基于STC15的微波檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜吳昊 林為政

摘 要：針對無損探測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)的微波檢測系統(tǒng)，其硬件包括：信號發(fā)生器、幅相檢測模塊、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)工件的厚度檢測和報警等功能。

關(guān)鍵詞：微波;無損檢測;單片機(jī)

隨著科技以及各種傳感器的發(fā)展，無損探測技術(shù)也朝著日新月異的方向發(fā)展。[1]微波檢測技術(shù)也拓展到了各個行業(yè)進(jìn)行著各式各樣的產(chǎn)品檢測，微波是特殊波長的電磁波，[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。傳統(tǒng)的檢測設(shè)備基本都為接觸式測量，而其余許多非接觸式測量方式如：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系統(tǒng)。

1 方案與原理

微波檢測方法有多種，按照原理分可分為穿透法、反射法、散射法等。[4]本文主要針對非金屬工件的厚度檢測設(shè)計(jì)了一套微波穿透視檢測方案。原理圖如圖1所示。主要通過工件本身的介電常數(shù)不同，會影響電磁波的傳播。主要工作過程：通過過信號源發(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，通過幅相檢測器檢測電磁波信號的信號衰弱與相位偏差來得知被測物體的厚度。

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

2 硬件設(shè)計(jì)

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

信號源采用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)行對比，通過鑒相器輸出的電壓值控制壓控振蕩器并決定整個信號源的輸出頻率。對信號頻率改變操作主要通過更改內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，針對不同的被測物輸出頻率也不同，先設(shè)置一個初始值2.5GHz，寄存器設(shè)置分別為：

幅相檢測模塊同樣采用ADI公司的AD8302信號處理芯片，其能將兩個精密的對數(shù)檢波器集成在一起，能測量頻率低于27GHz的兩個輸入信號的幅相差異，并將誤差源與溫度偏移降到最低。幅相檢測模塊同樣采用ADI公司的AD8302信號處理芯片，其能精確地檢測兩個信號（包括射頻RF、中頻IF、低頻信號）的相位差、增益以及頻率，廣泛用于通訊等。AD8302將兩個精密的對數(shù)檢波器集成在一起，能測量頻率低于2.7GHz的兩個輸入信號的幅相差異，并將誤差源與溫度偏移降到最低。

檢測系統(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器（EEPROM）能將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，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)先通過一個光點(diǎn)傳感器檢測工件是否放入，若有放入，其連接單片機(jī)的引腳至高位，檢測開始，通過幅相檢測模塊檢測兩個信號的幅值比和相位差。在進(jìn)行檢測前，應(yīng)通過測試并設(shè)定閾值，檢測時通過檢測到的值與閾值對比。若超過閾值，則發(fā)生警報等。

4 總結(jié)展望

本文開發(fā)了一款新的厚度檢測系統(tǒng)，方案上采用通過鎖相環(huán)發(fā)射高頻正弦波，通過檢測信號的幅值比和相位差來檢測工件的厚度;硬件上將信號源、幅相檢測模塊、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)合材料無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，36（1）：71-76.

[2]中間層碳纖維方向的微波無損檢測實(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)視覺檢測中的應(yīng)用進(jìn)展與展望[J].自動化學(xué)報，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].國外電子測量技術(shù)，2017，36（7）：98-102.