CN214173290U - 一种基于超声波的单板测厚*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于超声波的单板测厚***，包括发射电路、超声波探头一、超声波探头二、接收电路、信号处理电路、MCU控制电路、LCD显示电路、工作指示电路和报警电路；发射电路包括开关控制电路，接收电路包括前置处理电路和二级比例放大电路，信号处理电路包括全波整流电路、包络检波电路和过峰判断电路；MCU控制电路、开关控制电路、超声波探头一依次连接，超声波探头二、前置处理电路、二级比例放大电路、全波整流电路、包络检波电路、过峰判断电路、MCU控制电路依次连接。本实用新型电路简单可靠，通过对超声波信号进行分析处理，快速获得单板的厚度信息；用超声波测厚技术，取代传统的人工测厚，有利于提高单板的生产效率。

Description

一种基于超声波的单板测厚***

技术领域

本实用新型涉及超声测厚技术领域，具体涉及一种基于超声波的单板测厚***。

背景技术

随着经济的快速发展，家具制造业的发展趋势突飞猛进。家具制造工业生产中对于木材的需求与日俱增。木质的地板、桌子和椅子等家具成为室内装潢的必备品，而这些木质家具的制造离不开人造板材。自然，对人造板材的生产需求也愈加旺盛。人造板材往往由单板胶合而成。

单板，又称为面皮，或者木皮。其主要用途就是用来生产胶合板、细木工板或者模板等各种人造木板材料。单板的生产需要消耗大量的劳动力。故而，这种产品在发展中国家生产较多。中国是单板产最大的国家。临沂已经成为世界最大的单板交易地点。在中国，临沂天祥木业是最著名的单板企业，规模大、产量高、质量稳定是其生产优势。

单板有旋切和刨切两种生产方式，人造板用的单板多为旋切而成。东南亚地区的巴布亚新几内亚、非洲等地区是我国单板生产的原木的主要进口地。原木的主要品种有山桂花、桃花(也叫奥古曼)、红橄榄、黄铜、榄仁木、冰糖果、黄芸香、柳安、大白木、铅笔柏、270mm×2500mm第伦桃、贝壳杉、桦木、松木等等。

面皮的厚度分为很多种。东南亚以及其他国家的木皮一般比较厚，这是因为他们工业技术较差，无法旋切出太薄的木皮。而在中国，单板生产厂家甚至可以将单板旋切的如书写用的白纸一样薄，厚度可以从0.10mm到1mm。较薄的单板既可以减少自己的生产成本，同时也可以降低买家的成本。

不同地区的买家对于面皮质量的要求也不尽相同。由于单板是一种较为初级的、天然的产品，所以在市场中尚且没有形成较为统一的国家标准。以至于就连同在临沂一个地区的各个不同的厂家之间，其等级标准也千差万别。一般来说，单板的等级主要分为以下几种：甲乙面、丙面、次丙、整张、丁眼、干疤、甲底a、甲底b。在胶合板及细木工板的生产过程中，生产厂家往往将甲乙面和丙面作为板材的表面，将其他类型的单板作为多层板的底面。单板的质量千差万别，其价格也高低不一。更有甚者，两个相邻的工厂之间的价格也有很大的差别。

随着人造板生产技术水平不断提高，生产过程逐步实现自动化，对单板厚度检测的要求也不断提高。单板的厚度是衡量单板质量的重要技术指标之一。在木材的旋切生产过程中，需要及时掌握已生产的单板的厚度信息，以便做出判断是否符合生产要求。只有快速的获取单板的厚度信息，才能够保障单板的生产满足要求。

为了满足现代化工业生产的要求，传统的人工测量方法由于效率低下必然要被取代。利用现代技术，设计一种可以在线测量单板厚度的***是十分具有研究意义的。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于超声波的单板测厚***，本基于超声波的单板测厚***，整体电路简单可靠，通过对超声波信号进行分析、处理，可以快速获得单板的厚度信息；用超声波测厚技术，取代传统的人工测厚，有利于提高单板的生产效率。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种基于超声波的单板测厚***，包括发射电路、超声波探头一LS1、超声波探头二LS2、接收电路、信号处理电路、MCU控制电路、LCD显示电路、工作指示电路和报警电路；

所述发射电路包括开关控制电路，所述接收电路包括前置处理电路和二级比例放大电路，所述信号处理电路包括全波整流电路、包络检波电路和过峰判断电路；

所述MCU控制电路与开关控制电路连接，所述开关控制电路与超声波探头一LS1连接，所述超声波探头二LS2与前置处理电路连接，所述前置处理电路与二级比例放大电路连接，所述二级比例放大电路与全波整流电路连接，所述全波整流电路与包络检波电路连接，所述包络检波电路与过峰判断电路连接，所述过峰判断电路与MCU控制电路连接，所述MCU控制电路同时与LCD显示电路、工作指示电路和报警电路连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述开关控制电路包括非门芯片74HC04、驱动芯片MC34151P、MOS管Q1、电阻R1和电阻R2，所述非门芯片74HC04的引脚14连接+5V 电源，所述非门芯片74HC04的引脚1与MCU控制电路连接，所述非门芯片74HC04的引脚2与驱动芯片MC34151P的引脚2连接，所述非门芯片74HC04的引脚7与驱动芯片MC34151P 的引脚3连接，所述驱动芯片MC34151P的引脚3连接地线，所述驱动芯片MC34151P的引脚6连接+12V电源，所述驱动芯片MC34151P的引脚7通过电阻R2与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极连接地线，所述MOS管Q1的漏极通过电阻R1连接+30V电源，所述MOS管Q1的漏极和源极之间连接有超声波探头一LS1；所述MOS管Q1采用MOS 管IRF840。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述前置处理电路包括电阻R3、电阻R4、电容C1、二极管D1和二极管D2，所述电阻R3的一端与超声波探头二LS2的一端连接，所述电阻R3的另一端与电容C1的一端连接，所述超声波探头二LS2的另一端连接地线，所述电容C1的另一端、二极管D1的负极、二极管D2的正极和电阻R4的一端均与二级比例放大电路连接，所述二极管D1的正极、二极管D2的负极和电阻R4的另一端均连接地线。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述二级比例放大电路包括芯片TL082、电阻 R5、电阻R6、滑动电阻器R7、滑动电阻器R8、电阻R9、电阻R10、电容C2和电容C3，所述电阻R6的一端与前置处理电路中电阻R4的一端连接，所述电阻R6的另一端与芯片 TL082的引脚3连接，所述芯片TL082的引脚1通过电阻R10与芯片TL082的引脚5连接，所述芯片TL082的引脚1与滑动电阻器R7的滑动端连接，所述芯片TL082的引脚2分别与电阻R5一端和滑动电阻器R7的一端连接，所述滑动电阻器R7的另一端连接地线，所述电阻R5的另一端通过电容C2连接地线，所述芯片TL082的引脚4连接-12V电源，所述芯片 TL082的引脚6分别与滑动电阻器R8的一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端通过电容C3连接地线，所述滑动电阻器R8的另一端连接地线，所述芯片TL082的引脚7同时与滑动电阻器R8的滑动端和全波整流电路连接，所述芯片TL082的引脚8连接12V电源。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述全波整流电路包括OP37运算放大器芯片 U4、OP37运算放大器芯片U5、电阻R11至电阻R17、二极管D3和二极管D4，所述电阻 R16的一端和电阻R11的一端均与二级比例放大电路中芯片TL082的引脚7连接，所述电阻 R16的另一端同时与电阻R12的一端、二极管D4的负极和OP37运算放大器芯片U4的引脚 2连接，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚3通过电阻R17连接地线，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚4连接-12V电源，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚6同时与二极管 D4的正极和二极管D3的负极连接，所述电阻R12的另一端同时与二极管D3的正极和电阻 R13的一端连接，所述电阻R13的另一端同时与电阻R11的另一端、电阻R14的一端和OP37 运算放大器芯片U5的引脚2连接，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚3通过电阻R15连接地线，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚4连接-12V电源，所述OP37运算放大器芯片 U5的引脚7连接+12V电源，所述电阻R14的另一端和OP37运算放大器芯片U5的引脚6 连接，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚6与包络检波电路连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述包络检波电路包括电阻R18、电阻R19、电容C4和电容C5，所述电阻R18的一端与所述全波整流电路中OP37运算放大器芯片U5的引脚6连接，所述电阻R18的另一端同时与电容C4的一端和电阻R19的一端连接，所述电阻R19的另一端同时与电容C5的一端和过峰判断电路连接，所述电容C4的另一端和电容C5的另一端均连接地线。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述过峰判断电路包括运算放大器芯片OP07、电阻R20至电阻R29、电阻C6至电容C10、二极管D5和电压比较芯片LM393，所述电阻R21的一端与包络检波电路中电阻R19的一端连接，所述电阻R21的另一端与电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端同时与电容C6的一端、电阻R20的一端和运算放大器芯片 OP07的引脚2连接，所述运算放大器芯片OP07的引脚3通过电阻R22连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚4连接-12V电源且该引脚4通过电容C8连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚7连接12V电源且该引脚7通过电容C7连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚6同时与电容C6的另一端、电阻R20的另一端和电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端同时与二极管D5的正极和电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端同时与电阻R27的一端和电压比较芯片LM393的引脚3连接，所述电压比较芯片LM393 的引脚4连接地线，所述电压比较芯片LM393的引脚2同时与电阻R28的一端、电阻R25 的一端和电阻R26的一端连接，所述电阻R26的另一端同时与电阻R27的另一端和+5V电源连接，所述电压比较芯片LM393的引脚8连接+5V电源且该引脚8通过电容C10连接地线，所述电压比较芯片LM393的引脚1同时与电阻R28的另一端和电阻R29的一端连接，所述电阻R29的另一端连接+5V电源，所述电压比较芯片LM393的引脚1与MCU控制电路连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述MCU控制电路包括单片机STC12C5A60S2，所述单片机STC12C5A60S2的引脚9同时与电阻R31的一端和电容C13的一端连接，电容C13的另一端连接+5V电源，电阻R31的另一端连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚18同时与晶振Y1的一端和电容C14的一端连接，所述单片机STC12C5A60S2的引脚19同时与晶振Y1的另一端和电容C15的一端连接，电容C14的另一端和电容C15的另一端均连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚20连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚40连接+5V电源，所述单片机STC12C5A60S2的引脚1与开关控制电路中非门芯片74HC04的引脚1连接，所述单片机STC12C5A60S2的引脚12与过峰判断电路中电压比较芯片LM393的引脚1连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述LCD显示电路包括显示屏LCD1602，所述显示屏LCD1602的引脚1连接地线，引脚2同时与电容C11的一端、滑动电阻器R30的一端和+5V电源连接，电容C11的另一端和滑动电阻器R30的另一端均连接地线，所述显示屏LCD1602的引脚3与滑动电阻器R30的滑动端连接，所述显示屏LCD1602的引脚4与单片机STC12C5A60S2的引脚27连接，所述显示屏LCD1602的引脚5与单片机STC12C5A60S2 的引脚26连接，所述显示屏LCD1602的引脚6与单片机STC12C5A60S2的引脚28连接，所述显示屏LCD1602的引脚7与单片机STC12C5A60S2的引脚39连接且该引脚7通过排阻 RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚8与单片机STC12C5A60S2的引脚38连接且该引脚8通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚9与单片机 STC12C5A60S2的引脚37连接且该引脚9通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602 的引脚10与单片机STC12C5A60S2的引脚36连接且该引脚10通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚11与单片机STC12C5A60S2的引脚35连接且该引脚11通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚12与单片机STC12C5A60S2的引脚34 连接且该引脚12通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚13与单片机 STC12C5A60S2的引脚33连接且该引脚13通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602 的引脚14与单片机STC12C5A60S2的引脚32连接且该引脚14通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚15连接+5V电源且该引脚15通过电容C12连接地线，所述显示屏LCD1602的引脚16连接地线。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述工作指示电路包括发光二极管D6，所述发光二极管D6的正极与单片机STC12C5A60S2的引脚21连接，所述发光二极管D6的负极连接地线；所述报警电路包括电阻R32、电阻R33、三极管Q2和蜂鸣器BZ1，所述电阻R32 的一端与单片机STC12C5A60S2的引脚22连接，所述电阻R32的另一端与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极连接+5V电源，所述三极管Q2的发射极与蜂鸣器BZ1的一端连接，所述蜂鸣器BZ1的另一端通过电阻R33连接地线。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过发射电路激励超声波探头一LS1发射超声波，透射单板。由另一个超声波探头二LS2接收超声波，通过接收电路对超声波信号进行去噪、放大，以便后续电路的处理。信号处理电路对超声波信号进行处理，配合MCU控制电路中的单片机芯片，获取超声波的传输时间。单片机芯片将超声波的传输时间转换为单板的厚度信息，通过LCD显示电路显示。整体电路简单可靠，通过对超声波信号进行分析、处理，可以快速获得单板的厚度信息；用超声波测厚技术，取代传统的人工测厚，有利于提高单板的生产效率。同时，本实用新型还具有工作指示和报警功能。

附图说明

图1为本实用新型整体电路框架图。

图2为本实用新型开关控制电路原理示意图。

图3为本实用新型前置处理电路原理示意图。

图4为本实用新型二级比例放大电路原理示意图。

图5为本实用新型全波整流电路原理示意图。

图6为本实用新型包络检波电路原理示意图。

图7为本实用新型过峰判断电路原理示意图。

图8为本实用新型MCU控制电路、LCD显示电路和工作指示电路原理示意图。

图9为本实用新型报警电路原理示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型的具体实施方式作出进一步说明：

如图1所示，一种基于超声波的单板测厚***，包括发射电路、超声波探头一LS1、超声波探头二LS2、接收电路、信号处理电路、MCU控制电路、LCD显示电路、工作指示电路和报警电路。

所述发射电路包括开关控制电路，所述接收电路包括前置处理电路和二级比例放大电路，所述信号处理电路包括全波整流电路、包络检波电路和过峰判断电路。

所述MCU控制电路与开关控制电路连接，所述开关控制电路与超声波探头一LS1连接，所述超声波探头二LS2与前置处理电路连接，所述前置处理电路与二级比例放大电路连接，所述二级比例放大电路与全波整流电路连接，所述全波整流电路与包络检波电路连接，所述包络检波电路与过峰判断电路连接，所述过峰判断电路与MCU控制电路连接，所述MCU控制电路同时与LCD显示电路、工作指示电路和报警电路连接。

本实施例通过发射电路激励超声波探头一LS1发射超声波，透射单板。由另一个超声波探头二LS2接收超声波，通过接收电路对超声波信号进行去噪、放大，以便后续电路的处理。信号处理电路对超声波信号进行处理，配合单片机芯片，获取超声波的传输时间。单片机芯片将超声波的传输时间转换为单板的厚度信息，通过LCD显示屏显示。

超声波探头一LS1可由方波电压激励。当有相应的激励电压激励时，超声波探头一LS1 便能够发射超声波。超声波探头一LS1发射超声波的频率由其本身参数决定。超声波功率与激励电压的幅值有关，激励电压幅值越大，超声波探头一LS1发射的超声波能量越大。需要注意的是激励电压应在超声探头的承受范围之内。超声波的发射电路由开关控制电路构成。开关控制电路可产生单个方波电压信号，控制30V电源的通断，从而激励超声波探头一LS1 发射超声波。如图2所示，所述开关控制电路具体包括非门芯片74HC04(U1)、驱动芯片 MC34151P(U2)、MOS管Q1、电阻R1和电阻R2，所述非门芯片74HC04的引脚14连接 +5V电源，所述非门芯片74HC04的引脚1与MCU控制电路连接，所述非门芯片74HC04 的引脚2与驱动芯片MC34151P的引脚2连接，所述非门芯片74HC04的引脚7与驱动芯片 MC34151P的引脚3连接，所述驱动芯片MC34151P的引脚3连接地线，所述驱动芯片 MC34151P的引脚6连接+12V电源，所述驱动芯片MC34151P的引脚7通过电阻R2与MOS 管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极连接地线，所述MOS管Q1的漏极通过电阻R1 连接+30V电源，所述MOS管Q1的漏极和源极之间连接有超声波探头一LS1。

如图2所示，所述MOS管Q1采用MOS管IRF840；其最大工作电压为500V，满足耐压要求；导通时间短；导通电阻小，仅有0.85Ω；适合本实施例要求。

单方波信号由MCU控制电路中的单片机芯片软件生成。单片机芯片的负载能力较低，采用非门以增加带负载能力，非门芯片采用74HC04。MOS管Q1栅极驱动电压需要达到12V，采用MC34151P作为驱动芯片，生成12V方波电压。栅极电阻阻值过小容易导致MOS管Q1被静电损坏，而阻值过大则会延长导通时间，本实施例选取栅极电阻R2阻值为62Ω。

30V电压由外部独立电源提供。功率电路和控制电路的电源需要隔离，以避免干扰。限流电阻R1的阻值不宜过大；当其阻值超过10kΩ时，漏极电流过小，MOS管Q1无法正常输出功率；当其阻值小于1kΩ时，由于限流电阻过小，会导致电源电压被拉低，亦无法正常工作。

超声波探头一LS1和超声波探头二LS2均选用50K-P28F型号。选用一对超声探头，一个作为发射端，一个作为接收端。50K-P28F超声探头的工作频率为50kHz，最大工作电压为 500V。

在Protues中对发射电路进行仿真，通道A是MCU控制电路中的单片机芯片产生的方波信号，其幅值为5V；通道B是MOS管Q1漏极输出的方波，其幅值为30V。仿真结果满足预期要求。

超声波的接收电路由前置处理电路和二级比例放大电路构成。前置处理电路负责消除噪音，而二级比例放大电路则可以将微弱的超声波信号放大至逻辑电平。

接收到的超声波信号中可能参有环境中的噪音，直接对该信号进行分析会对结果造成很大的影响。在对信号进行处理分析之前，需要通过前置处理电路对其进行简单的滤波处理，去除高频噪音。前置处理电路有消除偏置和限幅两个功能。如图3所示，前置处理电路中偏置电容C1与泄流电阻R3消除超声波信号的直流偏置。限幅功能由两个反相并联的二极管D1和D2接地组成。超声波信号在毫伏级，无法使二极管导通，可以直接流入后续放大电路；而噪音信号则会导通二极管流入地。前置处理电路具体包括电阻R3、电阻R4、电容C1、二极管D1和二极管D2，所述电阻R3的一端与超声波探头二LS2的一端连接，所述电阻R3 的另一端与电容C1的一端连接，所述超声波探头二LS2的另一端连接地线，所述电容C1的另一端、二极管D1的负极、二极管D2的正极和电阻R4的一端均与二级比例放大电路连接，所述二极管D1的正极、二极管D2的负极和电阻R4的另一端均连接地线。

超声波信号是微弱小信号，一般在毫伏级，需要对其进行放大处理。本实施例在二级比例放大电路中选用TL082集成运算放大器芯片(U3)，其带宽为3MHz，压摆率为5V/us，满足超声波信号的放大要求。如图4所示，二级比例放大电路具体包括芯片TL082、电阻R5、电阻R6、滑动电阻器R7、滑动电阻器R8、电阻R9、电阻R10、电容C2和电容C3，所述电阻R6的一端与前置处理电路中电阻R4的一端连接，所述电阻R6的另一端与芯片TL082 的引脚3连接，所述芯片TL082的引脚1通过电阻R10与芯片TL082的引脚5连接，所述芯片TL082的引脚1与滑动电阻器R7的滑动端连接，所述芯片TL082的引脚2分别与电阻R5 一端和滑动电阻器R7的一端连接，所述滑动电阻器R7的另一端连接地线，所述电阻R5的另一端通过电容C2连接地线，所述芯片TL082的引脚4连接-12V电源，所述芯片TL082的引脚6分别与滑动电阻器R8的一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端通过电容C3 连接地线，所述滑动电阻器R8的另一端连接地线，所述芯片TL082的引脚7同时与滑动电阻器R8的滑动端和全波整流电路连接，所述芯片TL082的引脚8连接12V电源。本实施例通过调整滑动电阻器R7的阻值，便可得到所需的放大倍数。一级放大可将信号放大至百倍，使用两级放大可以获得高倍的放大效果。

在Protues中对二级比例放大电路进行仿真。通道A是为输入正弦信号波形，其幅值为 20mV，频率为50kHz。通道B为二级比例放大电路的输出波形，其幅值为2V。二级比例放大电路将信号放大100倍，仿真结果满足预期要求。

本实施例通过信号处理电路，可以从超声波信号中提取出峰值时刻，最终获得超声波在单板在的传播时间。信号处理电路由全波整流电路、包络检波电路和过峰判断电路三部分构成。全波整流电路可以将信号的负半周信号转换成正信号，便于处理。包络检波电路则可以突出信号的最大峰值。过峰判断电路使得峰值时刻便于测量。

由于单片机芯片STC12C55A60S2只可识别0～5V电压，所以经过放大处理的超声波信号还需要作全波整流处理。同时，超声波信号存在震荡衰减现象，其峰之点可能出现在负半周期，不方便测量，全波整流处理可以解决此问题。全波整流电路如图5所示，具体包括OP37 运算放大器芯片U4、OP37运算放大器芯片U5、电阻R11至电阻R17、二极管D3和二极管D4，所述电阻R16的一端和电阻R11的一端均与二级比例放大电路中芯片TL082的引脚7 连接，所述电阻R16的另一端同时与电阻R12的一端、二极管D4的负极和OP37运算放大器芯片U4的引脚2连接，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚3通过电阻R17连接地线，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚4连接-12V电源，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚6同时与二极管D4的正极和二极管D3的负极连接，所述电阻R12的另一端同时与二极管 D3的正极和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端同时与电阻R11的另一端、电阻 R14的一端和OP37运算放大器芯片U5的引脚2连接，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚3通过电阻R15连接地线，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚4连接-12V电源，所述 OP37运算放大器芯片U5的引脚7连接+12V电源，所述电阻R14的另一端和OP37运算放大器芯片U5的引脚6连接，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚6与包络检波电路连接。

***使用的超声波的频率为50kHz。超声波的频率较高，为了保证处理过程中信号不失真，采用性能较高的集成运算放大器芯片OP37。在处理高频信号时，普通的集成运算放大器芯片，例如TL081、TL082等，构成的处理电路会出现毛刺现象。这是由于芯片本身性能较低，从而导致信号失真。使用性能较高的集成运算放大器芯片OP37构成的处理电路，在处理高频信号时，便没有出现信号失真现象。

对全波整流电路进行原理分析。记，输入为U_i2，输出为U_o1。当输入的超声波信号为正，即U_i2>0时，二极管D4截止、D3导通，U4起反相放大作用。U4第6引脚输出电压为U₆₀＝-2U_i2， U6输出到电阻R13的输出电压U₀₂也近似等于-2U_i2。此时，U5输出U_o1＝-(U₆₀+U_i2)＝U_i2。当输入的超声波信号为负，即U_i2<0时，U₆₀>0，二极管D4导通、D3截止，电路呈开路状态，反馈电阻R12使得输出电压U_o2与U4第2引脚电压相等；同时根据虚短原则，其第2、3引脚电压近似相等，为零。因此，输出电压U_o2＝0。此时，U5由电阻R14、R11构成反相等比例放大电路，输出U_o1＝-U_i2。综上分析，当U_i2>0时，U_o1＝U_i2；当U_i2<0，U_o1＝-U_i2，电路实现全波整流效果。

在Protues中对全波整流电路进行仿真，通道A是为输入正弦信号波形，其幅值为5V，频率为50kHz。通道B为全波整流电路的输出波形，仿真结果满足预期要求。

在超声波传播时间的计算中，需要获取峰值时刻。而由于超声波信号存在震荡衰减现象，其有多个极大值点，这会增加峰值时刻读取的难度。采用包络检波处理，将超声波信号震荡的幅值包络描绘出来。这样既可以保留原信号的峰值，由滤除了原信号震荡的多个极大值点，简化了峰值时刻读取的难度。分析超声波包络峰值的检测方法，进一步提高超声检测的精度。包络检波电路由低通滤波电路构成。为了让包络的效果更明显，采用低通滤波电路。低通滤波电路输出信号的频率约为原信号频率的1/10至1/3，从而达到构成包络的效果。包络检波电路如图6所示，具体包括电阻R18、电阻R19、电容C4和电容C5，所述电阻R18的一端与所述全波整流电路中OP37运算放大器芯片U5的引脚6连接，所述电阻R18的另一端同时与电容C4的一端和电阻R19的一端连接，所述电阻R19的另一端同时与电容C5的一端和过峰判断电路连接，所述电容C4的另一端和电容C5的另一端均连接地线。

在Protues中对包络检波电路进行仿真，通道A是为输入方波信号波形，其幅值为5V，频率为50kHz。通道B为包络检波电路的输出波形，从仿真结果中可以看出，方波信号中的高频部分被滤除，仿真结果满足预期要求。

为了让单片机芯片采集到信号的峰值时刻，需要设计一个能够在信号达到峰值时刻“自检”的电路。过峰判断电路能够在信号达到峰值时刻产生一个下降沿脉冲供主控芯片识别。过峰判断电路如图7所示，具体包括运算放大器芯片OP07(U6)、电阻R20至电阻R29、电阻 C6至电容C10、二极管D5和电压比较芯片LM393(U7)，所述电阻R21的一端与包络检波电路中电阻R19的一端连接，所述电阻R21的另一端与电容C9的一端连接，所述电容C9 的另一端同时与电容C6的一端、电阻R20的一端和运算放大器芯片OP07的引脚2连接，所述运算放大器芯片OP07的引脚3通过电阻R22连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚4连接-12V电源且该引脚4通过电容C8连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚7 连接12V电源且该引脚7通过电容C7连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚6同时与电容C6的另一端、电阻R20的另一端和电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端同时与二极管D5的正极和电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端同时与电阻R27的一端和电压比较芯片LM393的引脚3连接，所述电压比较芯片LM393的引脚4连接地线，所述电压比较芯片LM393的引脚2同时与电阻R28的一端、电阻R25的一端和电阻R26的一端连接，所述电阻R26的另一端同时与电阻R27的另一端和+5V电源连接，所述电压比较芯片LM393的引脚8连接+5V电源且该引脚8通过电容C10连接地线，所述电压比较芯片 LM393的引脚1同时与电阻R28的另一端和电阻R29的一端连接，所述电阻R29的另一端连接+5V电源，所述电压比较芯片LM393的引脚1与MCU控制电路连接。

过峰判断电路由微分电路和过零比较器构成。微分电路由运算放大器OP07与电阻R20、电容C9构成。电阻R21是补偿电阻，可以提高电路稳定性，减小高频噪音，同时能过增大电路输入阻抗。过零电压比较器由电压比较芯片LM393及***电路组成，是单电源电压比较器。当微分电路输出大于零，即电压信号增大时，二极管D5反向截止，过零比较器电路正输入电压大于负输入端电压，输出高电平；当微分电路输出小于零，即电压信号减小时，二极管D5正向导通，过零比较器电路正输入端电压小于负输入端电压，输出低电平。当信号峰值时刻到来时，过零比较器输出电压由高电平跳变为低电平，单片机可以检测此电平变化，从而记录峰值时刻。

在Protues中对过峰判断电路进行仿真，通道A是正弦输入信号，其幅值为5V，频率为 40kHz。通道B为输出信号，从仿真结果中可以看出，当正弦信号经过峰值时，过峰判断电路将会输出一个下降沿脉冲，符合设计预期。

本实施例中，如图8所示，所述MCU控制电路包括单片机STC12C5A60S2(U8)，该芯片具有常用的I/O口、ADC转换、串口通信、外部中断、定时器中断、外部晶振等功能模块，可以满足一般的控制要求。同时，该芯片性价比加高，是较为常用的芯片之一，使用、开发技术较为成熟。在实际电路中，选用单片机P0口向LCD1602的输入数据，采用上拉电阻提供驱动电流；选用单片机P2.5～P2.7作为LCD1602的控制管脚。***主控芯片外接12MHz 晶振Y1。定时器的最小计时频率为单片机外部晶振频率的十二分之一，使用12MHz外部晶振时，其周期为1us，没有误差。使用12MHz可以增加定时器计时的准确性，减小***误差。 MCU控制电路和LCD显示电路均如图8所示，其中单片机STC12C5A60S2的引脚9同时与电阻R31的一端和电容C13的一端连接，电容C13的另一端连接+5V电源，电阻R31的另一端连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚18同时与晶振Y1的一端和电容C14的一端连接，所述单片机STC12C5A60S2的引脚19同时与晶振Y1的另一端和电容C15的一端连接，电容C14的另一端和电容C15的另一端均连接地线，所述单片机STC12C5A60S2 的引脚20连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚40连接+5V电源，所述单片机 STC12C5A60S2的引脚1与开关控制电路中非门芯片74HC04的引脚1连接，所述单片机 STC12C5A60S2的引脚12与过峰判断电路中电压比较芯片LM393的引脚1连接。

如图8所示，所述LCD显示电路包括显示屏LCD1602(U9)，所述显示屏LCD1602的引脚1连接地线，引脚2同时与电容C11的一端、滑动电阻器R30的一端和+5V电源连接，电容C11的另一端和滑动电阻器R30的另一端均连接地线，所述显示屏LCD1602的引脚3 与滑动电阻器R30的滑动端连接，所述显示屏LCD1602的引脚4与单片机STC12C5A60S2 的引脚27连接，所述显示屏LCD1602的引脚5与单片机STC12C5A60S2的引脚26连接，所述显示屏LCD1602的引脚6与单片机STC12C5A60S2的引脚28连接，所述显示屏LCD1602 的引脚7与单片机STC12C5A60S2的引脚39连接且该引脚7通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚8与单片机STC12C5A60S2的引脚38连接且该引脚8通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚9与单片机STC12C5A60S2的引脚37连接且该引脚9通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚10与单片机 STC12C5A60S2的引脚36连接且该引脚10通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602 的引脚11与单片机STC12C5A60S2的引脚35连接且该引脚11通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚12与单片机STC12C5A60S2的引脚34连接且该引脚12通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚13与单片机STC12C5A60S2的引脚33 连接且该引脚13通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚14与单片机 STC12C5A60S2的引脚32连接且该引脚14通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602 的引脚15连接+5V电源且该引脚15通过电容C12连接地线，所述显示屏LCD1602的引脚 16连接地线。

如图8所示，所述工作指示电路包括发光二极管D6，所述发光二极管D6的正极与单片机STC12C5A60S2的引脚21连接，所述发光二极管D6的负极连接地线。本实施例在工作时，单片机控制发光二极管D6亮。

如图9所示，所述报警电路包括电阻R32、电阻R33、三极管Q2和蜂鸣器BZ1，所述电阻R32的一端与单片机STC12C5A60S2的引脚22连接，所述电阻R32的另一端与三极管Q2 的基极连接，所述三极管Q2的集电极连接+5V电源，所述三极管Q2的发射极与蜂鸣器BZ1 的一端连接，所述蜂鸣器BZ1的另一端通过电阻R33连接地线。当待测木板的厚度超过50mm，单片机控制报警电路导通，蜂鸣器BZ1报警提醒，增加测量精度。

本实施例发射电路由开关控制电路构成。开关控制电路控制电源产生高压方波激励超声波探头一LS1发出超声波。超声波探头二LS2接收到的超声波信号是比较微弱的，因此需要对其进行放大处理。接收电路主要包括前置处理电路、二级比例放大电路。前置处理电路用于去除杂波信号、直流偏置；二级比例放大电路用于将超声波小信号放大至单片机可正常识别的电压等级。将放大后的超声波信号进行处理，以便主控芯片的信号采集。信号处理电路主要包括全波整流电路、包络检波电路和过峰判断电路。全波整流电路将双极性信号整流为单极性信号；包络检波电路用以描绘高频信号的幅值走向；过峰判断电路则可在信号峰值时刻生成下降脉冲。软件控制开关控制电路，产生一个方波信号，激励超声波探头一LS1。硬件过峰判断电路产生的下降沿脉冲触发单片机外部中断，从而可以记录超声波信号的峰值时刻；对峰值时刻加以换算便可获得单板的厚度；最后在LCD上显示单板的厚度信息。同时，本实施例还具有工作指示和报警功能。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波的单板测厚***，其特征在于：包括发射电路、超声波探头一LS1、超声波探头二LS2、接收电路、信号处理电路、MCU控制电路、LCD显示电路、工作指示电路和报警电路；

所述发射电路包括开关控制电路，所述接收电路包括前置处理电路和二级比例放大电路，所述信号处理电路包括全波整流电路、包络检波电路和过峰判断电路；

所述MCU控制电路与开关控制电路连接，所述开关控制电路与超声波探头一LS1连接，所述超声波探头二LS2与前置处理电路连接，所述前置处理电路与二级比例放大电路连接，所述二级比例放大电路与全波整流电路连接，所述全波整流电路与包络检波电路连接，所述包络检波电路与过峰判断电路连接，所述过峰判断电路与MCU控制电路连接，所述MCU控制电路同时与LCD显示电路、工作指示电路和报警电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述开关控制电路包括非门芯片74HC04、驱动芯片MC34151P、MOS管Q1、电阻R1和电阻R2，所述非门芯片74HC04的引脚14连接+5V电源，所述非门芯片74HC04的引脚1与MCU控制电路连接，所述非门芯片74HC04的引脚2与驱动芯片MC34151P的引脚2连接，所述非门芯片74HC04的引脚7与驱动芯片MC34151P的引脚3连接，所述驱动芯片MC34151P的引脚3连接地线，所述驱动芯片MC34151P的引脚6连接+12V电源，所述驱动芯片MC34151P的引脚7通过电阻R2与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极连接地线，所述MOS管Q1的漏极通过电阻R1连接+30V电源，所述MOS管Q1的漏极和源极之间连接有超声波探头一LS1；所述MOS管Q1采用MOS管IRF840。

3.根据权利要求2所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述前置处理电路包括电阻R3、电阻R4、电容C1、二极管D1和二极管D2，所述电阻R3的一端与超声波探头二LS2的一端连接，所述电阻R3的另一端与电容C1的一端连接，所述超声波探头二LS2的另一端连接地线，所述电容C1的另一端、二极管D1的负极、二极管D2的正极和电阻R4的一端均与二级比例放大电路连接，所述二极管D1的正极、二极管D2的负极和电阻R4的另一端均连接地线。

4.根据权利要求3所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述二级比例放大电路包括芯片TL082、电阻R5、电阻R6、滑动电阻器R7、滑动电阻器R8、电阻R9、电阻R10、电容C2和电容C3，所述电阻R6的一端与前置处理电路中电阻R4的一端连接，所述电阻R6的另一端与芯片TL082的引脚3连接，所述芯片TL082的引脚1通过电阻R10与芯片TL082的引脚5连接，所述芯片TL082的引脚1与滑动电阻器R7的滑动端连接，所述芯片TL082的引脚2分别与电阻R5一端和滑动电阻器R7的一端连接，所述滑动电阻器R7的另一端连接地线，所述电阻R5的另一端通过电容C2连接地线，所述芯片TL082的引脚4连接-12V电源，所述芯片TL082的引脚6分别与滑动电阻器R8的一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端通过电容C3连接地线，所述滑动电阻器R8的另一端连接地线，所述芯片TL082的引脚7同时与滑动电阻器R8的滑动端和全波整流电路连接，所述芯片TL082的引脚8连接12V电源。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述全波整流电路包括OP37运算放大器芯片U4、OP37运算放大器芯片U5、电阻R11至电阻R17、二极管D3和二极管D4，所述电阻R16的一端和电阻R11的一端均与二级比例放大电路中芯片TL082的引脚7连接，所述电阻R16的另一端同时与电阻R12的一端、二极管D4的负极和OP37运算放大器芯片U4的引脚2连接，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚3通过电阻R17连接地线，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚4连接-12V电源，所述OP37运算放大器芯片U4的引脚6同时与二极管D4的正极和二极管D3的负极连接，所述电阻R12的另一端同时与二极管D3的正极和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端同时与电阻R11的另一端、电阻R14的一端和OP37运算放大器芯片U5的引脚2连接，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚3通过电阻R15连接地线，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚4连接-12V电源，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚7连接+12V电源，所述电阻R14的另一端和OP37运算放大器芯片U5的引脚6连接，所述OP37运算放大器芯片U5的引脚6与包络检波电路连接。

6.根据权利要求5所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述包络检波电路包括电阻R18、电阻R19、电容C4和电容C5，所述电阻R18的一端与所述全波整流电路中OP37运算放大器芯片U5的引脚6连接，所述电阻R18的另一端同时与电容C4的一端和电阻R19的一端连接，所述电阻R19的另一端同时与电容C5的一端和过峰判断电路连接，所述电容C4的另一端和电容C5的另一端均连接地线。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述过峰判断电路包括运算放大器芯片OP07、电阻R20至电阻R29、电阻C6至电容C10、二极管D5和电压比较芯片LM393，所述电阻R21的一端与包络检波电路中电阻R19的一端连接，所述电阻R21的另一端与电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端同时与电容C6的一端、电阻R20的一端和运算放大器芯片OP07的引脚2连接，所述运算放大器芯片OP07的引脚3通过电阻R22连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚4连接-12V电源且该引脚4通过电容C8连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚7连接12V电源且该引脚7通过电容C7连接地线，所述运算放大器芯片OP07的引脚6同时与电容C6的另一端、电阻R20的另一端和电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端同时与二极管D5的正极和电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端同时与电阻R27的一端和电压比较芯片LM393的引脚3连接，所述电压比较芯片LM393的引脚4连接地线，所述电压比较芯片LM393的引脚2同时与电阻R28的一端、电阻R25的一端和电阻R26的一端连接，所述电阻R26的另一端同时与电阻R27的另一端和+5V电源连接，所述电压比较芯片LM393的引脚8连接+5V电源且该引脚8通过电容C10连接地线，所述电压比较芯片LM393的引脚1同时与电阻R28的另一端和电阻R29的一端连接，所述电阻R29的另一端连接+5V电源，所述电压比较芯片LM393的引脚1与MCU控制电路连接。

8.根据权利要求7所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述MCU控制电路包括单片机STC12C5A60S2，所述单片机STC12C5A60S2的引脚9同时与电阻R31的一端和电容C13的一端连接，电容C13的另一端连接+5V电源，电阻R31的另一端连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚18同时与晶振Y1的一端和电容C14的一端连接，所述单片机STC12C5A60S2的引脚19同时与晶振Y1的另一端和电容C15的一端连接，电容C14的另一端和电容C15的另一端均连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚20连接地线，所述单片机STC12C5A60S2的引脚40连接+5V电源，所述单片机STC12C5A60S2的引脚1与开关控制电路中非门芯片74HC04的引脚1连接，所述单片机STC12C5A60S2的引脚12与过峰判断电路中电压比较芯片LM393的引脚1连接。

9.根据权利要求8所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述LCD显示电路包括显示屏LCD1602，所述显示屏LCD1602的引脚1连接地线，引脚2同时与电容C11的一端、滑动电阻器R30的一端和+5V电源连接，电容C11的另一端和滑动电阻器R30的另一端均连接地线，所述显示屏LCD1602的引脚3与滑动电阻器R30的滑动端连接，所述显示屏LCD1602的引脚4与单片机STC12C5A60S2的引脚27连接，所述显示屏LCD1602的引脚5与单片机STC12C5A60S2的引脚26连接，所述显示屏LCD1602的引脚6与单片机STC12C5A60S2的引脚28连接，所述显示屏LCD1602的引脚7与单片机STC12C5A60S2的引脚39连接且该引脚7通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚8与单片机STC12C5A60S2的引脚38连接且该引脚8通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚9与单片机STC12C5A60S2的引脚37连接且该引脚9通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚10与单片机STC12C5A60S2的引脚36连接且该引脚10通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚11与单片机STC12C5A60S2的引脚35连接且该引脚11通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚12与单片机STC12C5A60S2的引脚34连接且该引脚12通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚13与单片机STC12C5A60S2的引脚33连接且该引脚13通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚14与单片机STC12C5A60S2的引脚32连接且该引脚14通过排阻RP1连接+5V电源，所述显示屏LCD1602的引脚15连接+5V电源且该引脚15通过电容C12连接地线，所述显示屏LCD1602的引脚16连接地线。

10.根据权利要求8所述的基于超声波的单板测厚***，其特征在于：所述工作指示电路包括发光二极管D6，所述发光二极管D6的正极与单片机STC12C5A60S2的引脚21连接，所述发光二极管D6的负极连接地线；所述报警电路包括电阻R32、电阻R33、三极管Q2和蜂鸣器BZ1，所述电阻R32的一端与单片机STC12C5A60S2的引脚22连接，所述电阻R32的另一端与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极连接+5V电源，所述三极管Q2的发射极与蜂鸣器BZ1的一端连接，所述蜂鸣器BZ1的另一端通过电阻R33连接地线。

Images