论文总字数：16424字

目 录

1绪论 3

1.1研究背景 3

1.2研究目的 4

1.3研究意义 4

1.4 本章小结 5

2系统分析和系统总体设计 5

2.1超声波测厚系统的指标要求 5

2.2系统组成及工作原理 6

2.2.1系统组成 6

2.2.2超声波测厚原理 6

2.2.3非接触式测厚的实现 8

2.2.4蓝牙模块的工作原理 9

2.3 本章小结 10

3系统硬件选择和介绍 10

3.1 89C51单片机 10

3.2超声波探头HC-SR04的结构 10

3.3液晶显示LCD1602 11

3.4蓝牙模块BT-06 12

4系统硬件设计 13

4.1单片机89C51最小系统设计 13

4.2超声波测厚模块电路设计 14

4.3显示模块 14

4.4蓝牙模块 15

4.5其它外围模块 16

4.6 本章小结 16

5系统的软件设计 17

5.1超声波发射接收模块程序设计 17

5.2蓝牙发送数据设计 18

5.3 LCD显示模块设计 19

5.4蓝牙app的设计 20

5.5 本章小结 20

6系统调试和结果分析 21

6.1各模块调试原则 21

6.1.1超声波测厚模块调试 21

6.1.2 LCD显示模块 21

6.1.3 蓝牙模块的调试 21

6.2误差分析 22

6.3 实验及系统误差矫正 22

6.4成果展示 23

6.5本章小结 23

7总结 24

参考文献 25

致谢 26

超声波测厚仪的设计

杨晓东

, China

Abstract：At present, most of the thickness gauge on the market using ultrasonic thickness measurement, the design of ultrasonic applications for the background, introduced a single-chip ultrasonic thickness measurement.

The design of this paper uses 89C51 as the main controller, through the ultrasonic thickness measurement module to collect information, and then use the microcontroller to calculate the transceiver time to calculate the thickness of the measured object, and through the Bluetooth data to the mobile app display, the final A low-cost, precision-accurate ultrasonic thickness measurement system.

Key word: Single chip microcomputer 89C51, Ultrasonic Thickness, LCD1602,Bluetooth

1绪论

1.1研究背景

超声波作为目前比较热门的研究方向，被广泛应用在医疗设备，工业测量，船舶，金属探伤，液面测量，海洋探测，车速测量等方面，超声波测厚技术属于超声波检测学科在实际中的应用，超声波测厚具有无损伤，低成本，高精度，便于操作等特点，在各种工业测量环境下得到了广泛的关注和应用。

目前，超声波测厚主要有非接触式和接触式2种测量方法，非接触式为时差法：通过固定探头和平台板，计算放上被测工件和无被测工件时的时间差乘以声速便可以得到被测工件的厚度。接触式分为：脉冲回波法，透射法和共振法。

（1）脉冲回波法：通过记录脉冲从发射到接收的时间来计算厚度，被广泛用于各种超声波探测仪器。

（2）共振法^[1]：共振法测厚技术是通过调制的正弦波电信号频率在一定范围内变化,来激励压电晶片,晶片向被测工件发射频率连续变换的超声波。根据共振原理,当被测工件的厚度是半波长的整数倍时,被测工件内会形成驻波,形成共振。设被测工件的厚度是d,波长是I,已知波长公式

则

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，则被测工件的厚度为

共振法局限于光滑平面的物体测厚，如果被测物体质地不均匀或者表面粗糙则无法正常精确地测出物体的厚度。

（3）透射法：本方法使用超声波穿透被测物体的透射率来对被测物体进行检测，将两个探头分别置于被测物体的两边，测量从发射到回波的时间，但是透射法也有着明显的缺陷，只能测量之地均匀无损伤的物体厚度，如果物体内部存在缺陷，超声波会发生衰减^[2]。

本次课题选用非接触法，因为非接触法对被测物体表面平滑程度要求较低，虽然非接触法由于探头的精度问题无法在测量较薄的物体时保持较高精度，但结合本课题的精度要求依然选用了非接触法。在实际测量中可以通过修改程序从而减少实验中可能产生的误差。

1.2研究目的

通过使用基于89C51单片机的系统开发出一款超声波测厚仪，在保证现有常用测厚仪测量精度基础上降低使用功耗减轻体积，并且增加了与移动设备（手机，平板电脑等）交换数据的功能，对现有超声波测厚仪进行优化，降低测厚仪生产成本并达成精度适中的目标。

本次设计选用89C51单片机作为主控制器，通过超声波测厚模块对信号进行发射和接收，然后利用单片机进行数据计算，对测厚计算数据进行修正，最后在LCD1602上显示实时厚度。并且可以通过蓝牙模块将数据传到手机上显示。

1.3研究意义

超声波测厚仪目前在工业，医疗，船舶，冶金，质检方面应用前景非常广泛，具有无损伤，高精度，使用方便等优点。随着超声波测厚技术的发展，有关超声波测厚的研究必将越来越受到重视，目前，在国内和国外均有多家公司参与超声波测厚仪的研发。研究超声波测厚对工业等方面的发展有着长远而又深刻的意义，可以提高生产效率，降低事故隐患。

目前，如何提高测量精度，减少使用功耗，增加外设功能，减小体积，减少故障率是超声波测厚仪的主要研究方向。

超声波测厚技术起源于20世纪30年代，在二战后出现了第一批超声波探伤装置。超声波测厚技术最早在上世纪50年代被应用于国外的航天，船舶等工业领域上世纪60年代出现了以中小型集成电路为基础的超声波测厚系统上世纪70年代国外已经开始制作以集成电路为基础的超声波测厚仪器1970到1985年，国外已经完成了数字化设计的超声波测厚仪器设计。 目前出现了一批以美国的dakota公司和日本的olympus公司以及德国的Krautkramer公司为首的一批掌握先进超声波测厚技术的企业。

在日常生活中，我们也可以通过超声波测厚仪来完成一些简单的测厚，相比传统测量方式，超声波测厚具有便捷易操作和精度高的特点，在不久的将来，在日常生活中超声波测厚的应用会呈现增加趋势。

1.4 本章小结

本设计的内容是应用在超声波测厚领域中，通过对研究现状和超声波测厚原理的了解，可以更好地选择出适合采用的测厚方式，提高设计效率。在简单测厚中，由于传统测厚模式比如千分尺测量物体受到物体形状和位置的限制，经常不能很好地测量物体的厚度，本设计的设计目标便是设计出能够在测厚过程中不用受到物体表面平滑度影响的基于89C51单片机的超声波测厚仪。

2系统分析和系统总体设计

2.1超声波测厚系统的指标要求

本课题的总体设计目标是研究开发一种基于89C51单片机的超声波测厚仪器，该系统具有操作简单、实用性强、成本较低、价格低等特点。本文设计的超声波测厚系统，要能准确收集回波时间差，并计算出被测物体厚度将其显示在液晶显示屏上，此外，还可以通过程序修正减少测量误差。也可以通过电脑及手机供电，具有轻便易携，适合在各种场合下使用的特点。

1. 供电模式：usb端口供电；
2. 厚度测量误差：0.4cm；
3. 厚度测量范围：20到300mm；
4. 厚度显示：LCD1602显示/手机应用显示；
5. 探头频率：40KHZ；
6. 探头型号：HC-SR04探头；
7. 蓝牙型号：BT-06；
8. 工作电压：5伏；

2.2系统组成及工作原理

2.2.1系统组成

超声波测厚系统的构成分为超声波模块和LCD1602显示两部分，超声波模块主要用于发射和接收超声波信号，LCD1602主要用于显示测量结果，其原理框图如图2.1

蓝牙

模块

被测物体

超声波模块

单片机

lcd显示

手机

显示

图2.1 系统组成简图

89C51单片机控制超声波模块发射/接收脉冲信号，对超声波检测到的数据进行分析运算，最终在LCD1602上显示出测得的数据，蓝牙模块将测得的数据发送到手机，在手机app中显示测量所得结果。

2.2.2超声波测厚原理

超声波的产生原理：逆压电效应，逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。通过将压电材料切成在一定频率下发生共振的晶片，将晶片两面通过镀银质薄膜作为电极，并在这两个电极上加上高频电压，晶片就会在某一方向上做伸缩振动，振动频率与高频电压的频率相同，从而产生超声波。在超声波测厚中，有些使用同一晶片，既可以发射信号，也可以接受信号，有些使用双晶片，一个晶片用来发射信号，另一个探头用来接收信号。

超声波测厚基本原理：利用压电材料产生超声波，将超声波传入被测物体中，当超声波传递到物体与外界的交界面处时，就会全部或者部分反射。反射回来的超声波被接收探头接收，通过滤波电路和A/D转换电路处理，导致echo口电平变化，即可根据单片机内部时钟来计算被测物体厚度。

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