基于STC15的微波检测系统设计

姜吴昊 林为政

摘 要：针对无损探测工件厚度成本高等问题，本文设计了一款基于STC15单片机的微波检测系统，其硬件包括：信号发生器、幅相检测模块、AD转换模块等，并在硬件系统上搭建了相应的软件，能实现工件的厚度检测和报警等功能。

关键词：微波;无损检测;单片机

随着科技以及各种传感器的发展，无损探测技术也朝着日新月异的方向发展。[1]微波检测技术也拓展到了各个行业进行着各式各样的产品检测，微波是特殊波长的电磁波，[2]其具有穿透性、发射性等物理性质，目前常用于通讯、加热、遥感检测等。在工厂工件的加工生产中，许多地方都需要较高精度的厚度检测。传统的检测设备基本都为接触式测量，而其余许多非接触式测量方式如：视觉、热红外、射线等成本较高或精度不太高。本文基于STC15L2K60S2系列单片机[3]设计了一款成本较低、具有较高精度的微波探测系统。

1 方案与原理

微波检测方法有多种，按照原理分可分为穿透法、反射法、散射法等。[4]本文主要针对非金属工件的厚度检测设计了一套微波穿透视检测方案。原理图如图1所示。主要通过工件本身的介电常数不同，會影响电磁波的传播。主要工作过程：通过过信号源发射微波传输到发射探头，发射出的电磁波穿透工件后被接收探头接收，通过幅相检测器检测电磁波信号的信号衰弱与相位偏差来得知被测物体的厚度。

探头的应布置在一个相聚l并正对的位置，每次将工件放置在两个探头中间的位置。若标准件的厚度为d，被测的工件的厚度为d+Δd，若传入标准工件时，电磁波在两个探头中间传播时间t1 可看成电磁波在空气中传播的时间加上在工件中传播的时间，即：

2 硬件设计

检测系统的整体硬件结构如图2所示，其中包括：高频信号源、幅相检测模块、AD转化模块、以及蜂鸣器、按钮、LCD12864等外围设备。

信号源采用ADI公司的ADF4350锁相环芯片，其主要特征为内部集成VCO能输出频率为2.2GHz到4.4GHz，经过1/2/4/8/16分频后能输出135MHz到4.4GHz的电磁波;包含4/5、8/9的可编程双模预分频计数器与小数N分频与整数N分频频率合成器。主要原理与一般锁相环原理相同，将锁相环输出频率与预设频率进行对比，通过鉴相器输出的电压值控制压控振荡器并决定整个信号源的输出频率。对信号频率改变操作主要通过更改内部寄存器进行设置，针对不同的被测物输出频率也不同，先设置一个初始值2.5GHz，寄存器设置分别为：

幅相检测模块同样采用ADI公司的AD8302信号处理芯片，其能将两个精密的对数检波器集成在一起，能测量频率低于27GHz的两个输入信号的幅相差异，并将误差源与温度偏移降到最低。幅相检测模块同样采用ADI公司的AD8302信号处理芯片，其能精确地检测两个信号（包括射频RF、中频IF、低频信号）的相位差、增益以及频率，广泛用于通讯等。AD8302将两个精密的对数检波器集成在一起，能测量频率低于2.7GHz的两个输入信号的幅相差异，并将误差源与温度偏移降到最低。

检测系统采用STC15L2K单片机作为中央处理器，芯片自带模拟口可采集传感器及其它模块的模拟电压值，电可擦可编程只读存储器（EEPROM）能将采集的数据进行存储，还有其余人机交互的外围设备如12864液晶显示模块、蜂鸣器和按键模块等功能模块。

3 程序设计

单片机程序设计框图如图3所示，首先应先通过一个光点传感器检测工件是否放入，若有放入，其连接单片机的引脚至高位，检测开始，通过幅相检测模块检测两个信号的幅值比和相位差。在进行检测前，应通过测试并设定阈值，检测时通过检测到的值与阈值对比。若超过阈值，则发生警报等。

4 总结展望

本文开发了一款新的厚度检测系统，方案上采用通过锁相环发射高频正弦波，通过检测信号的幅值比和相位差来检测工件的厚度;硬件上将信号源、幅相检测模块、AD转换、LCD等集成在STC15单片机上，成本低廉;软件上能实现误差数值显示，报警等功能。

参考文献：

[1]高铁成，郭恒飞，赵传阵，等.航天复合材料无损检测技术的发展现状[J].天津工业大学学报，2017，36（1）：71-76.

[2]中间层碳纤维方向的微波无损检测实验研究[J].功能材料，2017，48（5）：5061-5064.

[3]张慧，王坤峰，王飞跃.深度学习在目标视觉检测中的应用进展与展望[J].自动化学报，2017，43（8）：1289-1305.

[4]郭占苗.基于STC15F2K60S2单片机波形发生器设计[J].国外电子测量技术，2017，36（7）：98-102.