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]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

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

G D=1+R2/R3

若取R2=10KΩ，R3=1KΩ，

则差动增益G D=11

3.3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，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

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 = E1 co s (2πf0 t +φ1 ) ， y1 =E2 cos (2πf’t +φ2 )，则输出信号为

W =1/2E1 E2 { 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’=1/2E1 E2 cos [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

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之间，根据E1~E3的地址信号把信号接到相应的借口进行AD转换。无论E1~E3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8：138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

P1.5~P1.7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。

图8 138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±20 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T s1内进行计数，所得的计数值N1。与被测信号的频率f x1的关系如下：

f x1=N1/T s1

3.6显示电路

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

(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T0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TF0，同时T0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T0的计数值N 1和T1的计时值T s1 ，进而计算出所得频率：

f x1=N 1/T s1

4.2其他部分的软件设计

N

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：

ε=±1/N1=±1/T s1f x1=±f s1/f x1

可见，在同样的T s1下，测频法f x1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.设计心得及体会

本设计是在我们整个队所有队员的通力合作下完成的，在确定整体设计思想

阶段，我们在激烈的讨论中互相学习，在咨询老师的同时慢慢的一点一点的确定我们的整体设计；在具体设计阶段，队员之间各有分工，有的搜索资料、有的设计电路、有的撰写设计报告，在我们的努力下终于顺利完成了此次物理设计大赛的设计报告，充分享受团队合作带给我们的乐趣。

本设计电路设计简单，易于实现；所用元器件均较为常见，价格便宜，性价比高；由误差分析可知，误差在可以接受的范围之内，测量精度较高，能够满足日常生活及精度要求不太高的场合的测速需要。但是由于能力有限，本设计尚有不足之处，例如：最终测得的速度只是瞬时速度，没有能够测量运动物体的速度—时间曲线；用数码管显示测量所得数据过于简单，不能完成某些特殊的要求。

在设计的过程中我们遇到了许多意想不到的困难，原本以为会很简单的一些电路设计真正实现起来便会遇到很多不懂得地方。我们在设计的过程中学到了很多东西：首先是懂得了团队合作的精神和合理分工的重要性；其此是增强了我们搜索资料的能力；再次，通过设计加深了对学过的知识的理解和运用；最后，提高了对一些应用软件如Proteus的操作能力，达到了学以致用的效果。

7参考文献

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