超声波的物体厚度检测电路的设计
摘 要本课题在当前厚度测量仪系统的研究基础上，提出了一种以AT89C51单片机作为主控芯片的一款新型厚度测量仪控制系统的设计方案。在其内部使用了新型模块HC-SR04型超声波传感器以及LCD1602液晶屏等作为核心部分，构建了其硬件框架结构，以C语言来编写实现了对于物体高达1cm精度的测量。经过了实物的制作测量验证，厚度测量范围可达到0~1米之间，具有较高清晰度的液晶显示功能，系统的总体功耗低。此外，由于在硬件上由于大多数使用的都是新型并且价格低廉的芯片模块，大大压缩了总体系统的生产成本。呈现出了很高的实用性，有一定的市场推广价值。
目录
一、引言 1
（一） 厚度测量仪器的发展背景 1
（二） 目前国内外常用的厚度测量技术 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控单片机的对比与选择 3
（二） AT89C51单片机简要概述 4
（三） HCSR04超声波传感器 4
（四） LCD1602液晶屏简介 5
（五） 蜂鸣器简介 6
三、硬件系统设计 8
（一） 厚度测量仪的方案设计 8
（二） 厚度测量仪系统的硬件结构框图设计 8
（三） 单片机最小系统设计 9
（四） HCSR04超声波传感器电路设计 10
（五） 液晶屏电路设计 10
（六） 报警电路设计 11
四、软件系统设计 13
（一） 厚度测量仪系统的主程序流程图设计 13
（二） HCSR04超声波传感器流程设计 14
（三） 液晶屏显示流程设计 15
（四） 报警电路工作流程设计 15
五、实物功能测试 17
（一） 实物制作 17
（二） 功能测试 18
总 结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB图 25
附录三 元件列表 26
附
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
录四 源程序.27
一、引言
（一） 厚度测量仪器的发展背景
厚度测量仪器是指用来测量材料及物体厚度的仪器仪表。厚度测量仪通常适用于工业生产中用来连续或抽样测量产品的厚度（如钢板，钢带等）。此外，厚度测量仪还适用于学校，车站机场等场所。
最早的用于实现对物体进行厚度测量功能的机械装备，早在很多年前就已经出现。由于早期电子技术尚未发展和普及，传统的厚度测量设备主要采用机械结构来实现厚度测量功能。这样的机械厚度测量仪其特点也是非常显著的，例如，外观庞大笨重，使用不便；随着机械零件的摩擦和劳损，需要定期维护或更换零部件；另外由于全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废。
随着电子技术的日渐成熟及发展，人们越来越不能满足于传统测量设备的使用效果。尤其是随着单片机的普及应用，其所具有的小巧轻便，可编程等特性，呈现出越来越多的优势。例如，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的厚度测量仪控制系统突破了传统机械式的单一功能性，不但实现了传统机械式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能。更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，即使测量仪已经马上要推向市场，也能迅速实现厚功能的扩展和再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧录就可以实现厚度测量仪控制系统的二次甚至多次升级。
本课题将要设计的这款厚度测量仪控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，其基本设计思路是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的厚度测量工作。
（二） 目前国内外常用的厚度测量技术
根据调研显示和文献资料查找，目前国内外常用的测量技术主要包括激光式测量、X射线式测量、超声波测量等，其各自的特性对比见表1 。
表1 常用的厚度测量技术表
序号
技术名称
特点
操作难易程度
成本
1
激光式测量
基于激光线速高聚集性，因此能够实现非常高的测量精度
操作较难
成本较高，不能够实现大规模普及
2
X射线式测量
能够实现对物体的穿透，因此能够适用于一些待测物体不易测量的场合
这种测量装备往往外形较大，并且需要专业人员进行操纵
成本较高
3
超声波测量
测量精度不高
操作方便简单
成本廉价
（三） 本文主要研究内容
整个物体厚度测量系统拟实现的预期功能为：
具有通过超声波模块实现物体厚度测量的功能；
具有液晶显示功能，能将物体厚度测量结果实时显示；
具有报警功能，使用者可通过按键设置厚度阀值，当测量到的物体厚度超过报警阈值之后，系统发出蜂鸣报警信号；
预期达到的各项指标：
厚度精度可达到1厘米，能够实现0~1米之间的物体厚度测量；
显示屏能够对英文字符以及字母进行显示，显示信息量尽量大。
二、方案选择及元器件介绍
（一） 主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取：
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
目录
一、引言 1
（一） 厚度测量仪器的发展背景 1
（二） 目前国内外常用的厚度测量技术 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控单片机的对比与选择 3
（二） AT89C51单片机简要概述 4
（三） HCSR04超声波传感器 4
（四） LCD1602液晶屏简介 5
（五） 蜂鸣器简介 6
三、硬件系统设计 8
（一） 厚度测量仪的方案设计 8
（二） 厚度测量仪系统的硬件结构框图设计 8
（三） 单片机最小系统设计 9
（四） HCSR04超声波传感器电路设计 10
（五） 液晶屏电路设计 10
（六） 报警电路设计 11
四、软件系统设计 13
（一） 厚度测量仪系统的主程序流程图设计 13
（二） HCSR04超声波传感器流程设计 14
（三） 液晶屏显示流程设计 15
（四） 报警电路工作流程设计 15
五、实物功能测试 17
（一） 实物制作 17
（二） 功能测试 18
总 结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB图 25
附录三 元件列表 26
附
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
录四 源程序.27
一、引言
（一） 厚度测量仪器的发展背景
厚度测量仪器是指用来测量材料及物体厚度的仪器仪表。厚度测量仪通常适用于工业生产中用来连续或抽样测量产品的厚度（如钢板，钢带等）。此外，厚度测量仪还适用于学校，车站机场等场所。
最早的用于实现对物体进行厚度测量功能的机械装备，早在很多年前就已经出现。由于早期电子技术尚未发展和普及，传统的厚度测量设备主要采用机械结构来实现厚度测量功能。这样的机械厚度测量仪其特点也是非常显著的，例如，外观庞大笨重，使用不便；随着机械零件的摩擦和劳损，需要定期维护或更换零部件；另外由于全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废。
随着电子技术的日渐成熟及发展，人们越来越不能满足于传统测量设备的使用效果。尤其是随着单片机的普及应用，其所具有的小巧轻便，可编程等特性，呈现出越来越多的优势。例如，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的厚度测量仪控制系统突破了传统机械式的单一功能性，不但实现了传统机械式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能。更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，即使测量仪已经马上要推向市场，也能迅速实现厚功能的扩展和再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧录就可以实现厚度测量仪控制系统的二次甚至多次升级。
本课题将要设计的这款厚度测量仪控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，其基本设计思路是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的厚度测量工作。
（二） 目前国内外常用的厚度测量技术
根据调研显示和文献资料查找，目前国内外常用的测量技术主要包括激光式测量、X射线式测量、超声波测量等，其各自的特性对比见表1 。
表1 常用的厚度测量技术表
序号
技术名称
特点
操作难易程度
成本
1
激光式测量
基于激光线速高聚集性，因此能够实现非常高的测量精度
操作较难
成本较高，不能够实现大规模普及
2
X射线式测量
能够实现对物体的穿透，因此能够适用于一些待测物体不易测量的场合
这种测量装备往往外形较大，并且需要专业人员进行操纵
成本较高
3
超声波测量
测量精度不高
操作方便简单
成本廉价
（三） 本文主要研究内容
整个物体厚度测量系统拟实现的预期功能为：
具有通过超声波模块实现物体厚度测量的功能；
具有液晶显示功能，能将物体厚度测量结果实时显示；
具有报警功能，使用者可通过按键设置厚度阀值，当测量到的物体厚度超过报警阈值之后，系统发出蜂鸣报警信号；
预期达到的各项指标：
厚度精度可达到1厘米，能够实现0~1米之间的物体厚度测量；
显示屏能够对英文字符以及字母进行显示，显示信息量尽量大。
二、方案选择及元器件介绍
（一） 主控单片机的对比与选择
在进行系统的硬件和软件系统设计之前，首先要对系统所使用的主控单片机进行选取，在选取时主要应该对单片机的内部资源丰富度、成本高低、开发语言、使用熟练程度以及能够胜任本系统的功能指标等方面进行考核，经过三年的大学学习，我主要从以下两款单片机中进行对比和最终选取：
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过琦20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
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