基于单片机的超声波多普勒测速设计

摘要在速度测量领域，利用多普勒效应的设计不在少数。其中，多以激光多普勒测速设计或装置为主，激光以其高强度、频率单一、不易受到干扰等良好的性质受到众多多普勒测速设计者的青睐，以激光为波源做成的装置具有测速范围广(4×10~(-5)～10~4米/秒)、空间分辨率高、动态响应快等优点。但是，这种装置一般而言价格比较昂贵，在许多测量精度要求不那么严格的地方的应用受到了很大的限制。因此，我们设计了以超声波作为波源结合单片机用以数据处理的方案，再加上其他一些必要的电子电路，可以把整个装置集成到一块PCB板上，以电池供电。这样便解决了价格问题，提高了性价比，同时携带方便，测量精度亦在可以接受的范围内。关键词：多普勒效应；超声波；单片机；混频放大；差频测量；模数转换；滤波整形基于单片机的超声波多普勒测速设计1前言1.1多普勒效应多普勒效应是指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化，在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，在运动的波源后面，产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，波源的速度越高，所产生的效应越大，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度，恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，这种现象称为多普勒效应。测速的公式简介。多普勒效应是本设计的理论依据，深入的考虑，可基于超声波多普勒效应推导出移动物体的速度，具体公式如下：（1）当波源静止，观察者运动时f=[(u+Vr)/u]f0①（2）当波源运动，观察着静止时f=[u/(u-Vs)]f0②（3）当两者同时运动时f=[(u+Vr)/(u-Vs)]f0③由于超声波的发生器和接收器是集中在一起的，所以当运动物体反射超声波时，应该把运动物体当做波源，而把超声波接收器作为观察者。这样，就可以结合上述公式求出运动物体的速度与多普勒频移之间的关系，如下：（1）当波源静止，观察者运动时Vr=[(f0-f’)/(f0+f’)]u④（2）当波源运动，观察者静止时Vs=[(f0-f’)/(f0+f’)]u⑤（3）当两者相对运动时Vr={[(f’-f0)u2-(f’+f0)Vs]/[(f’+f0)u+(f0-f’)Vs]}u⑥其中第⑤式的情况在实际情况中不会出现，但是注意到两者相对运动时的第⑥式中出现了波源的运动速度Vs，这时就需要用第⑤式先求出波源的运动速度，进而求出物体的运动速度。由上述推导公式可知，只要得到多普勒频移信号f-f0，即可求得物体的运动速度Vr。1.2单片机1.2.1单片机简介单片机是一种集成在硅片上的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。图11.2.28051单片机在上个世纪70年代末，美国INTEL公司从荷兰Philip公司购买了8031单片机的专利技术，生产了一系列8位的单片机，这一系列单片机按照片内存储器的种类的大小不同的好些品种，如8031，8051，8071等，其中8051是最典型最早的产品，该系列的其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。图1是8051单片机的引脚及引脚功能图，为双列直插封装，有40个引脚。片内集成了一个8位微处理器CPU，片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR，片内程序存储器ROM，两个定时/计数器T0和T1，四个8位可编程的并行I/O端口，一个串行端口，中断控制系统和内部时钟电路。具有数据处理和逻辑运算等强大的功能。2设计系统原理总分析2.1总体设计框图图2如图2所示，本设计力求以最简单的电路元件和电路设计去完成复杂的功能，多普勒测速的关键是如何求得多普勒频移，只要通过各种电子电路求得多普勒频移信号，即可根据前文所提到的公式求得运动物体的速度。2.2总体设计思路本设计以超声波作为探测信号，主要是由于超声波具有方向性好、发射功率高、不易受到噪声干扰等优点，如图2，由单片机产生一个方波信号，该信号分为两路，一路接超声波发生器作为探测信号，另一路接混频器以待混频之用。超声波发生器发出的超声波信号经由运动物体反射回来后，由超声波接收探头把声波信号转换为相应频率的电信号，此时该信号为微弱的余弦信号，加上由于噪声的干扰，波形会有一些失真，需经整形放大器进行整形放大，然后经过带通滤波器滤除过高或者过低的无用信号，进入混频器。在混频器中该信号和单片机产生的另一路信号（波源信号）进行混频，混频的原理是把输入的两路余弦信号相乘，相乘的结果会产生两种频率的余弦信号，分别是混频的两路信号的频率之和与频率之差，其中这一路差频的余弦信号就是我们所需要的。由混频器混频后输出的信号经过一个低通滤波器滤除高频信号后，剩下的即为包含多普勒频移信号的余弦信号，再经过A/D转换把模拟信号转变为单片机可以处理的数字信号，然后利用单片机的定时/计数器的定时功能取出多普勒频移信号，通过数据处理求出物体的运动速度，最终经显示电路显示显示80C51单片机超声波发生器超声波接收探头整形放大器带通滤波器混频电路低通滤波器A/D转换出来。该设计思路简单明了，所需电子元件和电子电路均较为常见，价格低廉，适宜批量化生产；以该思路制作而成的实验装置，其测量精度能满足日常生活以及精度要求不甚高的领域的测量需求，性价比较高。3硬件单元电路设计3.1超声波发射电路12U1:A74LS0434U1:B74LS0456U1:C74LS041312U1:D74LS041110U1:E74LS04R11kR21kLS1SPEAKERP1.4+5V图3超声波发射电路单片机输出的方波信号通过两个反相器接入压电超声波转换器的一段，另一端接一个反相器后接方波信号，这样便可以引起压电晶体的谐振从而发出超声波。压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。所以本设计中的超声波发生器和超声波接收探头其实是同一个元件，只是超声波接收探头没有外加脉冲信号而已。3.2整形放大电路32184U1:ATL08256784U1:BTL082R410kR510kR11kR31kR210kC11nFC21nFinputoutput+5V+5V-5V-5V图4整形放大电路如图4，该放大电路为高输入阻抗的差动放大电路，输入余弦电流信号在电阻R5上产生同频的电压降信号，电容C1为隔直电容，滤除输入信号中的直流分量。经过两级TL082放大器U1:A和U1:B放大，其中R2=R4，R1=R3，则：差动增益GD=1+R2/R3若取R2=10KΩ，R3=1KΩ，则差动增益GD=113.3带通滤波器电路32184U1:ATL08256784U1:BTL082R110kR210kR310kR410kR510kR610kC11nFC21nFC31nFC41nFinputoutput+5V+5V-5V-5V图5带通滤波器该滤波器为2阶巴特沃斯带通滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。本文中所采用的超声波频率为30KHZ，有上述多普勒频移的公式可粗略算得多普勒频移信号的频率为10KHZ左右，也就是说，该带通滤波器应该设计为中心频率为30KHZ，截止频率分别为20KHZ和40KHZ的巴特沃斯带通滤波器，图5中的电阻值和电容值是按照上述数据计算所得，由于计算过程较为繁琐，这里便不在赘述。3.4混频器及低通滤波电路设计X11X22Y13Y24OUT7V-5V+8U1AD830A321411U2:ALT1014AR12kR210kR310kR410kR51k1C1100nVR1S05K300C2100n+5V+5V-5V-5Vinput1input2(P1.4)output图6混频器及低通滤波电路图中，由四象限模拟乘法器AD835以及R1，VR1构成混频电路，调节VR1可以微调电路增益；混频后信号输入由U2:A，R2，R4和C1构成的有缘低通滤波器和由R3，C2组成的RC低通滤波器，对信号进行进一步的放大滤波。若输入信号x1=E1cos(2πf0t+φ1)，y1=E2cos(2πf’t+φ2)，则输出信号为W=1/2E1E2{cos[2π(f’+f0)t+φ2+φ1]+cos[2π(f’-f0)t+φ2-φ1]}。经低通滤波器滤波后就只剩下差频信号f’-f0了。由单片机发出的激励信号（频率为f）分为两路，一路接AD835的x1端；另一路接超声波发生器，超声波由运动物体放射回来后，由于多普勒效应，频率发生改变（频率为f’），将其转换为电信号并通过滤波放大后输入AD835的y1端，和原信号进行混频。AD835输出的混频信号经过有源低通滤波和RC低通滤波两级滤波器，就可以提取出多普勒频移信号W’=1/2E1E2cos[2π(f’-f0)t+φ2-φ1]以供后面的电路测量多普勒频移信号。3.5AD转换及频率测量电路XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U274ALS3732-1MSB21ADDB24ADDA25ADDC23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START62-58EOC7OUTPUTENABLE9CLOCK10VCC112-220GND132-7142-6152-8LSB172-4182-319IN228IN127IN026ALE22U3ADC0809A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U474ALS138A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U574ALS138D2Q5CLK3Q6S4R1U6:A74LS74231U7:A74LS02564U7:B74LS02D1DFLR140012U8:A74LS04图7AD转换及频率测量电路3.5.1AD转换本设计的AD转换电路采用ADC0809芯片，ADC0809是美国国家半导体公司生产的8位AD转换器，它是采用逐次逼近的方法完成AD转换的。它由单一+5V电源供电，转换模拟电压范围是0~+5V，不能转换负电压，由于多普勒频移信号是余弦信号，不能直接对该信号进行转换，所以在信号输入端接一个二极管，去除负电压信号。虽然这样会导致波形发生一定的变化，但是波形两个峰值之间的时间间距并没有变化，所以频率不变，也就是说不会影响测量的精度。如图，此AD转换电路采用74ALS373作为地址锁存器，对单片机P0口输出的地址信号进行锁存之后再送ADC0809取出相应的数据通过74ALS138译码器送入单片机的P3.2口，以待频率测量之用。此外，电路图中另一个138译码器在输入信号与ADC0809