基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

发的程序也被称为虚拟仪器，所有的虚拟仪器都包括了前面板和程序框图两部分。 LabVIEW 代码直观，简单易用，但在功能完整性和应用灵活性上不亚于任何一种高级语言。 它同样定义了数据类型、结构类型和模块调用规则等一般编程语言的基本要素，使用者完全可以用它来设计专业的、功能强大的程序。 LabVIEW不仅提供了遵从 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还 内置了支持 TCP\IP、 ActivX 等软件标准的库函数。 利用它结合 NI公司的其他硬件，用户可以很方便地建立自己的虚拟仪器。 LabVIEW 软件可以广泛应用于各种台式、移动、工业级计算机和嵌入式系统中，以其强大的图形化编程界面为工程师和科学家提供直观的编程语言。 虚拟仪器可以应用了多种领域，是因为他可以与多种物理控制和采集单元连接，于此同时虚拟仪器必须应用到计算机的控制，用于虚拟仪器的软件也是虚拟仪器设计的关键。 LabVIEW 是面向设计、控制与测试的 LabVIEW 图形化开发平台，被广泛应用于嵌入式设计与原型构造、 工业监控、自动化测试测量、滤波器设计 /DSP、高级控制、 HMI/SCADA、数据记录与 NVH 通信测试系统、原型构造、工业控制（ PID）机器视觉与运动等领域。 LabVIEW 可以在计算机 /硬件终端使用例如台式机、工控机、移动设备和嵌入式设备。 LabVIEW 特点 LabVIEW 平台的特点可归结为以下几个方面： 基于图形化的编程方式，其编程十分简洁方便，是真正的工程师的语言； 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数； 提供传统的程序调试手段，如单步执行、设置断点，同时提供设置探针 、显示数据流动画等独具特色的调试方法； 基于单片机 和虚拟仪器技术的超声 探测仪的 设计 12 继承传统编程语言结构化和模块化的优点，这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的； 囊括了 PCI, GPIB, PXI, VXI, RS232/485, USB 等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器； 提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如 DLL(动态链接库 )、 DDE(共享库 )、 ActiveX 等； 具有强大的 Inter 功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测量仪器的开发。 基于单片机 和虚拟仪器技术的超声 探测仪的 设计 13 第 3 章 基于单片 机的超声波探伤仪 的 设计 AT89C52 单片机 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8KB的可反复檫写的程序存储器和 256bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内配置通用 8位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可灵活应用于各种控制领域。 单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。 本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位 电路，来构成单片机的最小电路。 EA端接 +5v 电源选中内部存储器。 单片机单元电路连接图如图 所示： 12345678RST9101112131415(/WR)16(/RD)17XTAL118XTAL219GND20A8/21A9/22A10/23A11/24A12/25A13/26A14/27A15/28/PSEN29ALE30/EA31AD7/32AD6/33AD5/34AD4/35AD3/36AD2/37AD1/38AD0/39VCC40U12AT89C5210KR2710uFC15 S112YXTAL30pFC16Cap30pFC17VCC 图 单片机单元电路 时钟电路 计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单基于单片机 和虚拟仪器技术的超声 探测仪的 设计 14 片机控制器中的时序电路发出的。 单片机的时序就是 CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序。 为了保证各部件间的同步工作。 单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。 要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。 因此选择了内部时钟方式。 利用芯片内部的振荡器，然 后在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图 所示，外接晶振时， C17 和 C16 值通常选择为 30PF 左右。 C17， C16 对频率有微调作用。 晶体的频率范围可在 ～ 12MHZ 之间选择。 在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。 可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。 复位电路 由图 可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与 ccV电源接通。 复位是单片机的初始化操作。 单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 因而，复位是一个很重要的操作方式。 但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。 发射电路 超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分，对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。 发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。 调谐式电路中有调谐线圈，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。 非调谐式电路发射一尖峰脉冲，脉冲的频带 较宽，可以适应不同频带范围的探头，此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。 本设计采用非调谐式发射电路。 发射电路在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高压脉冲信号。 图 32为其原理图。 图 中输入端为超声波发射的控制信号，由主机单元产生，是宽度为 500 n s、重复频率为 200 Hz 的脉冲信号。 经三极管 Q Q Q3 驱动后送到 Q4 的控制极，该设计选用双向晶闸管 BTl36 600，该晶闸管具有 600 V 的反向峰值电压和 4 A 的额定平均电流。 Q 4 漏极经 R6 接高压 Vch。 在常用的超声检测系统中， Vch 电压在数十伏至几百伏的范围内，为充分激发探头的压电性能，本设计中采用 600v 高压直流电源。 当 Q 基于单片机 和虚拟仪器技术的超声 探测仪的 设计 15 4 截止时 , 电容器 C4 在 600V 电源的作用下 , 经 R6 充电到 600V；当 Q4导通时 , C4 经Q4， R7放电 , 在 R8 上产生激励探头的高压。 可变电阻 R8 为 10kΩ 决定了电路的阻尼情况，可以通过改变 R8 的阻值来改变发射的强度。 电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器的分辨力低，适合探测厚度大，对分辨率力要求不高的试件。 电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测 近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。 Q12N3904100pFC11KR11KR21KR31KR41KR51KR6100pFC2100pFC3Q22N3906Q32N3904Q4MOSFETN100pFC4D11KR7LS1B5S10kR8控制脉冲输入Vch 图 发射电路 信号调理电路 限幅单元 当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。 而由于探头是收发一体的，发射信号很强，它同时作用于接收电路，而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅，限幅电路如图 所示。 图中电阻 R9 相对于发射电路中的可调电阻 R8 要足够大， 选取阻值 50KΩ， 用以消除接收电路对发 射电路产生负载效应。 选用具有较大正向电流的二极管 (如 2K61701)D2和 D3 构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在士 V 左右，可以达到该电路的预期效果。 基于单片机 和虚拟仪器技术的超声 探测仪的 设计 16 LS2B5S50KR91KR10D2 D3 1KR11100pFC5限幅电路输出 图 超声波限幅电路 衰减放大电路 限幅之后，便是放大电路，为了能够测量幅度的变化值，在回波信号进入放大器之前，先经过已校准的衰减器，以便于对信号幅度定量调节，以适应不同的信号范围。 该设计选 AD(ANALOG DEVICES)公司推出的压控增益放大器 AD603进行程控增益放大电路模块 的设计。 AD603 具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点，其高达 50 MΩ 的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。 AD603 程控增益原理图如图 所示，其管脚说明如表 31所示。 表 31 AD603 管脚说明 AD603 提供精确的、可由管脚选择的增益，且其增益线性可变，而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，增益变化范围 40 dB，增益控制转换比例 25 mV/。