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索特超聲測厚儀的智能化設(shè)計

2013-1-23　　

　　索特超聲波測量厚儀根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量，如金屬類、塑料類、陶瓷類、玻璃類。廣泛應用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個領(lǐng)域。
　　
　　索特超聲波測厚儀的智能化設(shè)計
　　
　　非智能化單元由6部分構(gòu)成，首先由發(fā)射脈沖振蕩器產(chǎn)生頻率2kHz的方波，送給發(fā)射脈沖整形放大電路，使其變成脈沖寬度3μs，幅度為100V的窄脈沖去驅(qū)動超聲波探頭，超聲波探頭將電脈沖轉(zhuǎn)變成超聲波束射入被測物體，在被測物體底面發(fā)生反射，反射波又被超聲波探頭接收并轉(zhuǎn)變成電脈沖，但此時脈沖幅度在傳播和轉(zhuǎn)換過程中已被衰減為幾毫伏。然后，將接收到的反射脈沖送給反射脈沖放大器放大至邏輯電平，同發(fā)射脈沖一起送給閘門發(fā)生電路產(chǎn)生閘門脈沖。閘門脈沖的前沿和后沿分別由發(fā)射脈沖和反射脈沖確定，即閘門寬度為超聲波在被測物體內(nèi)入射和反射所用的時間。zui后將閘門脈沖和12.8MHz的時鐘脈沖送給與門電路。閘門脈沖到來時，時鐘脈沖通過與門輸出。閘門脈沖沒來到時與門無時鐘脈沖輸出。與門通過的時鐘脈沖數(shù)可反映被測物體的厚度，并將其送入智能化單元進行相關(guān)處理。
　　
　　單片機89C51及周圍元件構(gòu)成智能單元，89C51是一種低功耗，內(nèi)含4K字節(jié)快擦寫EPROM的8位單片機，其指令系統(tǒng)與80C51*兼容。各功能設(shè)計如下。
　　
　　（1）厚度信號的采集和輸出顯示
　　
　　二輸入端與門74HC00在閘門脈沖的控制下輸出時鐘脈沖（閘門脈沖），再經(jīng)CD4520進行256分頻后加到單片機的定時／計數(shù)口P3.4，由單片機進行采集。256分頻是完成脈沖數(shù)與厚度值間標度變換需要。儀器的測量采用測量信號中斷方式，沒有進入測量狀態(tài)時，無中斷信號發(fā)生。進入測量狀態(tài)時，超聲波探頭便收到反射脈沖，閘門發(fā)生器產(chǎn)生閘門脈沖，閘門脈沖送給中斷信號發(fā)生器產(chǎn)生中斷請求信號控制外中斷口P3.2，CPU響應中斷，執(zhí)行測量程序，采集閘門脈沖，對其進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，將處理后的厚度信號由單片機的P1.1口輸出給ICM7224的輸入端CI，經(jīng)ICM7224計數(shù)、譯碼后直接驅(qū)動4位液晶片（LCD），顯示厚度值。ICM7224是單片CMOS4位計數(shù)／譯碼／LCD驅(qū)動器，本設(shè)計只使用4個整數(shù)位、前面的半位不用，使用時懸空。每位的7段筆劃引腳直接與液晶對應的筆段相連。圖中的BP引腳是背電極驅(qū)動端，用于驅(qū)動液晶的公共電極。單片機P1.4、P1.5口輸出控制信號，控制ICM7224的鎖存和復位。
　　
　?。?）鍵盤接口
　　
　　圖3－1中K1～K4分別是聲速設(shè)定、厚度標定、聲速增、聲速減4個功能鍵，功能鍵采用中斷掃描方式。沒有鍵按下時，四輸入端與門CD4082的4個輸入端和單片機的P1.0、P1.2、P1.3、P1.6口在上拉電阻R1～R4的作用下呈高電平，CD4082的輸出端也是高電平，無中斷請求。按下某鍵時，CD4082的某一輸入端被接地，輸出端變成低電平，向CPU發(fā)出中斷請求，單片機響應中斷，執(zhí)行中斷服務程序，掃描鍵盤，判斷P1.0、P1.2、P1.3、P1.6口電平，確定按下的是哪一個鍵，并轉(zhuǎn)去執(zhí)行該鍵功能所賦予的處理程序。
　　
　　（3）開機和關(guān)機控制
　　
　　模擬開關(guān)CD4066和按鍵K5構(gòu)成電源開關(guān)電路，按下K5時，單片機接通5V電源，開關(guān)控制程序使P3.0口輸出高電平控制CD4066的控制端，使其導通，接續(xù)K5給系統(tǒng)供電。單片機內(nèi)設(shè)有定時電路，只要測厚儀停止測量，定時程序開始計時，到60s時，P3.0口變成低電平，CD4066開關(guān)斷開，實現(xiàn)延時自動關(guān)機。
　　
　?。?）厚度標定
　　
　　由于環(huán)境溫度和工作電壓等因素的影響，測量系統(tǒng)的某些參數(shù)時常發(fā)生漂移，因此測量時應對儀表進行厚度標定。標定操作是用儀器測量一片5mm厚的標準試塊，若儀器顯示不等于5mm，就應進行厚度標定。老式的測厚儀是通過調(diào)整電位器旋鈕實現(xiàn)的。本設(shè)計由厚度標定鍵完成，需要標定時，按下厚度標定鍵，單片機執(zhí)行厚度標定程序，讓測量結(jié)果與標準厚度比較，根據(jù)結(jié)果進行加減處理，完成標定。
　　
　　（5）聲速設(shè)定
　　
　　超聲波測厚儀在測量不同材料的厚度時，由于超聲波在不同材料里傳播的速度不同，需設(shè)置材料的聲速，例如鋼的聲速5950m／s、鋅的聲速4170m／s。這種操作在老式儀表中是由機械式3位BCD碼盤開關(guān)和可預置計數(shù)器控制閘門次數(shù)完成的，對聲速高的材料，閘門打開的次數(shù)多，聲速低的材料，閘門打開的次數(shù)少。本設(shè)計則將鑄鋼、鋼、鋁、紫銅、黃銅、鋅、石英玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯9種典型材料的聲速，以表格形式放入存貯單元，使用時由聲速設(shè)定鍵選出，然后由單片機的P1.7口采集發(fā)射脈沖對其進行減法計數(shù)，來控制閘門打開的次數(shù)，使聲速設(shè)定的操作十分簡便。
　　
　?。?）聲速調(diào)整
　　
　　上面提到的9種典型材料的聲速設(shè)定，由聲速設(shè)定鍵選定。測量非典型材料的厚度時，聲速的設(shè)置由聲速增、聲速減兩個功能鍵完成。按下聲速增或聲速減鍵，液晶屏顯示的聲速值呈增減變化，直至調(diào)到我們所需求的聲速為止，此時聲速調(diào)整程序?qū)⒄{(diào)好的數(shù)值存入聲速存貯單元待用。
　　
　?。?）小數(shù)點控制和上電復位電路
　　
　　4位液晶屏兼做聲速和厚度兩個量的顯示，聲速的單位是m／s，例如鋼的聲速是5950m／s，這時液晶屏不需要顯示小數(shù)點。顯示厚度的單位是mm，分辨率是0.1mm，在測量10mm厚材料時液晶屏顯示010.0mm，有小數(shù)點顯示。單片機的P3.1口用于小數(shù)點控制，顯示聲速時呈高電平，顯示厚度時呈低電平，在異或非門CD4077的作用下，控制個位前小數(shù)點的有無。

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