基于单片机超声波多普勒测速的设计

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]f0 ①

（2）当波源运动，观察着静止时

f=[u/(u-Vs)]f0 ②（3）当两者同时运动时

f=[(u+Vr)/(u-Vs)]f0 ③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’)]u ④（2）当波源运动，观察者静止时

Vs=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ⑤（3）当两者相对运动时

Vr={[(f’-f0)u2-(f’+f0)Vs]/[(f’+f0)u+(f0-f’)Vs]}u ⑥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1

1.2.2 8051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

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

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

图4整形放大电路