基于單片機的超聲波多普勒測速設計

1、摘要在速度測量領域，利用多普勒效應的設計不在少數。其中，多以激光多普勒測速設計或裝置為主，激光以其高強度、頻率單一、不易受到干擾等良好的性質受到眾多多普勒測速設計者的青睞，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)響應快等優(yōu)點。但是，這種裝置一般而言價格比較昂貴，在許多測量精度要求不那么嚴格的地方的應用受到了很大的限制。因此，我們設計了以超聲波作為波源結合單片機用以數據處理的方案，再加上其他一些必要的電子電路，可以把整個裝置集成到一塊pcb板上，以電池供電。這樣便解決了價格問題，提高了性價比，同時攜帶方便，測量精度亦在可以接受的范圍內。關鍵詞：多普勒

2、效應；超聲波；單片機；混頻放大；差頻測量；模數轉換；濾波整形基于單片機的超聲波多普勒測速設計1前言1.1多普勒效應多普勒效應是指物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化，在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，在運動的波源后面，產生相反的效應，波長變得較長，頻率變得較低，波源的速度越高，所產生的效應越大，根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度，這種現象稱為多普勒效應。 測速的公式簡介。多普勒效應是本設計的理論依據，深入的考慮，可基于超聲波多普勒效應推導出移動物體的速度，具體公式如下：（1）當波源靜止

3、，觀察者運動時 f=(u+vr)/uf0 （2）當波源運動，觀察著靜止時 f=u/(u-vs)f0 （3）當兩者同時運動時 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，所以當運動物體反射超聲波時，應該把運動物體當做波源，而把超聲波接收器作為觀察者。這樣，就可以結合上述公式求出運動物體的速度與多普勒頻移之間的關系，如下：（1）當波源靜止，觀察者運動時 vr=(f0-f)/(f0+f)u （2）當波源運動，觀察者靜止時 vs=(f0-f)/(f0+f)u （3）當兩者相對運動時 vr=(f-f0)u2-(f+f0)vs/(f+f0)u+(f0-f)vsu 其中第式

4、的情況在實際情況中不會出現，但是注意到兩者相對運動時的第式中出現了波源的運動速度vs，這時就需要用第式先求出波源的運動速度，進而求出物體的運動速度。由上述推導公式可知，只要得到多普勒頻移信號f-f0，即可求得物體的運動速度vr。1.2單片機1.2.1單片機簡介單片機是一種集成在硅片上的電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器cpu隨機存儲器ram、只讀存儲器rom、多種i/o口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、a/d轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。圖11.2.2 8051單片機在上個世

5、紀70年代末，美國intel公司從荷蘭philip公司購買了8031單片機的專利技術，生產了一系列8位的單片機，這一系列單片機按照片內存儲器的種類的大小不同的好些品種，如8031，8051，8071等，其中8051是最典型最早的產品，該系列的其他單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習慣于用8051來稱呼mcs51系列單片機。圖1是8051單片機的引腳及引腳功能圖，為雙列直插封裝，有40個引腳。片內集成了一個8位微處理器cpu，片內數據存儲器ram和特殊功能寄存器sfr，片內程序存儲器rom，兩個定時/計數器t0和t1，四個8位可編程的并行i/o端口，一個串行端口，

6、中斷控制系統和內部時鐘電路。具有數據處理和邏輯運算等強大的功能。2設計系統原理總分析2.1總體設計框圖顯示80c51單片機超聲波發(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轉換圖2如圖2所示，本設計力求以最簡單的電路元件和電路設計去完成復雜的功能，多普勒測速的關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，即可根據前文所提到的公式求得運動物體的速度。2.2總體設計思路本設計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，如圖2，由單片機產生一個方波信號，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)出的超聲波信號經由運動物體反射回來后，由超聲波接收探頭把聲波信號轉換為相應頻率的電信號，此時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，需經整形放大器進行整形放大，然后經過帶通濾波器濾除過高或者過低的無用信號，進入混頻器。在混頻器中該信號和單片機產生的另一路信號（波源信號）進行混頻，混頻的原理是把輸入的兩路余弦信號相乘，相乘的結果會產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過一個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，再經過a/d轉換

8、把模擬信號轉變?yōu)閱纹瑱C可以處理的數字信號，然后利用單片機的定時/計數器的定時功能取出多普勒頻移信號，通過數據處理求出物體的運動速度，最終經顯示電路顯示出來。該設計思路簡單明了，所需電子元件和電子電路均較為常見，價格低廉，適宜批量化生產；以該思路制作而成的實驗裝置，其測量精度能滿足日常生活以及精度要求不甚高的領域的測量需求，性價比較高。3硬件單元電路設計3.1超聲波發(fā)射電路圖3超聲波發(fā)射電路 單片機輸出的方波信號通過兩個反相器接入壓電超聲波轉換器的一段，另一端接一個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。壓電超聲波轉換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。它有兩個壓電晶片和一個

9、共振板。當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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接受轉換器。超聲波發(fā)射轉換器與接受轉換器其結構稍有不同。所以本設計中的超聲波發(fā)生器和超聲波接收探頭其實是同一個元件，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是通頻帶的頻率響應曲線最平滑。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，該帶通濾波器應該設計為中心頻率為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據計算所得，由于計算過程較為繁瑣，這里便不在贅述。3.4混頻器及低通濾波電路設計圖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構成混頻電路，調節(jié)vr1可以微調電路增益；混頻后信號輸入由u2:a，r2，r4和c1構成的有緣低通濾波器和由r3，c2組成的rc低通濾波器，對信號進行進一步的放大濾波。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 。經低通濾波器濾波后就只剩下差頻信號f- f0了。由單片機發(fā)出的激勵信號（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，超聲波由運動物體放射回來后，由于多普勒效應，頻率發(fā)生改變（頻率為f），將其轉換為電信號并通過濾波放大后輸入ad835的y1端，和原信號進行混頻。ad835輸出的混頻信號經過有源低通濾波和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轉換及頻率測量電路 圖7 ad轉換及頻率測量電路3.5.1ad轉換本設計的ad轉換電路采用adc0809芯片，adc0809是美國國家半導體公司生產的8位ad轉換器，它是采用逐次逼近的方法完成ad轉換的。它由單一+5v電源供電，轉換模擬電壓

13、范圍是0+5v，不能轉換負電壓，由于多普勒頻移信號是余弦信號，不能直接對該信號進行轉換，所以在信號輸入端接一個二極管，去除負電壓信號。雖然這樣會導致波形發(fā)生一定的變化，但是波形兩個峰值之間的時間間距并沒有變化，所以頻率不變，也就是說不會影響測量的精度。如圖，此ad轉換電路采用74als373作為地址鎖存器，對單片機p0口輸出的地址信號進行鎖存之后再送adc0809取出相應的數據通過74als138譯碼器送入單片機的p3.2口，以待頻率測量之用。此外，電路圖中另一個138譯碼器在輸入信號與adc0809之間，根據e1e3的地址信號把信號接到相應的借口進行ad轉換。無論e1e3口的電平如何變化，任

14、何時刻輸出端都只有一路是導通的，見圖8：138譯碼器功能表。其中，這兩個138譯碼器的地址信號都是接單片機的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74ls74雙d觸發(fā)器，它的作用是將由單片機ale端輸出的方波信號進行分頻后送到adc0809作為時鐘信號，由于本設計單片機是采用11.0592mhz的晶振，ale端輸出的方波信號頻率時單片機晶振頻率的1/6，也就是接近2mhz，遠遠超出adc0809最高允許的時鐘頻率1.2mhz，故需要對該時鐘信號進行分頻之后才能接adc0809。當然，具體怎樣分頻

15、還要考慮采樣定理，假設超聲波發(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的信號進行40分頻之后才能接adc0809，它的時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數法三種。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，前者是利用兩個信號線性疊加以產生拍頻現象，再通過檢測零拍現象進行測頻，常用于低頻測量，誤差在零點幾hz；后者則利用兩個非線性信號疊加來產生差頻現象，然后通過檢測零差現象進行測頻，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，而電子計數法主要通過單片機進行控制。由于單片機的較強控制與運算功能，電子計數法的測量頻率范圍寬，精度高，易于實現。用單片機電子計數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時間里對被測信號脈沖進行計數；測量周期則是在被測信號一個周期時間里對某一基準時鐘脈沖進行計數。本設計采用的是測頻法，它主要是將被測頻率信號加到

17、計數器的計數輸入端，然后讓計數器在標準時間ts1內進行計數，所得的計數值n1。與被測信號的頻率fx1的關系如下： 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，段選決定數碼管顯示的數字，片選則決定由哪個數碼管顯示，這樣便可以顯示任意的數字。由于對單片機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據，這樣能節(jié)省輸入輸出接口，同時還能簡化電路設計。4軟件設計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中斷中斷返回檢測p3.2口p3.2=1清空tf0t1開始計時t0開始計數關中斷tf1溢出t

18、0停止計數保存數據中斷返回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，采用定時計數器t0和t1分別計數和定時。其中，程序開始時先為tf1初始化，也就是把初始數據裝入tf1，之后單片機一直檢測p3.2口，當有信號輸入p3.2口時，清空tf0，同時t0開始計數，t1開始計時，關閉中斷，計數過程中不再響應中斷，然后檢測tf1，當tf1溢出，也就是計時時間到，此時要保存t0的計數值n1和t1的計時值ts1 ，進而計算出所得頻率： fx1=n1/ts14.2其他部分的軟件設計通過軟件編程在p1.4口上輸出頻率為30khz的方波，由于定時計數器

19、t0、t1都已經被用在頻率測量中了，所以對于方波的產生就只能通過延時函數來實現。也就是在一個循環(huán)體中先把p1.4口置為高電平，然后調用延時函數，把p1.4口取反，之后再次調用延時函數。如此循環(huán)便能夠產生方波，方波的頻率由延時時間來決定。ad轉換部分的軟件設計為通過軟件編程向adc0809的start端以及單片機的ale端輸入一個正脈沖信號時，便開始ad轉換，之后單片機便檢測eoc端，開始轉換時為低電平，轉換結束后為高電平，當單片機檢測到eoc端為高電平時，打開鎖存器，將轉換結果的數字量輸入到輸出端。adc0809的輸出端通過一個138譯碼器和單片機的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端口。把數字量輸入單片機，進行頻率測量。另外，顯示電路也要通過軟件編程來實現它的功能。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鎖存器實現。由于單片機的i/o接口有限，所以要通過動態(tài)掃描的方法實現數碼管的顯示。5誤差分析本設計在實現過程中的誤差來源主要有兩個，一個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；另一個則是由于計數器只能進行整數計數而引起的1誤差。其中第一個噪聲的影響對實驗結果不會產生較大的影響，原因是在經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。對測量結果產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.設計心得及體會本設計是在我們整個隊所有隊員的通力合作下完成的，在確定整體設計思想階段，我們在激烈的討論中互相學習，在咨詢老師的同時慢慢的一點一點的確定我們的整體設計；在具體設計階段，隊員之間各有分工，有的搜索資料、有的設計電路、有的撰寫設計報告，在我們的努力下終于順利完成了此次物理設計大賽的設計報告，充分享受團隊合作帶給我們的樂趣。本設計電路設計簡單，易于實現；所用元器件均較為常見，價格便宜，性價