基于STC15的微波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜吳昊 林為政

摘 要：針對(duì)無損探測(cè)工件厚度成本高等問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于STC15單片機(jī)的微波檢測(cè)系統(tǒng)，其硬件包括：信號(hào)發(fā)生器、幅相檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊等，并在硬件系統(tǒng)上搭建了相應(yīng)的軟件，能實(shí)現(xiàn)工件的厚度檢測(cè)和報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞：微波;無損檢測(cè);單片機(jī)

隨著科技以及各種傳感器的發(fā)展，無損探測(cè)技術(shù)也朝著日新月異的方向發(fā)展。[1]微波檢測(cè)技術(shù)也拓展到了各個(gè)行業(yè)進(jìn)行著各式各樣的產(chǎn)品檢測(cè)，微波是特殊波長(zhǎng)的電磁波，[2]其具有穿透性、發(fā)射性等物理性質(zhì)，目前常用于通訊、加熱、遙感檢測(cè)等。在工廠工件的加工生產(chǎn)中，許多地方都需要較高精度的厚度檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備基本都為接觸式測(cè)量，而其余許多非接觸式測(cè)量方式如：視覺、熱紅外、射線等成本較高或精度不太高。本文基于STC15L2K60S2系列單片機(jī)[3]設(shè)計(jì)了一款成本較低、具有較高精度的微波探測(cè)系統(tǒng)。

1 方案與原理

微波檢測(cè)方法有多種，按照原理分可分為穿透法、反射法、散射法等。[4]本文主要針對(duì)非金屬工件的厚度檢測(cè)設(shè)計(jì)了一套微波穿透視檢測(cè)方案。原理圖如圖1所示。主要通過工件本身的介電常數(shù)不同，會(huì)影響電磁波的傳播。主要工作過程：通過過信號(hào)源發(fā)射微波傳輸?shù)桨l(fā)射探頭，發(fā)射出的電磁波穿透工件后被接收探頭接收，通過幅相檢測(cè)器檢測(cè)電磁波信號(hào)的信號(hào)衰弱與相位偏差來得知被測(cè)物體的厚度。

探頭的應(yīng)布置在一個(gè)相聚l并正對(duì)的位置，每次將工件放置在兩個(gè)探頭中間的位置。若標(biāo)準(zhǔn)件的厚度為d，被測(cè)的工件的厚度為d+Δd，若傳入標(biāo)準(zhǔn)工件時(shí)，電磁波在兩個(gè)探頭中間傳播時(shí)間t1 可看成電磁波在空氣中傳播的時(shí)間加上在工件中傳播的時(shí)間，即：

2 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括：高頻信號(hào)源、幅相檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)化模塊、以及蜂鳴器、按鈕、LCD12864等外圍設(shè)備。

信號(hào)源采用ADI公司的ADF4350鎖相環(huán)芯片，其主要特征為內(nèi)部集成VCO能輸出頻率為2.2GHz到4.4GHz，經(jīng)過1/2/4/8/16分頻后能輸出135MHz到4.4GHz的電磁波;包含4/5、8/9的可編程雙模預(yù)分頻計(jì)數(shù)器與小數(shù)N分頻與整數(shù)N分頻頻率合成器。主要原理與一般鎖相環(huán)原理相同，將鎖相環(huán)輸出頻率與預(yù)設(shè)頻率進(jìn)行對(duì)比，通過鑒相器輸出的電壓值控制壓控振蕩器并決定整個(gè)信號(hào)源的輸出頻率。對(duì)信號(hào)頻率改變操作主要通過更改內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，針對(duì)不同的被測(cè)物輸出頻率也不同，先設(shè)置一個(gè)初始值2.5GHz，寄存器設(shè)置分別為：

幅相檢測(cè)模塊同樣采用ADI公司的AD8302信號(hào)處理芯片，其能將兩個(gè)精密的對(duì)數(shù)檢波器集成在一起，能測(cè)量頻率低于27GHz的兩個(gè)輸入信號(hào)的幅相差異，并將誤差源與溫度偏移降到最低。幅相檢測(cè)模塊同樣采用ADI公司的AD8302信號(hào)處理芯片，其能精確地檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)（包括射頻RF、中頻IF、低頻信號(hào)）的相位差、增益以及頻率，廣泛用于通訊等。AD8302將兩個(gè)精密的對(duì)數(shù)檢波器集成在一起，能測(cè)量頻率低于2.7GHz的兩個(gè)輸入信號(hào)的幅相差異，并將誤差源與溫度偏移降到最低。

檢測(cè)系統(tǒng)采用STC15L2K單片機(jī)作為中央處理器，芯片自帶模擬口可采集傳感器及其它模塊的模擬電壓值，電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）能將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，還有其余人機(jī)交互的外圍設(shè)備如12864液晶顯示模塊、蜂鳴器和按鍵模塊等功能模塊。

3 程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，首先應(yīng)先通過一個(gè)光點(diǎn)傳感器檢測(cè)工件是否放入，若有放入，其連接單片機(jī)的引腳至高位，檢測(cè)開始，通過幅相檢測(cè)模塊檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)的幅值比和相位差。在進(jìn)行檢測(cè)前，應(yīng)通過測(cè)試并設(shè)定閾值，檢測(cè)時(shí)通過檢測(cè)到的值與閾值對(duì)比。若超過閾值，則發(fā)生警報(bào)等。

4 總結(jié)展望

本文開發(fā)了一款新的厚度檢測(cè)系統(tǒng)，方案上采用通過鎖相環(huán)發(fā)射高頻正弦波，通過檢測(cè)信號(hào)的幅值比和相位差來檢測(cè)工件的厚度;硬件上將信號(hào)源、幅相檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)換、LCD等集成在STC15單片機(jī)上，成本低廉;軟件上能實(shí)現(xiàn)誤差數(shù)值顯示，報(bào)警等功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]高鐵成，郭恒飛，趙傳陣，等.航天復(fù)合材料無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（1）：71-76.

[2]中間層碳纖維方向的微波無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].功能材料，2017，48（5）：5061-5064.

[3]張慧，王坤峰，王飛躍.深度學(xué)習(xí)在目標(biāo)視覺檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2017，43（8）：1289-1305.

[4]郭占苗.基于STC15F2K60S2單片機(jī)波形發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2017，36（7）：98-102.