基于MCS51系列单片机的超声波多普勒测速设计.docVIP

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 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