基于單片機(jī)的超聲波多普勒測(cè)速設(shè)計(jì)

1、年在速度測(cè)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) 在許多測(cè)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?cè)O(shè)計(jì)了 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(cè)量精度亦在 可以接受的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；超聲波：?jiǎn)纹瑱C(jī)；混頻放大；差頻測(cè)量；模數(shù)轉(zhuǎn)換：濾波 整形 動(dòng)的波源前面，波被圧縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高，在運(yùn)動(dòng)的波源后相反的效應(yīng)，波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，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

2、以汁算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速 度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒 效應(yīng)。測(cè)速的公式簡(jiǎn)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 (1)當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)1少年易學(xué)老難成 把運(yùn)動(dòng)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 其中第式的情況在實(shí)際情況中不會(huì)出現(xiàn)，但是注意到兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的第 式中出 的運(yùn)動(dòng)速度。山上述推導(dǎo)公式可知，只要得到多普勒頻移信號(hào) f-fo, 即可求得物體的運(yùn)動(dòng)速度 Vr。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) 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(dòng)電路、

3、脈寬調(diào)制 電路、模擬多路 2 2 34 _ f ALE/PRQg Vcc Vss_ XTAI2 WFROG-w 線地址沖線 AD830A工 VR1占LT1014A卄A output 8 若輸入信號(hào)幻二刃 co s Q Ji九廣+丿，刃二屁 cosS f t + ?2 ), 則輸出信號(hào)為 由單片機(jī)發(fā)岀的激勵(lì)信號(hào) (頻率為 f)分為兩路，一路接 AD835 的 xl 端；另 一路接超聲波發(fā)生器，超聲波山運(yùn)動(dòng)物體放射回來后，山于多普勒效應(yīng)，頻率發(fā)(頻率為 F),將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并通過濾波放大后輸入 可以提取出多普勒頻移信號(hào) 和原信號(hào)進(jìn)級(jí)濾波器，就 3.5AD 轉(zhuǎn)換及頻率測(cè)量電路9 E ABC臼O 方

4、 ADC080999 幅 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。它山單一 +5V 電源供電，轉(zhuǎn)換模擬電壓范圉是 0+5V,不能轉(zhuǎn)換負(fù)電壓，山于多普勒頻移信號(hào) 是余弦信號(hào)，不能直接對(duì)該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以在信號(hào)輸入端接一個(gè)二極管，去號(hào)。雖然這樣會(huì)導(dǎo)致波形發(fā)生一定的變化，但是波形兩個(gè)峰值之間的變化，所以頻率不變，也就是說不會(huì)影響測(cè)量的精度。如圖，此 AD 轉(zhuǎn)換電路采用 74ALS373 作為地址鎖存器，對(duì)單片機(jī) 址信號(hào)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(cè)量之用。此外，電路圖中另一個(gè) 13

5、8譯碼器在輸入 信號(hào)與 器功能表。其中，這兩個(gè) 138譯碼器的地址信號(hào)都是接單片機(jī)的是說兩片 138譯碼器是同步的，這樣的好處是信號(hào)的轉(zhuǎn)換傳輸P1.5P1.7口，也就不會(huì)重疊和淤塞，提高另外，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)輸出的方波信號(hào)進(jìn)行分頻后送到 ADC0809 作為時(shí)鐘信號(hào)，由于本設(shè)計(jì)單片機(jī)ALE 端 頻之后才能接 ADC0809o 當(dāng)然，具體怎樣分頻還要考慮 采樣定理，假設(shè)超聲波發(fā)生器 10KHZ 左右，按照采樣定理，采樣信號(hào)的頻率 至少要是源信號(hào)最高頻率的 2倍，為了 HLLLLLHLLLHHLHLLHLHHLLHHHHLHLLH Y2 Y3

6、Y4 HHHHLHHLHHLHHHHHHY5HHHHHHHLHHY6HHHHHHHHLHY7HHHHHHHHHL測(cè)量頻率的方法一般分為無源測(cè)頻法、有源測(cè)頻法及電子計(jì)數(shù)法三種。無源 測(cè)頻）， 分為拍頻法和差頻法，前者是利用兩個(gè)信號(hào)線性疊加以產(chǎn)主拍頻現(xiàn)象，再 通過檢測(cè)零 疊加來產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，然后通過檢測(cè)零差現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)頻，常用于 高頻測(cè)量，誤差在 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(cè)量頻率范闔寬，精度高于實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率有測(cè)頻率法和測(cè)周期法兩種方法。測(cè)量要是在單位定時(shí)時(shí)間里對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；測(cè)量周期則是在被測(cè)信 少年易學(xué)老難成號(hào)一個(gè)周期時(shí)間里對(duì)某一基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)

7、。本設(shè)計(jì) ?采用的是測(cè)頻法，它主要是將被測(cè)頻率信號(hào)加到訃數(shù)器的訃數(shù)輸入端，然后讓計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 Tsi 內(nèi) fxi=Ni/Tsi O HYPERLINK l _bookmark1 2S匕 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，片選則決定山哪個(gè)數(shù)碼管顯示，這樣便可以顯示任意的山于對(duì)單片機(jī)的輸入輸出接口有限，所以只能用動(dòng)態(tài)掃描的方法來顯示所數(shù)據(jù)，這樣能節(jié)省輸入輸出接口，同時(shí)還能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。 4頻率測(cè)量程序流程圖N(a)中斷流程圖(b)頻率測(cè)量程丿了 ; 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

8、后單片機(jī)一 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(cè) TF1,當(dāng) 4.2其他部分的軟件設(shè)訃 都已經(jīng)被用在頻率測(cè)量中了，所以對(duì)于方波的產(chǎn)生就只能通過延時(shí)函數(shù)來實(shí) 再次調(diào)用延時(shí)函數(shù)。如此循環(huán)便能夠產(chǎn)生方波，方波的頻率山延時(shí) 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(hào)時(shí)，便開始 AD 轉(zhuǎn)換，之后單片機(jī)便檢測(cè) 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(cè)到 EOC 端為高 電平時(shí)，打開鎖存 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 存器實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)的

9、 I/O 接口有限，所以要通過動(dòng)態(tài)掃描的 方法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的顯 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(huì)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 通濾波器和低通濾波器后的噪聲將相對(duì)較小，再者，其對(duì)信號(hào)幅 度的影響并不會(huì)對(duì)頻率測(cè)量的精度造成影響。對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差的主要部分是 頻率測(cè)量師造成的誤差。 可見，在同樣的 TS1 下，測(cè)頻法 fx. 的低頻端，誤差遠(yuǎn)大于高頻端，故可以通過 我們?cè)诩ち业挠懻撝谢ハ鄬W(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) 寫設(shè)訃報(bào)告，

10、在我們的努力下終于順利完成了此次物理設(shè)計(jì)大賽計(jì)電路、有的撰 最終測(cè)得的速度只是瞬時(shí)速度，沒有能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度 時(shí)間曲線；用數(shù)碼管顯示測(cè)量所得數(shù)據(jù)過于簡(jiǎn)單，不能完成某些特殊的要求。在設(shè)計(jì)的過程中我們遇到了許多意想不到的困難，原本以為會(huì)很簡(jiǎn)單的一些 設(shè)計(jì)真正實(shí)現(xiàn)起來便會(huì)遇到很多不懂得地方。我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中學(xué)到了很 首先是懂得了團(tuán)隊(duì)合作的精神和合理分工的重要性；其此是增強(qiáng)了我們 力；再次，通過設(shè)訃加深了對(duì)學(xué)過的知識(shí)的理解和運(yùn)用；最后，提 搜索資料的能 高了對(duì)一些應(yīng)用軟 1 李光仲、劉俊英基于模擬乘法器的超聲多普勒黏度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)物理實(shí) 少征易學(xué)老難 陳國(guó)強(qiáng)，鄧明長(zhǎng)基于多普勒效應(yīng)的超聲波安防系統(tǒng)韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào) 周美娟，