【正文】 統(tǒng)設(shè)計(jì) 21+A B L GI NC 1 C 2G N D f0C 3O U T VC C12345678紅外線信號輸入端增益調(diào)節(jié)端檢測端 地帶通濾波器調(diào)整端積分端信號輸出端電源端前置放大 限幅放大寬頻帶濾波器檢波器及比較器整形 滯后比較器C X 2 0 1 0 A圖310 CX20226A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖5 腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ 時(shí)，f0≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。6 腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測距離變短。7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22kΩ，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時(shí)則產(chǎn)生下降；8 腳：電源正極，～5V。 CX20226A工作原理綜上所述，將本超聲波測厚儀的接收電路設(shè)計(jì)為如下圖所示。C X 2 0 1 0 A1 2 3 4 5 6 7 8E c h oR 14 . 7 Ω +C 11 μ F +C 23 . 3 μ F R 22 0 0 K C 33 3 0 p FR 32 2 K V C C超聲波探頭陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22圖 311 接收電路總原理圖 液晶顯示電路目前工業(yè)中常用的厚度測量儀都是采用的數(shù)碼管顯示或者段式液晶顯示，所顯示的信息量十分有限。為了改變這一現(xiàn)狀，本次課題所設(shè)計(jì)的超聲波測厚儀采用帶字庫的LCD12864 液晶顯示，不僅顯示內(nèi)容豐富而且可以顯示漢字，方便使用者觀測數(shù)據(jù)。下圖為 LCD12864 實(shí)物圖展示。 正面 反面圖 312 LCD12864 實(shí)物圖 LCD12864簡介帶中文字庫的 LCD12864 是一種具有 4 位/8 位并行、2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置 8192 個(gè) 1616 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 168 點(diǎn) ASCII 字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 84行 1616 點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 LCD12864的特性參數(shù)（1）低電源電壓（VDD：）（2）顯示分辨率：12864 點(diǎn)（3）內(nèi)置漢字字庫，提供 8192 個(gè) 1616 點(diǎn)陣漢字(簡繁體可選)（4）內(nèi)置 128 個(gè) 168 點(diǎn)陣字符（5）2MHZ 時(shí)鐘頻率（6）顯示方式：STN、半透、正顯（7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）視角方向：6 點(diǎn)便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23（9）背光方式：側(cè)部高亮白色 LED，功耗僅為普通 LED 的 1/5—1/10（10）通訊方式：串行、并口可選（11）內(nèi)置 DCDC 轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓（12）無需片選信號，簡化軟件設(shè)計(jì)（13）工作溫度: 0℃55℃，存儲(chǔ)溫度： 20℃60℃ LCD12864引腳說明 GND1VC2L3RS4W5E678TB+uFK 圖 313 LCD12864 引腳圖1 腳：GND，邏輯電源地2 腳：VCC，邏輯電源電壓3 腳：VL ，LCD 驅(qū)動(dòng)電壓，調(diào)節(jié) LCD 對比度4 腳：RS，數(shù)據(jù)/指令選擇端（高電平為數(shù)據(jù)，低電平為指令）5 腳：RW，讀/寫選擇端（高電平為讀數(shù)據(jù)，低電平為寫數(shù)據(jù)）6 腳：EN ，讀寫使能端（高電平有效，下降沿鎖定數(shù)據(jù)）7 腳14 腳：8 個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出引腳15 腳：CS1，片選擇號（低電平時(shí)選擇前 64 列）16 腳：CS2，片選擇號（低電平時(shí)選擇后 64 列）17 腳：RST，復(fù)位信號端（低電平有效）18 腳：VEE，輸出 15V 電源給 V0 提供驅(qū)動(dòng)電源19 腳：BL+ ，背光源正端20 腳：BL，背光源負(fù)端陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 本章小結(jié)本章結(jié)合結(jié)合超聲波測厚儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了各電路模塊的硬件設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件部分通過 4 個(gè)小節(jié)進(jìn)行了想的介紹說明，包括單片機(jī)控制電路、發(fā)射電路、接收電路、液晶顯示電路。其中單片機(jī)控制電路的介紹中，詳細(xì)說明了本次設(shè)計(jì)所采用的 STC89C52 單片機(jī)的功能特性、引腳介紹以及最小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。發(fā)射電路介紹中，對采用 NE555 芯片產(chǎn)生 40kHz 的脈沖信號和利用 74LS04 反向器產(chǎn)生 40kHz 的方波信號的工作原理作了詳細(xì)說明。接收電路介紹中，詳細(xì)說明了接收芯片 CX20226A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理。液晶顯示電路中用到的 LCD12864 液晶顯示模塊在本章的第五小節(jié)做了詳細(xì)的介紹。硬件電路的設(shè)計(jì)完成，給軟件程序的設(shè)計(jì)做了良好的鋪墊。便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 254 超聲波測厚儀的軟件設(shè)計(jì)在上一章中已經(jīng)詳細(xì)介紹了本次超聲波測厚儀的硬件部分和整體構(gòu)架，但是對一個(gè)完整的系統(tǒng)來說，只有硬件結(jié)構(gòu)是不能完成預(yù)期目的的，必須要有相應(yīng)的軟件程序與之配合工作。一個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)好壞與否，直接關(guān)系到使用者對系統(tǒng)的使用情況，軟件程序設(shè)計(jì)得不好，硬件電路再出色都會(huì)在功能上大打折扣。所以，軟件程序也是系統(tǒng)的重要組成部分。本測厚儀所采用的控制器為 STC89C52 單片機(jī)，指令功能豐富，內(nèi)存資源充足。對于單片機(jī)的程序編譯，常用的編程語言有匯編語言和 C 語言兩種，由于 C 語言具有編譯難度低，可讀性高，可移植性強(qiáng)并且可以提高代碼的可維護(hù)性和編程效率等優(yōu)點(diǎn)，因此本次測厚儀的軟件設(shè)計(jì)語言采用 C 語言。本章將詳細(xì)介紹本超聲波測厚儀的軟件程序設(shè)計(jì)，包括：主程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)、超聲波發(fā)射程序設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)、液晶顯示單元設(shè)計(jì)以及按鍵單元設(shè)計(jì)。 主程序設(shè)計(jì)超聲波測厚儀開機(jī)通電后，首先進(jìn)行的是系統(tǒng)初始化，計(jì)數(shù)器清零和液晶顯示清零；當(dāng)按下“確認(rèn)”鍵后，整個(gè)系統(tǒng)開始工作，發(fā)射電路開始運(yùn)行，產(chǎn)生頻率為 40kHz 的超聲波同時(shí)計(jì)數(shù)器開始工作；然后發(fā)射電路停止工作，等待忙去時(shí)間過去后，接受電路啟動(dòng)，等待接受反射波；當(dāng)接收探頭檢測到超聲波的反射波時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并進(jìn)入中斷程序；在中斷程序中，將計(jì)數(shù)值裝換成厚度值有液晶顯示屏顯示結(jié)果，并將計(jì)數(shù)器清零。重復(fù)上述動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測厚度的要求，在檢測過程中，若按下“記錄”按鍵，則將測厚儀當(dāng)前所顯示的厚度值以及側(cè)后信息記錄下來并在液晶屏上顯示，不影響實(shí)時(shí)檢測功能?？偝绦蛟O(shè)計(jì)框圖如下圖所示。陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26開機(jī)上電初始化是否按下“ 確認(rèn) ” 鍵 ？是否接收到反射波 ？是否按下“ 記錄 ” 鍵 ？發(fā)射超聲波開始計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束顯示厚度值記錄數(shù)據(jù)否是否是是否圖 41 總程序設(shè)計(jì)框圖便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)超聲波測厚儀開機(jī)后，直接進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，這樣做的目的即是為了本超聲波測厚儀的操作簡單，又是為了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定及數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)的準(zhǔn)確。超聲波測厚儀在開機(jī)上電以后，液晶屏幕首先顯示“超聲波測厚儀”字樣，隨即，系統(tǒng)直接進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，首先是單片機(jī)各個(gè)引腳控制端的復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其次對單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器清零，以保證測厚數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最后對 LCD 液晶顯示屏的顯示數(shù)據(jù)清零，但是要將已經(jīng)記錄是數(shù)據(jù)保留。系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。點(diǎn)亮 L C DL C D 顯示“ 超聲波測厚儀 ”單片機(jī)復(fù)位定時(shí) / 計(jì)數(shù)器清零是否有記錄數(shù)據(jù) ？L C D 顯示已記錄數(shù)據(jù)L C D 清零是 否開機(jī)上電圖 42 系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)框圖陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28在超聲波測厚儀的使用過程中，產(chǎn)生超聲波是至關(guān)重要的一步，如果發(fā)射電路停止工作，整個(gè)測厚系統(tǒng)都會(huì)處于癱瘓狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢測到“確認(rèn)”鍵按下后，單片機(jī)給NE555 芯片一個(gè)啟動(dòng)信號，產(chǎn)生 40kHz 的脈沖信號，送到驅(qū)動(dòng)電路，建立 40kHz 的方波信號，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭產(chǎn)生超聲波信號。超聲波發(fā)射程序設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。是否按下 “ 確認(rèn) ”鍵 ？N E 5 5 5 電路（ 4 0 k H z 脈沖 ）驅(qū)動(dòng)電路（ 4 0 k H z 方波 ）超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波否是系統(tǒng)初始化圖 43 超聲波發(fā)射程序設(shè)計(jì)框圖便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，計(jì)數(shù)結(jié)果要直接轉(zhuǎn)換成厚度值，因此，計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)的好壞將影響到超聲波測厚儀的測厚精度。發(fā)射電路成功發(fā)射 40kHz 超聲波后，單片機(jī)停止發(fā)射電路工作，等待 5μs 過去，通過第二章的介紹可以知道，這是為了讓接收探頭有效接收反射波的盲區(qū)設(shè)置，5μs 之后，單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 開始計(jì)數(shù)，直到探頭接收到反射波，停止計(jì)數(shù)，并進(jìn)入中斷程序。計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。是否接收到反射波信號 ？中斷程序發(fā)射電路停止工作5 μ s 等待時(shí)間啟動(dòng)接收電路是否 發(fā)射超聲波圖 44 計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)框圖陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 中斷程序設(shè)計(jì)當(dāng)超聲波接收探頭接收到反射波信號時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序。中斷程序中，首先將計(jì)數(shù)結(jié)果賦值給變量 num，由于 STC98C52 單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為 ，所以機(jī)械周期為 μs，考慮到盲區(qū)等待的 5μs，因此，.??為 ，單位為微秒。假定使用者選擇的材料聲速值為 S，單位是numtie??mm/μs，則被測工件的厚度值應(yīng)為 ，單位為 mm。最后將厚度值通過 LCD 液2timeSD??晶顯示屏顯示出來。中斷程序設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。n u m = 計(jì)數(shù)值t i m e = n u m * 1 . 0 8 5 + 5D = ( S * t i m e ) / 2L C D 顯示 D 的值接收到發(fā)射波信號圖 45 中斷程序設(shè)計(jì)框圖便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 按鍵單元設(shè)計(jì)在按鍵程序設(shè)計(jì)中，最重要的是判斷按鍵是否真的按下，也就是消抖過程。當(dāng)檢測到有按鍵閉合后，系統(tǒng)延時(shí) 10ms，再次檢測這個(gè)按鍵是否處于閉合狀態(tài)，如果不是，證明按鍵沒有被按下，如果是，就繼續(xù)檢測按鍵是否抬起，若按鍵已抬起，則執(zhí)行按鍵程序。鍵盤單元設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。是否有按鍵閉合 ？延時(shí) 1 0 m s是否有按鍵閉合 ？確定按鍵位置按鍵是否釋放 ？執(zhí)行按鍵程序開始否是否是否是圖 46 按鍵單元設(shè)計(jì)框圖陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 本章小結(jié) 本章結(jié)合了超聲波測厚儀的性能設(shè)計(jì)和模塊化結(jié)構(gòu)，著重介紹了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)思路，包括主程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)、超聲波發(fā)射程序設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)以及按鍵單元設(shè)計(jì)這六個(gè)部分，詳細(xì)介紹了超聲波測厚儀一次工作的流程，中斷程序中給出了計(jì)數(shù)值到測量厚度值得轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且各個(gè)部分都繪制了流程圖便于理解。主函數(shù)程序見附錄 II。便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 335 課題總結(jié) 課題研究所得成果本課題研制的測厚儀是基于單片機(jī)的便攜式超聲波測厚儀，利用的原理是超聲波脈沖回波原理。課題研究取得了如下成果：（1）本測厚儀包括硬件電路和軟件程序兩大部分。其中硬件電路部分采用STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，包含了單片機(jī)主控電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LCD 液晶顯示電路以及按鍵電路，軟件程序部分利用 C 語言編譯，實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。（2）測厚儀的功能包括實(shí)時(shí)檢測被測工件厚度、實(shí)現(xiàn)測厚數(shù)據(jù)的記錄儲(chǔ)存功能、實(shí)現(xiàn)對不同材料工件的厚度測量。（3）由于電路設(shè)計(jì)簡單，采用 PCB 制版技術(shù)與貼片焊接技術(shù)，可將本超聲波測厚儀設(shè)計(jì)得輕便易攜帶。 課題研究中遇到的問題硬件電路連接完成后，在進(jìn)行軟件調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)，超聲波測厚儀在厚度測量的過程中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)值的大幅度跳變，十分不穩(wěn)定，但是應(yīng)用在距離測量時(shí)就沒有這樣的問題。在查閱了相關(guān)資料以及詢問了相關(guān)技術(shù)人員后，確定出現(xiàn)這個(gè)問題的原因在于探頭的中心頻率過小造成的。超聲波的在傳播過程中有能量的消耗，當(dāng)回波能量的過小時(shí)，探頭已經(jīng)不能識(shí)別，所以會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。超聲波所攜帶的能量的大小與頻率的平方成正比，所以探頭的中心頻率過小會(huì)導(dǎo)致儀器在測厚過程中出現(xiàn)誤差。解決這個(gè)問題的辦法是將原來采用的中心頻率為 40kHz 的超聲波探頭換成中心頻率在 以上的超聲波探頭即可。陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 致 謝 在畢業(yè)論文完成之際，我由衷的感謝在本次課題研究中幫助和關(guān)心我的人們。首先要感謝我的課題知道老師張根寶老師，在課題研究和論文撰寫過程中，張根寶老師給予了很大的幫助。在課題研究初期，是張老師向我提供了很多參考資料，并且?guī)臀乙?guī)劃了整個(gè)課題研究的時(shí)間安排。當(dāng)課題研究遇到困難時(shí)，張老師都會(huì)鼓勵(lì)我，幫助我，細(xì)心解答我的問題。在此，向張根寶老師表達(dá)深深的謝意。還要感謝實(shí)驗(yàn)室的師兄