业应用，同时对本超声波测厚仪的设计进行介绍。

第三章为超声波测厚仪的硬件设计，分为单片机模块、温度检测模块、超声波模块、显示模块以及报警模块，并详细的分析了各个模块的设计理念和实现方式。

第四章是超声波侧厚系统软件设计，对各模块进行分析，并给出各个模块的流程图。

第五章为调式结果分析，详细介绍本设计整体操作流程并给出仿真结果图。

第二章超声波测厚的基本原理

2.1超声波的介绍

2.1.1超声波的概念和特点

机械波传到人耳引起耳膜震动，这种反应就是人类所听到的声音，人类能听到的的机械波频率范围为20Hz~20kHz。

超声波是指频率大于20kHz的机械波，由于其频率高，因此很多特性:

首先是能量更为集中，它的波长比一般声波短得多，因而可以用来切割、熔接、打孔等；再者其频率高，在一定范围内在直线传播方面具有更好的束射性和方向性。

现代很多领域使用超声探测。

论其根本，超声和可听声是一致的，它们的相同之处是二者都为机械振动模式，通常以纵波的方式传播在载体中，是一种传播能量的形式。

2.1.2超声波的分类

超声波可根据波动中波的传播方向与质点振动方向的不同分为多种波型，而纵波、横波、瑞利波和兰姆波则是在超声检测中主要应用的波型。

纵波是指粒子振动方向与波传播方向平行的一种波。

当弹性介质经受交替的拉伸应力或压缩应力时，相应地产生交替的伸缩变形或体积变化。

同样，这种变化产生弹性恢复力，产生振动并在介质中传播。

考虑到介质的状态，在声波传播方向上交替存在稀疏区域和致密区域。

纵波是超声波检测中使用最广泛的波形，同时也是唯一能够在固液气三体中传播的波形。

纵波的发射与接收较容易实现，所以在应用其他波型时，常采用纵波声源经过波型转换后获得所需的波型[7]。

剪切波（横波）是粒子振动方向垂直于波传播方向的一种波，另外由于剪切力而发生剪切变形。

由于剪切力不能在液体、气体中传播，所以剪切波不可以在气体和液体中传播，而是在固体中传播。

由于S波的速度通常为P波的一半左右，所以S波在相同频率下约为P波的一半。

在实际检测中经常使用剪切波的主要原因是通过波形模式转换容易地获得具有材料的传播方向和表面之间的倾斜角的单波图案，以检测不平行于表面的缺陷[7]。

瑞利波不仅是半无限固体介质的表面，而且是只在与其他介质的界面上传播的波型的总称，并且在其附近不深。

瑞利波是在半无限固体介质和气体或液体介质之间的界面处产生并沿着界面传播的一种表面波。

当Rayleigh波传播时，粒子沿着椭圆轨道振动，该椭圆轨道是平行于传播方向和垂直于传播方向的组合。

椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。

同剪切波一样，Rayleigh波不能在液体和气体中传播。

拉姆波是声波在沿着斜着入射在薄板上时产生的薄板的延伸方向传播的一种波形。

与表面波不同，当兰姆波传播时，整个板厚的粒子振动。

粒子振动模式是纵向振动和横向振动的组合。

粒子振动的幅度和方向在不同深度下变化。

拉姆波有两个基本形状。

当粒子相对于板的中间层对称移动时，称为对称型（S型），并且当粒子相对于板的中间层反对称移动时，称为反称型（A型）。

2.1.3超声检测

超声检测的适用范围非常广，从检测对象的材料来说，可用于各种金属材料和非金属材料；从检测对象的制造工艺来说，可以是锻件、铸件、焊接件、胶接件、复合材料构件等；从检测对象的形状来说，可以是板材、棒材、管材等；从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；从缺陷的特点来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

在国防工业各领域中，超声检测均为常用的无损检测手段。

对于工业生产而言，超声波检测技术能够充分发挥其作用，特别在探伤领域，使用该技术对材料中缺陷的具体情况进行明确，比如缺陷的位置和大小都是需要明确的情况。

除外，超声波对于测量也是非常有帮助的。

超声波在距离测量、厚度测量、液位测量等方面有应用。

（1）距离测量

由于其介质中定向性和长距离强，超声波经常用于测距仪和电平计等距离测量。

超音波检测也易于实现更快、方便、简单的计算和实时控制，测量精度可满足工业实践要求，因此广泛用于移动机器人的开发。

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波,它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时[8]。

（2）厚度测量

超声波测厚，顾名思义是来进行厚度测量的。

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[9]。

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。

（3）液位测量

超声波测液位是利用超声波测量液体高度、罐体高度、物料位置的监测仪表。

适合各种腐蚀性、化工类场合，精度高，远传信号输出，可编程逻辑控制器系统监控。

工作原理是由换能器发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一个换能器接收，转换成电信号，并通过声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离[10]。

由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。

2.2超声波侧厚仪的原理

用超声波得到的若干信息来获得通信应用，称检测超声。

超声波测厚仪则是用超声波在介质中的脉冲反射对物体进行厚度测试。

超声波测厚仪可以测量金属或非金属材料的厚度，也可以测定材料的声速，借以判断材料的性质，还可以检查较近且平行于表面的缺陷，一般壁厚10mm以下的测量精度可达0.01mm。

超声测厚仪按工作原理分：

有共振法、干涉法及脉冲反射法等[11]。

（1）共振式测厚仪

共振法测厚的原理是采用频率在限定范围内变化的正弦波电信号激励压电晶片，则晶片向试件内发射出频率连续变化的声波，由共振的原理可知，当试件厚度为半波长的整数倍时，试件内会形成驻波，产生共振[2]。

若试件厚度为δ，波长为λ，则有:

　　　　　　　　　　δ

　　　　　　　　　　式（2-1）

式（2-2）

其中c表示被测工件中纵波的声速；

表示被测工件第n次的共振频率。

当

时，所得

为试件的基频。

测出两个相邻的共振频率时，可由下式得到试件的厚度：

式（2-3）

共振式测厚仪提供可变频率的连续正弦波，当试件中产生共振时，仪器的电流表显示将出现最大值，改变频率测出两相邻的共振频率，即可计算出试件厚度。

共振式测厚要求被测试件上下面较平，对于腐蚀产生的厚度不均较难测定。

（2）兰姆波式测厚仪

兰姆波测厚的原理是当超声波频率及入射角度与工件厚度成一定关系时，方产生兰姆波。

因而可以改变探头的角度或频率，使荧光屏上出现兰姆波，以探头的角度或频率来度量厚度，它适于测薄板，特别是测小直径薄壁管的厚度[12]。

（3）脉冲反射式测厚仪

超声波探头与被测工件的表面通过耦合剂相接触，在单片机的控制下，测厚仪由发射电路产生一定频率的脉冲信号加在超声波的探头上，从而通过压电效应使探头产生超声波脉冲。

声波通过被测工件从另一表面反射回来，被超声波探头接收。

因为超声波在被测工件中的传播速度V已知，从发射超声波到接收回波信号的时间间隔T可测，则可以求出被测工件的厚度值δ、[13]。

δ

式（2-2）

其中T通过以下方式测量:

把超声波从被测工件的界面反射回的波记为B,把从被测工件底面返回的波记为A,则超声波从界面波B到底面波A所经过的时间即为T。

把界面波B作为前沿，底面波A作为后沿，所形成的方波称为阈门脉冲。

可以通过产生频率可知的晶振脉冲与阀门脉冲相与，其后所得到的脉冲通过计数器单元求出T的值[14]。

图2-1为超声波原理的示意图。

图2-1超声波原理示意图

2.3设计思路

此次设计包括硬件设计和软件设计两部分，电路结构可以分为超声波传感器电路、液晶显示电路、单片机电路、温度补偿电路、提示电路、按键电路等。

系统总体设计框图如图2-2所示。

图2-2系统总设计框图

此次设计的内容包括硬件电路连接和软件设计两部分。

开始先通过单片机驱动DS18B20温度传感器，由温度传感器进行温度测量后计算得出当前温度下的超声在空气中的传播速度，然后由Trig引脚发出一个高电平信号，发射超声波。

超声波经过反射回来后，通过等待超声波接受口Echo引脚有高电平输出，一旦有高电平输出打开定时器进行计时。

由定时器计算得出超声波传感器发射超声波与接收到超声波回波之间的时间差。

就可以计算得出厚度，再由液晶显示器显示数值。

当距离小于某一数值或者超出测量范围时，蜂鸣器发出声音进行报警。

2.4本章小结

本章首先对超声波的一些基础特性惊醒了阐述，及其在现实生活中的主要应用，接着详细介绍了三种超声测厚方法的基本原理，最后介绍本系统所采用的基本原理和总体设计思路，为接下来论述各模块在硬件和软件上的实现奠定基础。

第三章硬件设计

3.1单片机模块

3.1.1单片机简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4k字节的可反复擦写的只读程序存健器（EROME）和128字节的随机存取数据存储器。

兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128 字节内部RAM。

32 个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作权式。

拉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件I作直到下一个硬件复位。

图3-1为AT89C51单片机的方框图。

图3-1AT89C51单片机的方框图

其引脚功能如下：

●VCC：

电源电压；

●GND：

地；

●P0口：

8位漏极开路型双向I/O口；

●P1口：

带内部上拉电阻的8位双向I/O口；

●P2口：

带内部上拉电阻的8位双向I/O口；

●P3口：

带内部上拉电阻的8位双向I/O口，其第二功能如表3-1所示；

●RST：

复位输入，高电平有效；

●

ALE/PROG：

ALE为地址锁存控制信号端，PROG为编程脉冲输入端；

●

PSEN：

访问片外程序存储器；

●EA/VPP：

外部访问允许；

●XTAL1：

反向放大器输入端；

●XTAL2：

反相器输出端。

P3口作为第二功能使用时各个功能引脚如表3-1所示：

表3-1P3口各引脚第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

3.1.2单片机最小系统

单片机最小系统，也叫单片机最小应用系统，是指用最少的原件组成单片机可以工作的系统。

电源、振荡电路、复位电路构成了单片机最小系统的三要素，也就是说，一个单片机具备了这三个条件，就可以运行下载的程序了，其他的比如LED小灯、数码管、液晶等设备都是属于单片机的外部设备，即外设。

单片机最小系统电路图如图3-2所示。

图3-2单片机最小系统电路图

（1）电源：

主控电路供电5V。

（2）振荡电路：

由晶振和电容组成，理论上来说，振荡频率越高表示单片机的运行速度越快，但是同时也对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。

AT89C51单片机的18脚和19脚是品振引脚，此最小系统接的是11.0592MHZ的晶振，外加两个33Pf的电容，这个电容的值没有特别的要求，作用是帮助晶振起振，并维持振荡信号的稳定。

晶振电路如图3-3所示。

（3）

复位电路：

接到了单片机的9脚（RST）复位引脚上，当程序运行过程中突然断电，此时单片机内部有的数据会丢失，有的还没有丢失，为了单片机下次打开时还能正常运行，再次上电后，单片机内部要进行一个初始化，这个过程就可以理解为上电复位；当程序运行时，遭受外界干扰死机，或者程序跑飞的时候，就可以按下复位键让程序重新开始运行，这个过程叫手动复位；当程序死机或者跑飞的时候，如果程序长时间失去响应，单片机看门狗会自动复位重启单片机这个过程就是程序自动复位[15]。

本单片机最小系统采用手动复位方式，复位电路如图3-4所示。

图3-3晶振电路图3-4复位电路

3.2温度检测模块

3.2.1数字温度传感器DS18B20简介

声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等都会对超声波的速度有影响，其中空气的温度对于超声波的速度影响最大，所以，为了避免环境温度而带来的偏差，必须对环境温度进行检测，并通过计算消除环境温度引起的偏差。

DS18B20具有接线简单、体积小、使用方便的特点，封装后可以用于各种场合的测温，尤其适应于狭小空间的测温。

DS18B20可以直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理，DSI8B20与单片机的连接十分简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20进行温度采集[16]。

DS18B20与单片机的连接如图3-5所示。

图3-5DS18B20连接电路

3.2.2DS18B20工作原理

DS18B20的ROM中存放了一个64位的序列号，可以看作是该温度传感器的地址序列码。

光刻ROM序列号的作用是可以使每一个的温度传感器各不相同[17]。

这样一台主机就可以挂接多个温度传感器，组成多个测温网点。

当进行温度操作时，如果主机对多个DS18B20进行使用，要先将主机逐个与各个DS18B20进行挂接，读出其序列号，然后将所有的DS18B20挂接到总线上，单片机发出匹配ROM指令，如果是只针对一个DS18B20进行操作，则可以不用进行这些步骤，并且不用读取ROM和匹配ROM，直接跳过（CCH）；然后开始温度转换、读取。

DS18B20ROM部分命令和功能命令如表3-2，表3-3所示。

表3-2DS18B20ROM命令

命令

代码

搜索ROM

0xF0

读取ROM

0x33

匹配ROM

0x55

跳过ROM

0xCC

表3-3DS18B20功能命令

命令

代码

转换温度

0x44

读暂存器

0xBE

写暂存器

0x4E

DS18B20测量范围是-55℃~+125℃，测量分辨率为9~12位（复位值为12位，最大转换时间为750ms）。

在要进行测温或者温度转换时控制器要发出44H命令，此时就会进行测温，温度转换结束之后，会以两个字节的形式保存在高速缓存存储器中。

每个字节都是个八位的数据，高字节的前五位是温度符号位，如果前五位就是‘0’，则代表温度大于零，反之为‘1’。

如果是正温度就直接乘以0.0625就得到了温度的值，如果小于零，就要减1在取反，再乘以0.0625。

DS18B20 温度传感器的内部结构图如图3-6所示。

图3-6DS18B20内部结构图

3.2.3温度补偿

超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关。

如果环境温度变化显着，必须考虑温度补偿问题。

为了提高系统的测量精度，本文设计了温度补偿电路。

根据实际温度的值，利用式（3-1）可计算补偿声速。

表3-4为几种温度下的对应不同声速。

空气中声速与温度的关系可以表示为：

式（3-1）

式中，T为环境摄氏温度℃。

表3-4声速与温度对应表

温度℃

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速米/秒

313

319

325

332

338

344

349

386

3.3超声波模块

HC-SR04超声波模块的电路连接如图3-7所示。

HC-SR04超声波传感器可以提供2cm~450cm的非接触式测量，测量精度可以达到3mm,该模块包括超声波发射电路，超声波接收电路和超声波控制电路。

HC-SR04具有以下几个特点：

（1）超微型，体积小，相当于两个发射头面积的大小

（2）盲区小，10mm以内可以当作0来处理:

（3）测量速度快，10ms 的测量周期不容易丢失目标:

（4）发射头和接收头成直线关系。

图3-7超声波电路连接图

HC-SR04的引