基于單片機(jī)的超聲波多普勒測速設(shè)計(jì)

1、摘要在速度測量領(lǐng)域，利用多普勒效應(yīng)的設(shè)計(jì)不在少數(shù)。其中，多以激光多普勒測速設(shè)計(jì)或裝置為主，激光以其高強(qiáng)度、頻率單一、不易受到干擾等良好的性質(zhì)受到眾多多普勒測速設(shè)計(jì)者的青睞，以激光為波源做成的裝置具有測速范圍廣(410(-5)104米/秒)、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。但是，這種裝置一般而言價(jià)格比較昂貴，在許多測量精度要求不那么嚴(yán)格的地方的應(yīng)用受到了很大的限制。因此，我們設(shè)計(jì)了以超聲波作為波源結(jié)合單片機(jī)用以數(shù)據(jù)處理的方案，再加上其他一些必要的電子電路，可以把整個(gè)裝置集成到一塊pcb板上，以電池供電。這樣便解決了價(jià)格問題，提高了性價(jià)比，同時(shí)攜帶方便，測量精度亦在可以接受的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：多普勒

2、效應(yīng)；超聲波；單片機(jī)；混頻放大；差頻測量；模數(shù)轉(zhuǎn)換；濾波整形基于單片機(jī)的超聲波多普勒測速設(shè)計(jì)1前言1.1多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是指物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化，在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，在運(yùn)動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長變得較長，頻率變得較低，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大，根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運(yùn)動的速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 測速的公式簡介。多普勒效應(yīng)是本設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，深入的考慮，可基于超聲波多普勒效應(yīng)推導(dǎo)出移動物體的速度，具體公式如下：（1）當(dāng)波源靜止

3、，觀察者運(yùn)動時(shí) f=(u+vr)/uf0 （2）當(dāng)波源運(yùn)動，觀察著靜止時(shí) f=u/(u-vs)f0 （3）當(dāng)兩者同時(shí)運(yùn)動時(shí) f=(u+vr)/(u-vs)f0 由于超聲波的發(fā)生器和接收器是集中在一起的，所以當(dāng)運(yùn)動物體反射超聲波時(shí)，應(yīng)該把運(yùn)動物體當(dāng)做波源，而把超聲波接收器作為觀察者。這樣，就可以結(jié)合上述公式求出運(yùn)動物體的速度與多普勒頻移之間的關(guān)系，如下：（1）當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動時(shí) vr=(f0-f)/(f0+f)u （2）當(dāng)波源運(yùn)動，觀察者靜止時(shí) vs=(f0-f)/(f0+f)u （3）當(dāng)兩者相對運(yùn)動時(shí) vr=(f-f0)u2-(f+f0)vs/(f+f0)u+(f0-f)vsu 其中第式

4、的情況在實(shí)際情況中不會出現(xiàn)，但是注意到兩者相對運(yùn)動時(shí)的第式中出現(xiàn)了波源的運(yùn)動速度vs，這時(shí)就需要用第式先求出波源的運(yùn)動速度，進(jìn)而求出物體的運(yùn)動速度。由上述推導(dǎo)公式可知，只要得到多普勒頻移信號f-f0，即可求得物體的運(yùn)動速度vr。1.2單片機(jī)1.2.1單片機(jī)簡介單片機(jī)是一種集成在硅片上的電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器cpu隨機(jī)存儲器ram、只讀存儲器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖11.2.2 8051單片機(jī)在上個(gè)世

5、紀(jì)70年代末，美國intel公司從荷蘭philip公司購買了8031單片機(jī)的專利技術(shù)，生產(chǎn)了一系列8位的單片機(jī)，這一系列單片機(jī)按照片內(nèi)存儲器的種類的大小不同的好些品種，如8031，8051，8071等，其中8051是最典型最早的產(chǎn)品，該系列的其他單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼mcs51系列單片機(jī)。圖1是8051單片機(jī)的引腳及引腳功能圖，為雙列直插封裝，有40個(gè)引腳。片內(nèi)集成了一個(gè)8位微處理器cpu，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器ram和特殊功能寄存器sfr，片內(nèi)程序存儲器rom，兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0和t1，四個(gè)8位可編程的并行i/o端口，一個(gè)串行端口，

6、中斷控制系統(tǒng)和內(nèi)部時(shí)鐘電路。具有數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算等強(qiáng)大的功能。2設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理總分析2.1總體設(shè)計(jì)框圖顯示80c51單片機(jī)超聲波發(fā)生器超聲波接收探頭整形放大器帶通濾波器混頻電路低通濾波器a/d轉(zhuǎn)換圖2如圖2所示，本設(shè)計(jì)力求以最簡單的電路元件和電路設(shè)計(jì)去完成復(fù)雜的功能，多普勒測速的關(guān)鍵是如何求得多普勒頻移，只要通過各種電子電路求得多普勒頻移信號，即可根據(jù)前文所提到的公式求得運(yùn)動物體的速度。2.2總體設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)以超聲波作為探測信號，主要是由于超聲波具有方向性好、發(fā)射功率高、不易受到噪聲干擾等優(yōu)點(diǎn)，如圖2，由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)方波信號，該信號分為兩路，一路接超聲波發(fā)生器作為探測信號，另一路接混頻器以

7、待混頻之用。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)由運(yùn)動物體反射回來后，由超聲波接收探頭把聲波信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電信號，此時(shí)該信號為微弱的余弦信號，加上由于噪聲的干擾，波形會有一些失真，需經(jīng)整形放大器進(jìn)行整形放大，然后經(jīng)過帶通濾波器濾除過高或者過低的無用信號，進(jìn)入混頻器。在混頻器中該信號和單片機(jī)產(chǎn)生的另一路信號（波源信號）進(jìn)行混頻，混頻的原理是把輸入的兩路余弦信號相乘，相乘的結(jié)果會產(chǎn)生兩種頻率的余弦信號，分別是混頻的兩路信號的頻率之和與頻率之差，其中這一路差頻的余弦信號就是我們所需要的。由混頻器混頻后輸出的信號經(jīng)過一個(gè)低通濾波器濾除高頻信號后，剩下的即為包含多普勒頻移信號的余弦信號，再經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換

8、把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以處理的數(shù)字信號，然后利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能取出多普勒頻移信號，通過數(shù)據(jù)處理求出物體的運(yùn)動速度，最終經(jīng)顯示電路顯示出來。該設(shè)計(jì)思路簡單明了，所需電子元件和電子電路均較為常見，價(jià)格低廉，適宜批量化生產(chǎn)；以該思路制作而成的實(shí)驗(yàn)裝置，其測量精度能滿足日常生活以及精度要求不甚高的領(lǐng)域的測量需求，性價(jià)比較高。3硬件單元電路設(shè)計(jì)3.1超聲波發(fā)射電路圖3超聲波發(fā)射電路 單片機(jī)輸出的方波信號通過兩個(gè)反相器接入壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的一段，另一端接一個(gè)反相器后接方波信號，這樣便可以引起壓電晶體的諧振從而發(fā)出超聲波。壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)

9、共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。所以本設(shè)計(jì)中的超聲波發(fā)生器和超聲波接收探頭其實(shí)是同一個(gè)元件，只是超聲波接收探頭沒有外加脈沖信號而已。3.2整形放大電路圖4整形放大電路如圖4，該放大電路為高輸入阻抗的差動放大電路，輸入余弦電流信號在電阻r5上產(chǎn)生同頻的電壓降信號，電容c1為隔直電容，濾除輸入信號中的直流分量。經(jīng)過兩級tl082放大器

10、u1:a和u1:b放大，其中r2=r4，r1=r3，則：差動增益gd=1+r2/r3若取r2=10k，r3=1k，則差動增益gd=113.3帶通濾波器電路圖5帶通濾波器該濾波器為2階巴特沃斯帶通濾波器，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。本文中所采用的超聲波頻率為30khz，有上述多普勒頻移的公式可粗略算得多普勒頻移信號的頻率為10khz左右，也就是說，該帶通濾波器應(yīng)該設(shè)計(jì)為中心頻率為30khz，截止頻率分別為20khz和40khz的巴特沃斯帶通濾波器，圖5中的電阻值和電容值是按照上述數(shù)據(jù)計(jì)算所得，由于計(jì)算過程較為繁瑣，這里便不在贅述。3.4混頻器及低通濾波電路設(shè)計(jì)圖6混頻器及低

11、通濾波電路圖中，由四象限模擬乘法器ad835以及r1，vr1構(gòu)成混頻電路，調(diào)節(jié)vr1可以微調(diào)電路增益；混頻后信號輸入由u2:a，r2，r4和c1構(gòu)成的有緣低通濾波器和由r3，c2組成的rc低通濾波器，對信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大濾波。若輸入信號x1 = e1 co s (2f0 t +1 ) ， y1 =e2 cos (2ft +2 ) ，則輸出信號為w =1/2e1 e2 cos 2( f+ f0 ) t +2 +1 +cos 2( f- f0 ) t +2 - 1 。經(jīng)低通濾波器濾波后就只剩下差頻信號f- f0了。由單片機(jī)發(fā)出的激勵(lì)信號（頻率為f）分為兩路，一路接ad835的x1端；另一路接超聲

12、波發(fā)生器，超聲波由運(yùn)動物體放射回來后，由于多普勒效應(yīng)，頻率發(fā)生改變（頻率為f），將其轉(zhuǎn)換為電信號并通過濾波放大后輸入ad835的y1端，和原信號進(jìn)行混頻。ad835輸出的混頻信號經(jīng)過有源低通濾波和rc低通濾波兩級濾波器，就可以提取出多普勒頻移信號w=1/2e1 e2 cos 2( f- f0 ) t +2 - 1 以供后面的電路測量多普勒頻移信號。3.5ad轉(zhuǎn)換及頻率測量電路 圖7 ad轉(zhuǎn)換及頻率測量電路3.5.1ad轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)的ad轉(zhuǎn)換電路采用adc0809芯片，adc0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位ad轉(zhuǎn)換器，它是采用逐次逼近的方法完成ad轉(zhuǎn)換的。它由單一+5v電源供電，轉(zhuǎn)換模擬電壓

13、范圍是0+5v，不能轉(zhuǎn)換負(fù)電壓，由于多普勒頻移信號是余弦信號，不能直接對該信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以在信號輸入端接一個(gè)二極管，去除負(fù)電壓信號。雖然這樣會導(dǎo)致波形發(fā)生一定的變化，但是波形兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間距并沒有變化，所以頻率不變，也就是說不會影響測量的精度。如圖，此ad轉(zhuǎn)換電路采用74als373作為地址鎖存器，對單片機(jī)p0口輸出的地址信號進(jìn)行鎖存之后再送adc0809取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過74als138譯碼器送入單片機(jī)的p3.2口，以待頻率測量之用。此外，電路圖中另一個(gè)138譯碼器在輸入信號與adc0809之間，根據(jù)e1e3的地址信號把信號接到相應(yīng)的借口進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換。無論e1e3口的電平如何變化，任

14、何時(shí)刻輸出端都只有一路是導(dǎo)通的，見圖8：138譯碼器功能表。其中，這兩個(gè)138譯碼器的地址信號都是接單片機(jī)的p1.5p1.7口，也就是說兩片138譯碼器是同步的，這樣的好處是信號的轉(zhuǎn)換傳輸不會重疊和淤塞，提高了測量的精度。另外，注意到圖中還有一個(gè)74ls74雙d觸發(fā)器，它的作用是將由單片機(jī)ale端輸出的方波信號進(jìn)行分頻后送到adc0809作為時(shí)鐘信號，由于本設(shè)計(jì)單片機(jī)是采用11.0592mhz的晶振，ale端輸出的方波信號頻率時(shí)單片機(jī)晶振頻率的1/6，也就是接近2mhz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出adc0809最高允許的時(shí)鐘頻率1.2mhz，故需要對該時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻之后才能接adc0809。當(dāng)然，具體怎樣分頻

15、還要考慮采樣定理，假設(shè)超聲波發(fā)生器發(fā)出的頻率為30khz，最高能測量50m/s的速度，那么多普勒頻移信號的頻率大概為10khz左右，按照采樣定理，采樣信號的頻率至少要是源信號最高頻率的2倍，為了提高測量精度，我們把這個(gè)倍率提高到5倍，也就是50khz，那么就需要對ale端輸出的2mhz的信號進(jìn)行40分頻之后才能接adc0809，它的時(shí)鐘信號頻率也就是采樣信號的頻率。這樣便可以提高測量精度，減少誤差。圖8 138譯碼器功能表3.5.2頻率測量測量頻率的方法一般分為無源測頻法、有源測頻法及電子計(jì)數(shù)法三種。無源測頻法(又可分為諧振法和電橋法)，常用于頻率粗測，精度在1左右。有源比較法可分為拍頻法和差

16、頻法，前者是利用兩個(gè)信號線性疊加以產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，再通過檢測零拍現(xiàn)象進(jìn)行測頻，常用于低頻測量，誤差在零點(diǎn)幾hz；后者則利用兩個(gè)非線性信號疊加來產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，然后通過檢測零差現(xiàn)象進(jìn)行測頻，常用于高頻測量，誤差在20 hz左右。以上方法在測量范圍和精度上都有一定的不足，而電子計(jì)數(shù)法主要通過單片機(jī)進(jìn)行控制。由于單片機(jī)的較強(qiáng)控制與運(yùn)算功能，電子計(jì)數(shù)法的測量頻率范圍寬，精度高，易于實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)電子計(jì)數(shù)法測量頻率有測頻率法和測周期法兩種方法。測量頻率主要是在單位定時(shí)時(shí)間里對被測信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；測量周期則是在被測信號一個(gè)周期時(shí)間里對某一基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)采用的是測頻法，它主要是將被測頻率信號加到

17、計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，然后讓計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間ts1內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得的計(jì)數(shù)值n1。與被測信號的頻率fx1的關(guān)系如下： fx1=n1/ts13.6顯示電路圖9顯示電路 如圖 ，用74hc573鎖存器和74hc139譯碼器分別作為段選和片選，段選決定數(shù)碼管顯示的數(shù)字，片選則決定由哪個(gè)數(shù)碼管顯示，這樣便可以顯示任意的數(shù)字。由于對單片機(jī)的輸入輸出接口有限，所以只能用動態(tài)掃描的方法來顯示所要顯示的數(shù)據(jù)，這樣能節(jié)省輸入輸出接口，同時(shí)還能簡化電路設(shè)計(jì)。4軟件設(shè)計(jì)4.1頻率測量程序流程圖 開始初始化t1開外部中斷等待中斷響應(yīng)中斷中斷返回檢測p3.2口p3.2=1清空tf0t1開始計(jì)時(shí)t0開始計(jì)數(shù)關(guān)中斷tf1溢出t

18、0停止計(jì)數(shù)保存數(shù)據(jù)中斷返回yynn(a) 中斷流程圖 (b)頻率測量程序 圖10 測頻法流程圖圖10為測頻法測量多普勒頻移的流程圖，采用定時(shí)計(jì)數(shù)器t0和t1分別計(jì)數(shù)和定時(shí)。其中，程序開始時(shí)先為tf1初始化，也就是把初始數(shù)據(jù)裝入tf1，之后單片機(jī)一直檢測p3.2口，當(dāng)有信號輸入p3.2口時(shí)，清空tf0，同時(shí)t0開始計(jì)數(shù)，t1開始計(jì)時(shí)，關(guān)閉中斷，計(jì)數(shù)過程中不再響應(yīng)中斷，然后檢測tf1，當(dāng)tf1溢出，也就是計(jì)時(shí)時(shí)間到，此時(shí)要保存t0的計(jì)數(shù)值n1和t1的計(jì)時(shí)值ts1 ，進(jìn)而計(jì)算出所得頻率： fx1=n1/ts14.2其他部分的軟件設(shè)計(jì)通過軟件編程在p1.4口上輸出頻率為30khz的方波，由于定時(shí)計(jì)數(shù)器

19、t0、t1都已經(jīng)被用在頻率測量中了，所以對于方波的產(chǎn)生就只能通過延時(shí)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。也就是在一個(gè)循環(huán)體中先把p1.4口置為高電平，然后調(diào)用延時(shí)函數(shù)，把p1.4口取反，之后再次調(diào)用延時(shí)函數(shù)。如此循環(huán)便能夠產(chǎn)生方波，方波的頻率由延時(shí)時(shí)間來決定。ad轉(zhuǎn)換部分的軟件設(shè)計(jì)為通過軟件編程向adc0809的start端以及單片機(jī)的ale端輸入一個(gè)正脈沖信號時(shí)，便開始ad轉(zhuǎn)換，之后單片機(jī)便檢測eoc端，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后為高電平，當(dāng)單片機(jī)檢測到eoc端為高電平時(shí)，打開鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸入到輸出端。adc0809的輸出端通過一個(gè)138譯碼器和單片機(jī)的p3.2口相連，通過逐次改變138譯碼器的地

20、址輸入端的輸入信號來選通各個(gè)端口。把數(shù)字量輸入單片機(jī)，進(jìn)行頻率測量。另外，顯示電路也要通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)它的功能。具體做法為通過p1.0和p1.1口輸出地址信號通過74hc139作為片選，段選為通過p2口輸出信號通過74hc573鎖存器實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)的i/o接口有限，所以要通過動態(tài)掃描的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。5誤差分析本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)過程中的誤差來源主要有兩個(gè)，一個(gè)是超聲波探頭在接收過程中不可避免的會受到一些噪聲的影響；另一個(gè)則是由于計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)而引起的1誤差。其中第一個(gè)噪聲的影響對實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會產(chǎn)生較大的影響，原因是在經(jīng)過了帶通濾波器和低通濾波器后的噪聲將相對較小，再者，其對信號幅度的

21、影響并不會對頻率測量的精度造成影響。對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差的主要部分是頻率測量師造成的誤差。對于頻率測量造成的誤差，其相對誤差為：=1/n1=1/ts1fx1=fs1/fx1可見，在同樣的ts1下，測頻法fx1的低頻端，誤差遠(yuǎn)大于高頻端，故可以通過提高多普勒頻移信號的頻率來減小誤差。6.設(shè)計(jì)心得及體會本設(shè)計(jì)是在我們整個(gè)隊(duì)所有隊(duì)員的通力合作下完成的，在確定整體設(shè)計(jì)思想階段，我們在激烈的討論中互相學(xué)習(xí)，在咨詢老師的同時(shí)慢慢的一點(diǎn)一點(diǎn)的確定我們的整體設(shè)計(jì)；在具體設(shè)計(jì)階段，隊(duì)員之間各有分工，有的搜索資料、有的設(shè)計(jì)電路、有的撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，在我們的努力下終于順利完成了此次物理設(shè)計(jì)大賽的設(shè)計(jì)報(bào)告，充分享受團(tuán)隊(duì)合作帶給我們的樂趣。本設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；所用元器件均較為常見，價(jià)格便宜，性價(jià)