摘 要

传统的钻孔取芯测混凝土厚度方式已满足不了当前社会的需求，为改善这种状况，引入超声波作为混凝土厚度测量的新手段。本论文主要运用了超声波反射法测厚度的原理：由单片机控制内部定时器产生脉冲并驱动换能器产生超声波，通过检测返回的超声波所用时间来测量混凝土的厚度。本文主要设计了一种基于单片机的超声波测厚仪，系统的硬件部分采用AT89C52单片机作为控制器，其它主要电路还包括有超声波发射电路、接收电路、电源电路以及LCD显示电路等，在此基础上设计了系统的总体硬件图和软件流程图，软件部分包括主程序结构流程图以及超声波发送、厚度计算、LCD液晶显示等子程序流程图，然后给出了程序设计，通过软、硬件相结合来实现测厚的功能并给出了误差分析。

本设计具有可控制、体积小、结构简单、可记录测量厚度的时间、工作稳定，精度良好等优点。完成后的设计可用于测量路面等其它场合的混凝土厚度，完全满足设计的要求，具有良好的应用前景。

关键词：混凝土；超声波；厚度测量

Abstract

Traditional way of drilling core to measure the concrete thickness can not meet the needs of today’s society, in order to improve this situation, the introduction of ultrasonic is a new means of concrete thickness measurement.This paper mainly uses the principle of ultrasonic reflection method to measure the thickness: the internal timer controlled by single chip microprocessor generates a pulse and drives the transducer to generate ultrasonic, then by detecting time of the return ultrasonic to measure the thickness of the concrete. This paper mainly design a kind of ultrasonic thickness gauge based on SCM, the hardware part of the system uses AT89C52 SCM as the controller, other main circuit also comprises an ultrasonic transmitting circuit, receiving circuit, power supply circuit and LCD display circuit etc., on the basis of these circuit we design system's overall hardware diagram and software flow diagram,the software part includes the main program flow chart and the subroutine flow chart of ultrasonic transmission, thickness calculation and LCD liquid crystal display, then give the program design, which can realize the function of the measured thickness through the combination of software and hardware and give the error analysis.

This design has the advantages of controllable, small size,simple structure, recording the time of thickness measurement, working stability and high precision and so on. The finished design can be used to measure the concrete thickness of pavement and other occasions, which fully meets the requirements of design and has a good application prospects.

Keywords: Concrete ;Ultrasonic ;Thickness Measurement

目录

第1章 绪论 1

1.1设计的背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本设计的特点 2

1.4论文的结构安排 2

第2章 混凝土厚度测试仪总体方案设计 4

2.1方案的选择 4

2.2设计思路 5

2.3混凝土测厚系统的结构 5

第3章 超声波测厚度的原理 6

3.1 超声波的基本理论及应用 6

3.1.1 超声波的介绍 6

3.1.2 超声波的应用 6

3.2 超声波反射法测厚的原理 7

3.3 超声波换能器 8

3.3.1 超声波换能器的介绍 8

3.3.2 超声波换能器的工作原理 9

3.3.3 超声波耦合剂的选择 10

第4章 混凝土测厚系统硬件电路的设计 11

4.1 硬件电路的总体设计方案 11

4.2 控制模块的选择 11

4.2.1 单片机AT89C52 11

4.2.2 时钟电路 13

4.2.3 复位电路 14

4.3 电源电路 14

4.4 超声波发射电路 15

4.5 超声波接收电路 16

4.6 LCD显示电路 17

第5章 混凝土测厚系统软件的设计 18

5.1 系统主程序结构 19

5.2 系统子程序结构 20

5.2.1 厚度计算子程序 20

5.2.2 超声波发送子程序 20

5.2.3 LCD显示子程序 20

第6章 实物仿真及误差分析 22

6.1仿真结果及实物展示 22

6.2测量结果的误差分析 26

第7章 总结和展望 27

7.1工作总结 27

7.2展望 27

参考文献 29

附录A 电路原理图 30

附录B 元件清单 30

附录C 程序清单 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1设计的背景和意义

当下科技发展迅速，人们的生活水平以及现代化的工业生产水平越来越高。随着我国交通基础设施建设快速的发展，水泥路面、铁路、公路隧道以及桥梁等混凝土结构设施以前所未有的速度发展着，而且建设规模越来越大，质量也越来越好。这些混凝土结构往往起着至关重要的作用，其设计厚度如果达不到所需要求，就会严重影响整体结构的抗性与强度，带来工程隐患，甚至极有可能造成工程事故，为了防止这些安全隐患，混凝土的厚度检测就显得非常有意义了。拿我们平常见的最多的路面来说，混凝土以其抗压强度高、抗磨损、使用寿命长、价格低廉和稳定性好等诸多优势，在公路等领域有着广泛的应用^[1]。路面往往起着直接承载行人和车辆的作用，并抵御各种自然灾害如酸雨等的侵蚀，其厚度设计如果达不到要求，就会对路面的强度产生影响，当路面的强度不足以支撑其上的重量时，就会造成路面开裂、断板等危害，久而久之，就会产生安全隐患，所以对混凝土路面的厚度检测已成为必然趋势^[2]。然而，在实际测量过程中，水泥混凝土路面往往只存在着单一检测面，使得其厚度测量在检测过程中缺乏有效的方法。目前，广泛采用钻孔取芯的方式来测量水泥混凝土路面的厚度，这种传统的检测手段不仅存在着成本高、采样率低等问题，而且还要对测试后的路面进行修补等工作^[3][4]，所以迫切的需要一种无损和有效的检测手段来实现混凝土厚度的测试。本次混凝土厚度测试仪系统就是根据当前社会对路面检测的需求而设计的^[5]。

1.2国内外研究现状

人们对混凝土无损检测技术的研究与探索始于20世纪30年代初，随之并将其用于测量混凝土厚度等指标^[6]。1930年，科学家首次提出了用表面压痕法来检测混凝土的方法；1948年，斯密特（E.Schmid）研制出回弹仪并成功地运用在混凝土测试领域；到了1949年，加拿大的莱斯利（Leslie）和英国的琼斯（R.Jones）等人首先运用超声脉冲对混凝土进行检测并获得成功，开创了超声检测这一新的检测领域。20世纪60年代，声发射技术的出现大大改变了混凝土的检测手段，为声发射技术在混凝土结构检测领域中的应用奠定了可靠地基础^[7]。随后，罗马利亚的弗格瓦洛（I.Facaoaru）大胆地提出了一种多因素综合分析处理的方法来测量混凝土的厚度以及强度，他主要采用的是声速回弹法，这是前人无法想到的一种新的测试混凝土的途径^[8][9]。除了无损检测等方法外，其它半破损的检测手段如取芯法、拔出法等在实际的测试过程中也得到了广泛的应用，从而形成了破损检测和无损检测这两种较为完整的混凝土检测体系。通过前人的不断研究和探索，为以后混凝土无损检测技术的研究奠定了扎实的基础。

我国首次研究混凝土无损检测技术这一领域是在20世纪50年代中后期，而国外的研究已经有了很大的进展，所以我国先是引进国外的先进仪器——回弹仪和超声仪，并结合其工作原理和工程应用展开了研究工作^[11]。60年代初，我国已经在混凝土检测这一领域取得了重大的成就，其中就包括有回弹仪以及超声仪的自主批量生产；到了70年代，我国多次组织研究机构对混凝土结构的无损检测新技术进行研究与应用。80年代以后，相对比于刚开始研究混凝土无损检测的时候，我国在技术上以前所未有的速度发展着，并取得了大量的研究成果，产生了质的飞跃。现在已有的检测手段包括钻孔取芯法、回弹法和超声法等。自90年代以来，各种新兴的产业发展迅速，并被广泛的应用在各个领域，其中就包括有集成电子技术，微机技术特别是单片机技术等，雷达检测方法和红外成像技术等进入实用阶段，超声波检测手段也由模拟型号发展为数字型号，为检测的实用性与准确性提供了良好的基础^[12]。

1.3本设计的特点

本次毕业设计的任务是设计混凝土厚度测试仪，该测厚系统主要有以下几个特点：