基于单片机超声波多普勒测速的设计

1、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)104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

2、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

3、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)/uf o(2) 当波源运动，观察着静止时f=u/(u-Vs)f o(3) 当两者同时运动时f=(u+Vr)/(u-Vs)f 0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二(fo-f'/(fo+f 'u(2)当波源运动，观察者静止时Vs二(fo-f '/(fo+f'u(3)当两者相对

4、运动时Vr=(f 'o)u2-(f'fo)Vs/(f 'fo)u+(f(rf'Vsu其中第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 式中出现了波源的运动速度 Vs,这时就需要用第 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-fo, 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

5、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。fl.0 1 Fl 1 ?Fl,2 Fl.3 4 Fl 4 5Fl 5 Fl.S F1.7 m/F3.0 m/F3. L mo/F3.2 INTr/F3.3T0/F3.4 Tl_/F3.5 両 P3& M/F3. 7 KTALl 一KTA12 f33101112131415IB171919Vis 一 m403936：3736；35：3433 i aocsi 32：3130羽2E27'细2524£3；2221,一VccFO.OFO, 1 FLL2P0.3FO 4F

6、0.5P0.6FO 7WVff ALE/pro一吃TP2.6F2.5F2 4P2.3F2.2吃1P2.0Vcc -Vss一ItTALlRST/7rD E和畑" rSEH ALEfPKOG三二三口 a 地址燿总线 她址说线 nWn iJUHB口双功能口INTEL公司从荷兰Philip公司购买了 8031单1.2.2 8051单片机在上个世纪70年代末，美国片机的专利技术，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，女口 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

7、、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台匕如图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

8、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。A/D转换把模拟信号/计数器的定时功能 最终经显示电路显示在混频器中该信号和单片机

9、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 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 取出多普勒频移信号，通过数据处理求出物体的运动速度，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

10、价比较高。3硬件单元电路设计 3.1超声波发射电路+5V4P1.4 |>U1:AA74LS04U1:C74LS04R1U1kU1:D74LS04U1:B)>74LS04U1:E74LS04LS1QSPEAKERR21k3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

11、 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U1:AC1R2I I+5V 10kU1:Binput A1nFR410k3214V-5V+5VR11kA8TL082C21nF7*_O output48V-5VR510kTL082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

12、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，贝U: 差动增益Gd=1+R2/R3若取 R2=10K Q，R3=1K Q，则差动增益Gd=113.3带通滤波器电路图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，

13、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+5VA+5VU2:Ainp ut1 >input2(P1.4) l>X1 V+X2OUTY1Y2 V-R2R310k4 out putR5AD830AV-5V R1 1k11 2kVR1LT1014AR4-5V亠C2100n8 U110kC1100n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

14、步的放大滤波。若输入信号 x1 = E1 co s (2 n f 0 t + © 1 ) , y 1 =E2 cos (2 n f ' t + 2 ), 则输出信号为W=1/2E1 E2 cos 2n ( f'+ fo ) t +© 2 + © 1 +cos 2n ( f'-fo ) t +© 2 - © 1 。经低通滤波器滤波后就只剩下差频信号f- fo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

15、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'1/2E1 E2 cos 2n ( f - fo ) t + © 2 - © 1 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U7:A匸74LS02U7:Bc1716151413102827262324232221323334 53637 38j980C51U8:A74LS04P3.7/RDP1.7P3.6/WR-P1.6P3.5/T1P1.5P3.4/T

16、0P1.4P3.3/INT1P1.3P3.2/INT0P1.2P3.1/TXDP1.1P3.0/RXDP1.0P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13EAP2.4/A12ALEP2.3/A11P SENP2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8P0.7/AD7RSTP0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3XTAL2P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD0XTAL1 4918198TK31 -730- 29"U51TTAY0BY1CY2Y3Y4E1Y5E2Y6 E3Y7 r15674ALS138U234L81314TT- TB1D0Q0D1Q1

17、Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7OELE2569-U374ALS37313-TT-18-1820 212223；25VREF(-) VREF(+)GNDVCC2 -8LSBCLOCK2 -7OUTPUT ENABLE2 -6EOC2 -5START2 -42 -3IN72 -2IN62 -1MSBIN5IN4ALEIN3add cIN2ADD BIN1ADD AIN0ADC0809D S QF CLKR QU6:A51611TO9r6U45749310"211"11228 P26DFLR1400Y7E3Y6E2Y5E1Y4Y3Y2CY1BY0A74ALS1387

18、4LS74图7 AD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A

19、DC0809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之间，根据E1E3的地址信号把信号接到相应的借口进行 AD转 换。无论E1E3口的电平如何变化，任何时刻输出端都只有一路是导通的，见图 & 138译码器功能表。其中，这两个138译码器的地址信号都是接单片机的 P1.5P1.7口，也就是说两片138译码器是同步的，这样的好处是信号的转换传输 不会重叠和淤塞，提高了测量的精度。另外，注意到图中还有一个74LS74双D触发器，它的作用是将由单片机ALE 端输出的方波信号进行分频后送到

20、ADC0809作为时钟信号，由于本设计单片机 是采用11.0592MHZ的晶振，ALE端输出的方波信号频率时单片机晶振频率的 1/6,也就是接近2MHZ，远远超出ADC0809最高允许的时钟频率1.2MHZ，故需 要对该时钟信号进行分频之后才能接 ADC0809。当然，具体怎样分频还要考虑 采样定理，假设超声波发生器发出的频率为 30KHZ，最高能测量50m/s的速度， 那么多普勒频移信号的频率大概为10KHZ左右，按照采样定理，采样信号的频率 至少要是源信号最高频率的2倍，为了提高测量精度，我们把这个倍率提高到 5 倍，也就是50KHZ，那么就需要对ALE端输出的2MHZ的信号进行40分频之

21、后才 能接ADC0809，它的时钟信号频率也就是采样信号的频率。这样便可以提高测 量精度，减少误差。InputsOutputsEnableSelect 1 2*CBAYOY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7XHXXHHHHHHHHLXXXHHHHHHHHHLLLLHHHHHHHHLLHHLHHHHHHHLLLHHLHHHHHHLLHHHHLHHHHHLHLHHHHLHHHHLHLHHHHHHLHHHLHHLHHHHHHLHHLHHHHHHHHHHL图8138译码器功能表3.5.2频率测量测量频率的方法一般分为无源测频法、 有源测频法及电子计数法三种。无源 测频法（又可分为谐振法和电桥法），常用于频率粗

22、测，精度在1 %左右。有源比 较法可分为拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几Hz;后者则利用两个非线性信号叠加来产生差频现象， 然后通过检测零差现象进行测频，常用于 高频测量，误差在 坐0 Hz左右。以上方法在测量范围和精度上都有一定的不足， 而电子计数法主要通过单片机进行控制。由于单片机的较强控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高， 易于实现。用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。 测量 频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数；测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时

23、钟脉冲进行计数。本设计采用的是测频法，它主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在标准时间Ts1内进行计数，所得的计数值Ni。与被测信号的频率fxi的关系如下:fxi =N i/T si3.6显示电路U1191829303112-4-6.XTAL1P0.0/AD0P 0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P 2.0/A8P 2.1/A9P 2.2/A10PSENP 2.3/A11ALEEAP2.4/A12P2.5/A13P 2.6/A14P2.7/A15P 1.0P 3.0/RXDP 1.1

24、P 3.1/TXDP 1.2P 3.2/INT0P 1.3P3.3/INTP 1.4P 3.4/T0P 1.5P 3.5/T1P 1.6P3.6/WR-P 1.7P 3.7/RDU2212223234245256267278289D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7LEOE-74HC5731111918171615TT13TT80C51AY0AB10Y1Y2-CEY3U3:A4弓T723<174HC139图9显示电路如图，用74HC573锁存器和74HC139译码器分别作为段选和片选，段选 决定数码管显示的数字，片选则决定由哪个数码管显示，这样便可以显示任意的

25、 数字。由于对单片机的输入输出接口有限，所以只能用动态扫描的方法来显示所 要显示的数据，这样能节省输入输出接口，同时还能简化电路设计。4.软件设计4.1频率测量程序流程图N(a)中断流程图(b)频率测量程序图10测频法流程图图10为测频法测量多普勒频移的流程图，采用定时计数器 TO和T1分别计数和定时。其中，程序开始时先为TF1初始化，也就是把初始数据装入TF1，之后单片机一直检测P3.2 口，当有信号输入P3.2 口时，清空TFO,同时TO开始计数，T1开始计时，关闭中断，计数过程中不再响应中断，然后检测 TF1，当TF1溢出，也就是计时时间到，此时要保存TO的计数值Ni和T1的计时值Ts1

26、 , 进而计算出所得频率:fxi=Ni/Tsi4.2其他部分的软件设计通过软件编程在 P1.4 口上输出频率为 30KHZ 的方波，由于定时计数器 T0、 T1 都已经被用在频率测量中了，所以对于方波的产生就只能通过延时函数来实 现。也就是在一个循环体中先把 P1.4 口置为高电平，然后调用延时函数，把P1.4 口取反， 之后再次调用延时函数。 如此循环便能够产生方波， 方波的频率由延时 时间来决定。AD转换部分的软件设计为通过软件编程向 ADC0809的START端以及单片 机的 ALE 端输入一个正脉冲信号时，便开始 AD 转换，之后单片机便检测 EOC 端，开始转换时为低电平，转换结束后

27、为高电平，当单片机检测到 EOC 端为高 电平时，打开锁存器，将转换结果的数字量输入到输出端。 ADC0809 的输出端 通过一个138译码器和单片机的P3.2 口相连，通过逐次改变138译码器的地址 输入端的输入信号来选通各个端口。把数字量输入单片机，进行频率测量。另外，显示电路也要通过软件编程来实现它的功能。具体做法为通过 P1.0 和P1.1 口输出地址信号通过74HC139作为片选，段选为通过 P2 口输出信号通 过 74HC573 锁存器实现。由于单片机的 I/O 接口有限，所以要通过动态扫描的 方法实现数码管的显示。5误差分析本设计在实现过程中的误差来源主要有两个， 一个是超声波探头在接收过程 中不可避免的会受到一些噪声的影响； 另一个则是由于计数器只能进行整数计数 而引起的 ±1 误差。其中第一个噪声的影响对实验结果不会产生较大的影响，原 因是在经过了带通滤波器和低通滤波器后的噪声将相对较小， 再者，其对信号幅 度的影响并不会对频率测量的精度造成影响。 对测量结果产生误差的主要部分是 频率测量师造成的误差。对于频率测量造成的误差，其相对误差为：£ =±/Nl = ±/Tslfx1=±Sl/fx1可见，在同样的Ts1下，测频法fx1的低频端，误差远大于高频端，故可以通过 提高多普勒频移信号的频率来减小误差。6.