蘭羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

超聲波測(cè)速設(shè)備可以在雨、雪、霧等各種惡劣環(huán)境下工作，并且系統(tǒng)制作簡(jiǎn)便、成本低[1]。超聲波測(cè)速分為時(shí)差法和頻差法，時(shí)差法多用于低速測(cè)量，而頻差法則多用于高速測(cè)量[2]?，F(xiàn)有的超聲波測(cè)速系統(tǒng)中，要么是單一的時(shí)差法測(cè)速，要么是單一的頻差法測(cè)速，當(dāng)被測(cè)速度變化范圍較大時(shí)，采取這種單一的地測(cè)速方法導(dǎo)致的測(cè)量精度下降，本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，將時(shí)差法測(cè)速和頻差法測(cè)速集成在同一套系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了兩種方法的同時(shí)測(cè)量。

1 超聲波測(cè)速原理

1.1 時(shí)差法測(cè)速

時(shí)差法測(cè)速適用于低速運(yùn)動(dòng)物體，設(shè)第一次從超聲波發(fā)射到接收的時(shí)間為Δt1，收到回波信號(hào)后再發(fā)一次超聲波信號(hào)，第二次的收發(fā)間隔時(shí)間為Δt2。則第一次超聲波信號(hào)到達(dá)物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為S1，第二次超聲波信號(hào)到達(dá)物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為S2，則物體的運(yùn)動(dòng)速度如下所示[3]：

1.2 頻差法測(cè)速

多普勒效應(yīng)是頻差法測(cè)速[4]的理論依據(jù)，設(shè)聲速為c，被測(cè)物體速度為v，當(dāng)超聲波探頭B1發(fā)射的超聲波束遇到以速度v移動(dòng)的物體時(shí)，因多普勒效應(yīng)原理，超聲波探頭B2收到的超聲波頻率f0發(fā)生變化，接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差Δf＝|f0－f|，多普勒頻移值為：

由（2）式可得物體速度為

由公式（3）可知，只要得到多普勒頻移信號(hào)Δf，即可求得物體的運(yùn)動(dòng)速度v。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)超聲波的多普勒頻移是利用對(duì)運(yùn)動(dòng)物體反射回來的回波信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)時(shí)，從而得出回波信號(hào)頻率。

2 超聲波測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)速系統(tǒng)如圖2，系統(tǒng)以單片機(jī)89C51為主控模塊，加上超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊以及顯示模塊這幾個(gè)模塊組成[4]。系統(tǒng)中超聲波發(fā)射模塊采用單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的40 kHz方波信號(hào)，由按鍵控制超聲波的發(fā)射，接收模塊則是負(fù)責(zé)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析然后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，單片機(jī)運(yùn)算完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊進(jìn)行顯示。

圖1 超聲波測(cè)速原理框圖Fig.1 Ultrasonic velocity measurement principle diagram

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。系統(tǒng)采用分體式單晶直探頭，超聲波探頭型號(hào)為TCT40T/R（直徑16 mm），TC—壓電陶瓷超聲波傳感器；T—通用性；T—發(fā)射/R—接收[5]。探頭外形如圖2，其有效范圍比較大，高性價(jià)比；其中心頻率為40 kHz。相關(guān)參數(shù)如下：

圖2 超聲波探頭外形Fig.2 Ultrasonic probe shape

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器B1構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40 kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間[4]。

圖3 超聲波發(fā)射電路Fig.3 Ultrasonic transmitter circuit

2.3 超聲波檢測(cè)接收電路

超聲波信號(hào)在空氣中傳播一段距離后碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來。超聲波接收電路原理如圖4所示，其采用集成電路CX20106A，CX20106A是一款集信號(hào)放大、整形、濾波、檢波于一體的芯片?？梢岳盟谱鞒暡z測(cè)接收電路[4]。圖中，通過適當(dāng)?shù)母淖僀3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

圖4 超聲波接收電路Fig.4 Ultrasonic receiver circuit

工作原理：CX20106A集成芯片是當(dāng)超聲波接收探頭接收到超聲波信號(hào)時(shí)，壓迫壓電晶體做振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號(hào)后，對(duì)所接信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，若頻率在38 kHz至40 kHz左右，則輸出為低電平，否則輸出為高電平。

2.4 控制及顯示模塊

本系統(tǒng)采用AT89C51作為數(shù)據(jù)處理芯片，AT89C51構(gòu)成的最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖5，時(shí)鐘采用外部12 MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過S鍵進(jìn)行復(fù)位。P1.0口與超聲波發(fā)射電路連接，P3.2口與超聲波接收電路連接。系統(tǒng)采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2腳接驅(qū)動(dòng)電源；第三腳VL為液晶的對(duì)比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個(gè)10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7；數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P0口；BL+、BL-為液晶背光電源。液晶LCD1602具有超薄、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于低功耗電子產(chǎn)品和智能儀表中[6-7]。

圖5 單片機(jī)控制顯示模塊Fig.5 Single chip microcomputer to control the display module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)速的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、物體運(yùn)動(dòng)速度程序以及顯示子程序幾部分組成，采用C語言編程。

設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)速系統(tǒng)同時(shí)具有時(shí)差法以及頻差法測(cè)速，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化之后，調(diào)用發(fā)射子程序，單片機(jī)產(chǎn)生40kHz方波，由P1.0口輸出，經(jīng)超聲波發(fā)射電路由B1輸出，同時(shí)定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)碰到物體反射回來后，當(dāng)接收器收到回波信號(hào)時(shí)定時(shí)器T0停止工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來時(shí)，定時(shí)器T1停止計(jì)時(shí)，根據(jù)P3.2口為低電平時(shí)定時(shí)器T0的計(jì)時(shí)停止，存儲(chǔ)T0的數(shù)據(jù)為Δt1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1，當(dāng)P3.2電平跳變?yōu)楦唠娖胶笙乱粋€(gè)低電平到來時(shí)，T1定時(shí)停止，并存儲(chǔ)T1數(shù)據(jù)為t，T0重復(fù)計(jì)時(shí)得數(shù)據(jù)Δt2。得到定時(shí)器數(shù)據(jù)后，利用定時(shí)器T0的兩次時(shí)間記錄采用時(shí)差法求出物體運(yùn)動(dòng)速度，而利用定時(shí)器1的時(shí)間記錄則可以得出回波信號(hào)的頻率，進(jìn)而利用頻差原理求出物體速度[8]。超聲波測(cè)速的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of main program

4 系統(tǒng)性能分析

4.1 時(shí)差法測(cè)速

在時(shí)差法測(cè)速過程中，40 kHz的方波其波長(zhǎng)為25μs，根據(jù)超聲波測(cè)速系統(tǒng)的要求，當(dāng)測(cè)量距離在10 m以下時(shí)，設(shè)此時(shí)的聲速為340 m/s，則對(duì)于時(shí)差法的兩次發(fā)射與接收所耗時(shí)間可以控制在0.09 s以內(nèi)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期不超過0.1 s的設(shè)計(jì)要求。

4.2 頻差法測(cè)速

在頻差法測(cè)速時(shí)，捕捉回波信號(hào)的周期，其測(cè)量的精度損失主要來源于電路以及持續(xù)運(yùn)行速度，另一影響測(cè)量精度因素是環(huán)境溫度的波動(dòng)，在一般情況下溫度相對(duì)恒定，所以測(cè)量精度相對(duì)較高，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的精度要求0.1 m/s，其測(cè)量周期在測(cè)量距離不超過30 m的情況下，設(shè)聲速為340 m/s，其測(cè)量周期小于0.09 s，符合測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

文中提出了超聲波時(shí)差法和頻差法同時(shí)測(cè)量速度種的方法。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，將時(shí)差法測(cè)速和頻差法測(cè)速集成在同一套系統(tǒng)中，并完成系統(tǒng)的硬件電路與軟件的設(shè)計(jì)。分析表明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控。

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