一种超声波检测装置的制作方法

本发明涉及超声波领域，尤其是一种超声波检测设备。

背景技术：

超声波检测在无损检测中以及水果成熟度检测中占据着主要地位，无损探伤技术是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段，超声波探伤就是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法；超声波测成熟度主要是将超声波信号传入被测水果，之后再通过单片机接收水果的超声波信号，通过单片机的处理，可以采用数字量化的方式表示水果的成熟程度，具体的数字量化要根据水果的声学特性利用软件来实现。近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力，为了提高检测的可靠性和提高检测效率，研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声仪是当今无损检测领域发展的一个重要趋势。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种快速准确的超声波检测装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种超声波检测装置，包括超声波发射电路、超声波接收电路、数据采集电路、单片机系统、按键输入电路、led显示电路、存储系统、rs-232通信接口电路和为检测装置供电的电源系统；

单片机系统的输出端连接超声波发射电路和led显示电路，单片机系统输入端分别与按键输入电路和数据采集电路连接，单片机系统的数据端口双向连接存储系统和rs-232通信接口电路，超声波发射系统、超声波接收系统、数据采集系统和单片机系统分别与电源系统连接；所述超声波发射电路包括与单片机系统连接的触发电路，触发电路与高频脉冲发射电路连接，高频脉冲发射电路与发射换能器连接，高频脉冲发射电路与高压电源电路连接；所述超声波接收电路包括接收换能器，所述接收换能器与滤波电路连接，滤波电路与放大电路连接，放大电路与数据处理系统连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述单片机系统选用at89s52单片机。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述按键输入电路包括分别与电源连接的电阻r30、r31、r32、r33，电阻r30、r31、r32、r33分别与按键s1、s2、s3和s4分别连接，s1的另一端分别与r34、电容c11和sn74ls04d引脚5连接，电阻r34另一端和电容c11另一端连接后接地，sn74ls04d引脚6与单片机引脚5连接；

s2的另一端分别与r35、电容c12和sn74ls04d引脚4连接，电阻r35另一端和电容c12另一端连接后接地，sn74ls04d引脚7与单片机引脚6连接；

s3的另一端分别与r36、电容c13和sn74ls04d引脚3连接，电阻r36另一端和电容c13另一端连接后接地，sn74ls04d引脚8与单片机引脚7连接；

s4的另一端分别与r37、电容c14和sn74ls04d引脚18连接，电阻r37另一端和电容c14另一端连接后接地，sn74ls04d引脚13与单片机引脚8连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述led显示电路包括hdsm-577g数码管和sn74ls164d芯片，hdsm-577g引脚3、引脚9、引脚8、引脚6、引脚7、引脚4、引脚1、引脚2分别与sn74ls164d引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13连接，在连接线路上均通过对应的电阻与电源连接，所述hdsm-577g引脚10和引脚5分别与单片机at89s52的引脚14和引脚15连接，sn74ls164d的引脚8、引脚9、引脚2、引脚1分别与单片机的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述rs-232通信接口电路包括芯片max232acse和接口j1，所述max232acse引脚1和引脚3之间连接有电容c29，所述max232acse引脚4和引脚5之间连接有电容c30，所述max232acse引脚2和引脚16之间连接有电容c31，max232acse引脚2与+5v电源连接，所述max232acse引脚15和引脚6之间连接有电容c33，max232acse引脚15接地，j1针脚2与max232acse引脚13连接输入信息，max232acse引脚7与j1针脚3连接输出信息，max232acse是通过引脚10与单片机引脚11连接，max232acse是通过引脚12与单片机引脚10连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述高压电源电路包括电容c1、c2、c3、c34，三极管q1、q2，变压器t1和二极管整流桥d16，电阻r1、r2串联后并联连接在电容c1上，电阻r1和电阻r2的连接端分别与变压器t1的初级线圈wb1和wb2一端连接，初级线圈wb1和wb2的另一端分别与三极管q1、q2的基极连接，三极管q1的集电极分别与电容c2和变压器初级线圈wc的一端连接，三极管q2的集电极分别与电容c3和变压器初级线圈wc的另一端连接，c2和c3的另一端连接后分别与q1的发射极、q2的发射极和r2的另一端连接，r1的另一端与变压器初级线圈wc中部滑动连接，变压器t1的反馈线圈连接二极管整流桥d16两个输入端，二极管整流桥d16输出端与高压电源电路输出端连接，另一端接地，电容c1的一端连接12v电源，另一端接地，高压电源电路输出端与高频脉冲发射电路的电压输入端连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述触发电路包括高速光电隔离器o1和三极管q3，高速光电隔离器o1的输入端分别连接电阻r9和地，输出端一极连接电阻r8和三极管q3的基极，电阻r8的另一端连接12v电源，三极管q3的集电极连接电阻r7和触发电路输出端，电阻r7的另一端和12v电源连接，触发电路输出端与高频脉冲发射电路的信号输入端连接，高速光电隔离器o1另一端接地。

本发明技术方案的进一步改进在于：高频脉冲发射电路包括晶闸管s1、电容c4、c5和二极管d1，晶闸管s1的阳极分别连接滑动变阻器r3和电容c4，滑动变阻器r3另一端与高压电源电路的输出端连接，控制极分别连接电阻r6和电容c5，阴极接地，电阻r6另一端接地，电容c5另一端与触发电路的输出端连接，二极管d1、电阻r4、r5组成一个回路连接在电容c4的另一端，高频脉冲发射电路的输出端与电阻r5并联，高频脉冲发射电路的输出端与发射换能器连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述数据采集电路包括max153eap芯片、sn74als139d芯片和两个sn74ls04d，单片机引脚28、引脚13、引脚32、引脚33、引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38和引脚39分别与max153eap的引脚6、引脚9、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚14、引脚15、引脚16和引脚17连接，单片机引脚26、引脚27分别与sn74als139d引脚3、引脚2连接，sn74als139d引脚5与max153eap引脚13连接后与sn74ls04d引脚1连接，n74ls04d引脚2与max153eap引脚18连接，单片机引脚17与另一个sn74ls04d引脚3连接，sn74ls04d引脚4与max153eap引脚8连接，放大电路的输出端与电阻r56连接，电阻r56另一端分别与max153eap引脚1、二极管d20负极、二极管d21正极连接，二极管d20正极与-5v电源连接，二极管d21负极与+5v电源连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：包括一个壳体，客体内部设置有电路板，所述触发电路、高频脉冲发射电路、高压电源电路、滤波电路、放大电路、数据采集电路、按键输入电路、led显示电路、存储系统、rs-232通信接口电路和电源系统均集成到电路板上，单片机系统连接在电路板上，所述壳体外设置有接收换能器和发射换能器，发射换能器和高频脉冲发射电路通过线路连接，接收换能器和滤波电路通过线路连接。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明包括超声波发射电路、超声波接收电路、数据采集电路、单片机系统、按键输入电路、led显示电路、存储系统、rs-232通信接口电路和为检测装置供电的电源系统，实现对检测物快速准确的检测。

超声波发射电路包括触发电路和高频脉冲发射电路，其中高频脉冲发射电路与高压电源电路连接，由于超声波在传播过程中衰减很大，为了保证接收到能够辨识的超声波信号，超声波发射时必须为高压，便捷可用的低压直流电源通过高压电源电路的设置可得到高电压，解决野外无法直接提供高压电源的问题。

超声波接收电路内包含滤波电路、放大电路，采用集成放大器构建的放大电路并配合使用带通滤波电路，构成宽增益、低噪声的放大滤波系统。

采用配置灵活、软件结构简单的独立式按键电路，该电路可以控制超声波的发射、停止以及声波频率的增减。独立式按键电路每个按键单独占有一根i/o口线，每根i/o口线的工作状态不会影响其他i/o口线的工作状态。

发光二极管显示器(led)是最常用的输出设备，成本低，控制方便。led显示器便用以显示表示探测结果的具体数字，人们据此便可迅速而便捷地得知被物体的品质。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是高压电源电路电路图；

图3是触发电路电路图；

图4是高频脉冲发射电路电路图；

图5是放大电路电路图；

图6是滤波电路部分电路图；

图7是滤波电路另一部分电路图；

图8是数据采集电路电路图；

图9是按键输入电路电路图；

图10是led显示电路电路图；

图11是rs-232通信接口电路电路图；

图12是电源系统的一种电路结构图；

图13是电源系统的另一种电路结构图；

图14是单片机引脚接线图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种超声波检测装置，如图1所示，包括超声波发射电路、超声波接收电路、数据采集电路、单片机系统、按键输入电路、led显示电路、存储系统、rs-232通信接口电路、晶振电路、复位电路和为检测装置供电的电源系统；其中单片机系统选用at89s52单片机，单片机引脚接线如图14所示。

单片机系统的输出端连接超声波发射电路和led显示电路，单片机系统输入端分别与按键输入电路、数据采集电路、晶振电路和复位电路连接，单片机系统的数据端口双向连接存储系统和rs-232通信接口电路，超声波发射系统、超声波接收系统、数据采集系统和单片机系统分别与电源系统连接；所述超声波发射电路包括与单片机系统连接的触发电路，触发电路与高频脉冲发射电路连接，高频脉冲发射电路与发射换能器连接，高频脉冲发射电路与高压电源电路连接；所述超声波接收电路包括接收换能器，所述接收换能器与滤波电路连接，滤波电路与放大电路连接，放大电路与数据处理系统连接。其中还可以在放大电路与数据处理系统之间设置一个限幅调理电路。

本发明硬件结构主要包括一个壳体，客体内部设置有电路板，所述触发电路、高频脉冲发射电路、高压电源电路、滤波电路、放大电路、数据采集电路、按键输入电路、led显示电路、存储系统、rs-232通信接口电路和电源系统均集成到电路板上，单片机系统连接在电路板上，所述壳体外设置有接收换能器和发射换能器，发射换能器和高频脉冲发射电路通过线路连接，接收换能器和滤波电路通过线路连接。

本发明的其工作原理是触发电路在单片机系统控制下根据需要输出触发信号，该触发信号触发高压脉冲发射电路发出高压脉冲，通过发射换能器变换成超声波信号并传入被测水果或者被测工件；接收换能器接收通过被测水果的声波信号并转换为电信号，将信号进行滤波、放大、限幅等处理后送给数据采集电路进行高速采集。数据采集电路将采集得到的数字信号以中断方式送给单片机系统进行分析处理，得出被测对象的成熟度或缺陷情况，并将处理得到的数字信号动态实时地显示在led显示器上，该数字信号便表示了水果的成熟程度。此外，仪器内的数据文件可方便地通过rs-232接口传输至用户计算机中，通过配套的windows平台下的分析处理软件进行后期分析处理。系统中的高压电源电路是为高频脉冲发射电路提供所需要的高压。

其中具体的电路以及连接关系如下：

如图2所示，高压电源电路包括电容c1、c2、c3、c34，三极管q1、q2，变压器t1和二极管整流桥d16，电阻r1、r2串联后并联连接在电容c1上，电容c1的一端连接+12v电源，另一端接地，电阻r1和电阻r2的连接端分别与变压器t1的初级线圈wb1和wb2一端连接，初级线圈wb1和wb2的另一端分别与三极管q1、q2的基极连接，三极管q1的集电极分别与电容c2和变压器初级线圈wc的一端连接，三极管q2的集电极分别与电容c3和变压器初级线圈wc的另一端连接，c2和c3的另一端连接后分别与q1的发射极、q2的发射极和r2的另一端连接，r1的另一端与变压器初级线圈wc中部滑动连接，变压器t1的反馈线圈连接二极管整流桥d16两个输入端，二极管整流桥d16其中一个输出端分别与高压电源电路输出端和电容c34连接，d16另一个输出端接地，c34另一端也接地，高压电源电路输出端与高频脉冲发射电路的电压输入端连接。其中c1选择0.1uf，c2和c3选择1uf，c34选择10uf，r1和r2选择10kω，三极管q1、q2选用3dg1801型号。

超声波在传播过程中衰减很大，为了保证接收到能够辨识的超声波信号，超声波发射时必须为高压。而在野外无法直接提供高压电源，因此有必要设计高压电源电路，通过便捷可用的低压直流电源得到高电压。本电路主要运用自激推挽式变换器的原理，将充电电池提供的直流低压转换为几十伏甚至上百伏的高压。

如图3所示，触发电路包括高速光电隔离器o1和三极管q3，高速光电隔离器o1的输入端分别连接电阻r9和地，输出端一极连接电阻r8和三极管q3的基极，电阻r8的另一端连接+12v电源，三极管q3的集电极连接电阻r7和触发电路输出端，电阻r7的另一端和12v电源连接，触发电路输出端与高频脉冲发射电路的信号输入端连接，高速光电隔离器o1另一端接地。其中r7、r8和r9选择10kω，三极管q3选用3dg110m型号。

触发电路目的是产生一个单片机控制的触发信号，用以触发高压脉冲电路，通过改变开关三极管的基极电压，可控制其导通状态。开关三极管的开启和关断引发集电极与发射极间电压vceo的变化，从而产生一个正向脉冲。

如图4所示，高频脉冲发射电路包括晶闸管s1、电容c4、c5和二极管d1，晶闸管s1的阳极分别连接滑动变阻器r3和电容c4，滑动变阻器r3另一端与高压电源电路的二极管整流桥d16的输出端连接，控制极分别连接电阻r6和电容c5，阴极接地，电阻r6另一端接地，电容c5另一端与触发电路的输出端连接；c4另一端与r4和二极管d1的负极连接，r4另一端以及二极管d1正极分别与r5两端连接，r5两端还与高频脉冲发射电路两个输出端连接，高频脉冲发射电路的输出端与发射换能器连接，r4和r5连接的一端接地。其中c4选择910pf，c5选择0.1uf，r3和r6选择100kf，r4和r5选择5kω。

高频脉冲发射电路通过接收来自触发电路的触发信号产生高压脉冲，从而激发超声换能器发射超声波。电路所需高压由直流升压电路提供。超声脉冲波辐射的能量与激励的脉冲电压直接相关，脉冲电压越高，发射的脉冲超声就越强。

本系统采用差分放大电路，可以克服外部干扰的影响。同时，放大电路的增益调节方便，能够满足超声波接收处理的需要。可选用现有技术中任何一种差分放大电路。也可选用如图5所示的一种差分放大电路。

本装置选用滤波电路进行滤波，可选用任何一种现有滤波电路，也可在系统中集成有源滤波器，相比无源滤波器有很多优点，采用巴特沃斯响应的二阶rc有源滤波器可以逼近具有理想特性的滤波器。高通滤波电路和低通滤波电路，可以组成带通滤波器，满足系统对滤波的要求。由于发射超声波频率的可变，相应地带通滤波器的中心频率要随之改变。可以通过设计不同的档位，来调整滤波频率。

接收系统的滤波电路是一个由高通滤波器和低通滤波器组合而成的带通滤波电路。该滤波电路的下限截止频率fl和上限截止频率fh可根据实际接收超声波的信号频率手动调整。滤波电路具体如图6和7所示。

在电路中，选择高通级电路的电容值为0.1μf，低通级电路的电容值为1000pf。考虑到已知avf＝1.568，同时尽量要使运放同相输入端和反相输入端对地的直流电阻基本相等，现选择r61＝68kω，r63＝82kω，由此可算出r62＝(avf-1)r61≈39.8kω，r64＝(avf-1)r63≈48kω，其容差为1％。

如图8所示，数据采集电路包括max153eap芯片、sn74als139d芯片和两个sn74ls04d，单片机引脚28、引脚13、引脚32、引脚33、引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38和引脚39分别与max153eap的引脚6、引脚9、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚14、引脚15、引脚16和引脚17连接，单片机引脚26、引脚27分别与sn74als139d引脚3、引脚2连接，sn74als139d引脚5与max153eap引脚13连接后与sn74ls04d引脚1连接，n74ls04d引脚2与max153eap引脚18连接，单片机引脚17与另一个sn74ls04d引脚3连接，sn74ls04d引脚4与max153eap引脚8连接，放大电话的输出端与电阻r56连接，电阻r56另一端分别与max153eap引脚1、二极管d20负极、二极管d21正极连接，二极管d20正极与-5v电源连接，二极管d21负极与+5v电源连接，sn74als139d引脚1接地，max153eap引脚10和引脚7接地，引脚12和引脚20接+5v电源，引脚19接-5v电源。

根据香农采样定理，采样后的数字信号要能恢复原来的模拟信号，采样频率必须至少模拟信号的2倍，本文采用20khz-40khz的超声波，为了保证正确分析所接收的超声信号，便采用转换速率为1msps的a/d转换器件max153，该器件还具有省电的功能。由于该器件工作电压为-5v～+5v，因此有必要在输入之前对模拟信号进行限幅处理。

如图9所示，按键输入电路包括分别与+5v电源连接的电阻r30、r31、r32、r33，电阻r30、r31、r32、r33分别与按键s1、s2、s3和s4分别连接，s1的另一端分别与r34、电容c11和sn74ls04d引脚5连接，电阻r34另一端和电容c11另一端连接后接地，sn74ls04d引脚6与单片机引脚5连接；

s2的另一端分别与r35、电容c12和sn74ls04d引脚4连接，电阻r35另一端和电容c12另一端连接后接地，sn74ls04d引脚7与单片机引脚6连接；

s3的另一端分别与r36、电容c13和sn74ls04d引脚3连接，电阻r36另一端和电容c13另一端连接后接地，sn74ls04d引脚8与单片机引脚7连接；

s4的另一端分别与r37、电容c14和sn74ls04d引脚18连接，电阻r37另一端和电容c14另一端连接后接地，sn74ls04d引脚13与单片机引脚8连接。

采用配置灵活、软件结构简单的独立式按键电路，该电路可以控制超声波的发射、停止以及声波频率的增减。由于按键抖动的特性，要相应配之以消抖电路。独立式按键电路每个按键单独占有一根i/o口线，每根i/o口线的工作状态不会影响其他i/o口线的工作状态。该种输入电路配置灵活、软件结构简单。

如图10所示，led显示电路包括hdsm-577g数码管和sn74ls164d芯片，hdsm-577g引脚3、引脚9、引脚8、引脚6、引脚7、引脚4、引脚1、引脚2分别与sn74ls164d引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13连接，在连接线路上均通过对应的电阻与+5v电源连接，具体的在每根连接电路上依次设置有r39～r46，电阻值选择100kω；hdsm-577g引脚10和引脚5分别与单片机at89s52的引脚14和引脚15连接，sn74ls164d的引脚8、引脚9、引脚2、引脚1分别与单片机的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4连接，sn74ls164d引脚7接地。

发光二极管显示器(led)是最常用的输出设备，成本低，控制方便。超声波检测信号通过单片机的处理，可以采用数字量化的方式表示水果的成熟程度。用0.0～9.9共100个量级分别表示水果自不熟至过熟的成熟程度。具体的数字量化要根据水果的声学特性利用软件来实现，这在本文中将不作论述。led显示器便用以显示表示探测结果的具体数字，人们据此便可迅速而便捷地得知被物体的品质。

如图11，rs-232通信接口电路包括芯片max232acse和接口j1，max232acse引脚1和引脚3之间连接有电容c29，max232acse引脚4和引脚5之间连接有电容c30，max232acse引脚2和引脚16之间连接有电容c31，max232acse引脚2与+5v电源连接，max232acse引脚15和引脚6之间连接有电容c33，max232acse引脚15接地，max232acse引脚8和引脚11接地，j1针脚2与max232acse引脚13连接输入信息，max232acse引脚7与j1针脚3连接输出信息，max232acse是通过引脚10与单片机引脚11连接，max232acse是通过引脚12与单片机引脚10连接，j1针脚9接地。其中c29、c30、c31、c33均选择0.1uf。

其中存储系统可采用现有技术中任何一种存储系统，也可采用线选法扩展2片mcm6264p。

由于检测装置的便携性，采用充电电池作为电源十分方便可靠，又能适应野外工作的需求。在具有高压交流电源的场所，我们同样可以采用220v交流电源作为供电电源，这需要整流电路将交流高电压转换为直流低电压。整个检测装置中，需要+12v、-12v、+5v、-5v四种电源，因而需要稳压电路产生多种稳定的直流电压，以满足系统对电源的要求。利用集成的三端稳压器可以很好地实现直流电压之间的转换，满足系统对稳定电源的需求。

为了满足水果检测装置工作环境的需要，系统可以设计两种供电方式。一种是采用220v交流电源供电，另一种是采用+12v充电电池供电。手动双掷开关可以手动选择检测装置的供电方式。

采用220v交流电供电时，220v交流电经过变压、整流、滤波，由两片三端稳压器组成的稳压电路向系统提供+12v和-12v直流电源。+15v充电电池提供的电源经过三端稳压器，即可产生稳定的-12v的电源，电路如图12所示。

系统电路中，有诸多芯片需要+5v及-5v电源供电，我们可以由已经得到的+12v、-12v电源经过三端稳压器的整变，得到+5v及-5v电源，电路如图13所示。

当然以上电源电路可以不选用本申请提供的两种电路，可以直接连接对应的电源或者现有技术中任一种电源。