基于单片机的超声波检测系统研究

１‘口＇１啊ｚｕ　ｊ平弟　０苍昴）朋　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｍａｙ．１５．２０１３　基于单片机的超声波检测系统研究　杨　牧，刘路路，张　明，兰　园，邱选兵，魏计林　（太原科技大学应用科学学院，山西太原０３００２４）　摘要论述了超声波无损检测基本原理。介绍了超声波平测法和平面对侧法两种检测混凝土缺陷的方法，并提　出了以ＳＴＣ８９Ｃ５２芯片为核心的检测系统。该系统具有结构简单、功耗低、便于携带等优点，为提高建筑结构的安全　性提供了保障。　关键词超声波；无损检测；ＳＴＣ８９Ｃ５２芯片　ＴＰ２７４　文献标识码Ａ　文章编号１００７—７８２０（２０１３）０５—００９—０４　中图分类号Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ＹＡＮＧ　Ｍｕ，ＬＩＵ　Ｌｕｌｕ，ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎｇ，ＬＡＮ　Ｙｕａｎ，ＱＩＵ　Ｘｕａｎｂｉｎｇ，ＷＥＩ　Ｊｉｌｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｗｏ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｎａｍｅｌｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｉｄｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｉｄｅ　ｍｅｔｈｏｄ．Ａ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ＳＴＣ８９Ｃ５２　ｃｈｉｐ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｐｏｒ－　ｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ；ＳＴＣ８９Ｃ５２　ｃｈｉｐ　超声波无损检测＿ｌ－２］利用超声波的特性，在不损　能由事后质量检测，发展成事前的质量反馈控制　Ｉ６　。　害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对　象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位　置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状　态的一门技术。　１　超声波无损检测基本原理　１．１超声波检测的基本理论　混凝土超声波缺陷检测，目前主要采用“穿透　法”，即用超声波发射器发射超声波，让超声波在所检　混凝土是建筑工程中使用最广泛的结构材料，由　于设计缺陷、质量控制、自然灾害、结构老化等原因，混　凝土结构不可避免地存在裂缝、蜂窝、孔洞、磨损和侵　测的混凝土中传播，然后由超声波接收器接收，它将携　带有关混凝土材料性能和内部结构等信息。　超声波在混凝土中传播的速度与混凝土的成分、　弹性性质、内部结构孔隙、密实度等因素有关。混凝土　弹性模量高、强度高、混凝土致密，超声波在混凝土中　传播的速度也高，因此随混凝土强度不同，超声波传播　的声速不同。　蚀等损伤，危及整个结构的安全。怎样在不损坏试件　材质和结构的前提下进行质量检测，是建筑工程行业　的重大突破。随着科学技术的发展，混凝土检测技术　已经突破了原有的范畴，出现了新的测试方法，如超声　脉冲法、微波吸收法、红外热谱法、脉冲回波法等系列　新型检测方法　。Ｊ。随着小波分析、神经网络等技术　的成熟，无损检测数据处理方法更加丰富。其测试内　容由强度推定内部缺陷探测扩展到更广泛的范畴，功　超声波在所检测的混凝土传播中遇到混凝土的内　部缺陷时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂　化，不同波的叠加会使波形发生畸变。因此当超声波穿　收稿日期：２０１２．１２．１６　基金项目：山西省高等学校教学改革基金资助项目　（Ｊ２０１２０６４）；太原科技大学校级基金资助项目（２００９ＳＪＧ２１３）；　太原科技大学校级基金资助项目（ＵＩＴ：ＸＪ２０１００５６）　作者简介：杨牧（１９８７一），男，硕士研究生。研究方向：光　学测量与测试技术。　过缺陷区时，其声速、振幅、波形和频率等参数发生变　化。目前对混凝土的超声波检测主要是检测结构混凝　土的强度，混凝土的密实度、有无空洞、裂缝等缺陷　Ｊ。　由于混凝土试块的不均匀性，在每个混凝土试块　的不同部位进行测试，取其平均值。表１为根据首波　声时判定混凝土试块的强度。　表１　混凝土强度与波速关系参考表　混凝土试块强度　Ｃ２５　Ｃ３０　Ｃ３５　Ｃ４０　通讯作者：邱选兵（１９８Ｏ一），男，博士研究生。研究方向：　材料无损检测，嵌入式设计，信号处理。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｕｘｕａｎｂｉｎｇ　＠】６３．ｃｏｎ　波速／ｍ．Ｓ一　３　５００—３　８００　３　７００～４　０００　３　９００～４　２００　４　１００～４　５００　ＷＶＶｌＮ．ｄｉｏｎｚｉｋｅｊｉ．０ｒｑ　９　杨牧，等：基于单片机的超声波检测系统研究　由表１可知，若测出超声波在混凝土中波速，那么　就可以判断混凝土的强度大小。　１．２超声波检测方法　超声波检测的方法一般分为平测法和平面对测法　两种。对于混凝土浅裂缝的检测，一般采用平测法　声波信号，该信号经调理电路调理后进人单片机自带　的Ａ／Ｄ转换器，利用中值滤波、小波变换等手段对采　集信号噪声处理，最后将检测结果显示在ＬＣＤ上，从　而判断被检测样品是否合格，图３是系统的总体框　架图。　混　凝　口　（斜测法）来测量浅裂缝的位置及深度。超声波发射　器　，　、尺：分别为超声波探测器，声波经过混凝土试　发射换能器ｌ　＝书　婆　４　ｊ　块后，Ｒ。和Ｒ　首次探测到声波，利用时间差来确定混　凝土浅裂缝的位置和裂缝大小。对于混凝土不密实区　和空洞的检测，一般采用平面对测法来用测量混凝土　土　＝样　　反射波换能器｝＝　信号解调　机　片　廿口　透射波换能器　信号解　空洞的位置和大小。采用互相垂直放置的两组超声波　发发射器（　，　）和接收器（　，　），横向和纵向的交　图３　系统内容及总体框图　叉检测确定其位置。这种检测方法非常有效，并且其　精度较高，如图１所示。　２．２超声波无损检测系统硬件设计　２．２．１　ＣＰＵ主控部分　系统采用ＳＴＣ９８Ｃ５２ＲＣ作为主控芯片。ＳＴＣ８９Ｃ５２　是一种带８　ｋＢ闪烁可编程可擦除只读存储器（ＦＰＥＲＯＭ）　的低电压，高性能ＣＭＯＳ８位微处理器。该单片机的可　擦除只读存储器可以反复擦除１００　０００次，为很多嵌　入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。将　ＳＴＣ８９Ｃ５２的Ｐ　用来模拟发射４０　ｋＨｚ的超声波，　Ｐ：：～Ｐ　用于控制发射和接收，Ｐ２　和Ｐ：．　用于控制４　．（ａ）平测法　（ｂ）平面对测法　个探头转换。如图４所示。　２．２．２发射接收隔离电路以及发射电路的设计　图１　平测法示意图和平面对侧法示意图　隔离电路主控芯片采用ＣＤ４０６６，如图５（ａ）所示，　，　１．３利用平面对侧法确定空洞尺寸的计算　每片封装有４个独立的模拟开关，每个开关有输入、输　出、控制三端。控制端加高电平时，开关导通；控制端　加低电平时开关截止。模拟开关导通时，当电源电压　为５　Ｖ时，导通电阻＜８０　ｏ；模拟开关截止时，呈现较　如图２所示，在混凝土被测试块中，空洞半径为ｒ，　试块的尺寸为ｆ，换能器的直径为ｄ，则确定空洞在ｆ方　向的空洞半径可以表示为　ｒ＝　ｚ　）　Ｚ　㈩　高的阻抗。模拟开关可传输的模拟信号的上限频率为　分别为开关ＳＷＡ、ＳＷＤ、ＳＷＢ、ＳＷＣ的控制端，由单片　４０　ＭＨｚ，４个开关控制端ＣＯＮＡ、ＣＯＮＢ、ＣＯＮＣ、ＣＯＮＤ　机Ｐ　Ｐ：　脚控制。开关ＳＷＡ、ＳＷＢ控制超声波发　．　∈　ｌ　，　１、射，７４ＨＣ０４的输出接到ＣＤ４０６６ＢＥ的１、４端。　ＣＩＭ０６６的２、３端接超声波传感器。由单片机Ｐ　．２、　Ｐ：　控制开关导通和截止。开关ＳＷＣ、ＳＷＤ控制超声　波接收。超声波传感器两引脚通过开关分别和　ＣＸ２０１０６的１脚、地相连，单片机的Ｐ２．　、Ｐ　脚控制　ＳＷＣ和ＳｗＤ的开合。　图２混凝土空洞尺寸示意图　式中，ｔ　为绕空洞传播的最大声时；ｆ　为无缺陷混凝土　平均声时。　当外加信号频率等于两压电晶片的固有振动频率　时，将会发生共振。采用的超声波传感器中心频率为　４０　ｋＨｚ，因此，在发射电路中，通过软件编程方式。对　２超声波无损检测系统的设计　２．１　无损检测系统的总体设计　系统采用常见的ＳＴＣ８９Ｃ５２为核心控制芯片，通　单片机Ｉ／Ｏ口Ｐ　置高和置低，产生４０　ｋＨｚ脉冲信号，　输出到发射电路中。由于ＳＴＣ８９Ｃ５　２ＲＣ单片机Ｐ。口　作为Ｉ／Ｏ口使用时能提供２０　ｍＡ灌电流能力，而吸电　流能力较小、所以用７４ＨＣ０４来提高其输出电流的能　力，保证４０　ｋＨｚ的脉冲信号有一定的功率。　过按键可以选定测量方法，利用超声波换能器发射超　声波，并分别接收从混凝土结构物反射以及透射的超　１０——ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．０ｒｇ　杨牧，等：基于单片机的超声波检测系统研究　ｌ　ｌ唑：ｒ　篓！・　．　ｔ｝船　ｔ　５１．ｈ　ｉ　ｌ“ｅ　ｉ　ｐ　“００＿ｂ　：　＾日：一　ｉ一：　一　…　……　ｄ　●ｔ　ｑ，●知　—咖蚺　ｌ蚰Ｉ！【ｅ｜ｌＯ００；，／翳诅为Ｉ∞∞：：：：：　＝：：：：　……………９…ｃ…０　…　　Ｐ｛　，：　ｐ　０　．　．　Ｐ９１　２　ｒ　ｐ－　，　Ｂ１　ｔｎｌ：１６０２¨　…………………　聃　…ｋ　Ｈｔ０Ｈｌ】　ｃ…【】　ｔ　ＨＩ　曲　口』一ｈ…口蚰ｃ…　　ｄｅｌ奸｛Ｉ呻Ｉ：　鲥Ｓｌ　ｎｉｔ１）ｊ　¨　ｒ　伸．　ｐ鸺　ｒ　忡．～艚ｆ，　‘，　ｔ）　ｏ．计ｐｐｔ阳一　－　－　－ｏ　■¨　ｌ”　………ｔ…　Ⅲｓ……　口……・　ｔ　ｌ肌”　ｄｔ卵Ｉ－’ｔｔｒｔ　图９软件编码运行图　图７　ＣＸ２０１０６内部结构图　ＬＣＤ１６０２是目前最常用的字符液晶之一。具有　１６　Ｘ２能够显示所有英文大小写字母，０～９的１０个数　字以及一些常用的符号。系统运用ＬＣＤ１６０２模块作　为液晶显示模块，可以更加直观地读取实验数据，从而　能更好地控制实验的顺利进行。超声波无损检测核心　图ｌ０超声波混泥土无损检测控制电路实物图　表２混凝土无损检测数据表　控制板调试电路，可看出电路以ＲＳ２３２芯片为核心的　与上位机通信模块，可完成系统和上位机的通信，完成　对主控芯片的程序下载。以ＳＴＣ８９Ｃ５２为主控芯片的　控制部分，通过运行程序实现及按键控制，最后把检测　结果显示在液晶屏上。　２．３超声波无损检测系统软件设计　２．３．１检测系统的软件设计　从所得数据可以看出，实验过程中由于超声波发　射接收电路以及外围电子元件之间连线存在一定电磁　系统软件设计采用Ｃ语言编写，Ｃ语言对机器底层　硬件操作方便，模块化程度高，可读性与可移植性好。该　软件设计主要包括两部分组成：超声波混泥土无损检测　干扰，难免使输出信号产生小幅度漂移，但误差已经控　制在设计要求范围之内。　控制程序由初始化模块、发射接收模块和算法组成。图８　是我们编写程序的流程图；图９是软件编码运行图。　３结束语　设计的超声波检测系统利用实验的方法对混凝土空　间缺陷进行测量，其核心处理芯片ＳＴＣ８９Ｃ５２具有价格便　宜、低功耗、结构简单、偏于携带等优点，其误差控制在　６％以下，能够在确保构件完整性的同时对混凝土在施工　过程中的质量进行实时监控，从而保证建筑的安全竣工。　参考文献　谢春霞，余金凯，郭艳伟．红外热像技术在混凝土无损检　测中的探索［Ｊ］．路基工程，２００９，２（２）：１６３—１６４．　陈长征，罗跃纲，白秉三，等．结构损伤检测与智能诊断　［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１．　褚燕利，樊瑶．基于最短路径射线追踪算法的混凝土无损　检测［Ｊ］．公路，２０１１，５（５）：１４８—１５２．　顾轶东，林维正，苏航．冲击回波法在混凝土无损检测中　的应用［Ｊ］．无损检测，２０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