基于AT89C51的超聲波測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：目前在超聲波測速技術(shù)中，通常采用單一的時差法或頻差法測速，當(dāng)被測物體的速度變化范圍較大時，單一的測速方法會引入較大的測量誤差。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，將時差法測速和頻差法測速集成在同一套系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了兩種方法的同時測量。分析表明該方法的測量誤差小，測量精度高，在近距離實(shí)時測速方面有一定的理論價值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：時差法測速；頻差法測速；AT89C51；超聲波發(fā)射電路；超聲波接收電路

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

1 超聲波測速原理
1．1 時差法測速
時差法測速適用于低速運(yùn)動物體，設(shè)第一次從超聲波發(fā)射到接收的時間為△t1，收到回波信號后再發(fā)一次超聲波信號，第二次的收發(fā)間隔時間為△t2。則第一次超聲波信號到達(dá)物體時，發(fā)射探頭與物體之間距離為S1，第二次超聲波信號到達(dá)物體時，發(fā)射探頭與物體之間距離為S2，則物體的運(yùn)動速度如下所示

1．2 頻差法測速
多普勒效應(yīng)是頻差法測速的理論依據(jù)，設(shè)聲速為c，被測物體速度為v，當(dāng)超聲波探頭B1發(fā)射的超聲波束遇到以速度v移動的物體時，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△f=|f0-f|，多普勒頻移值為：

由公式(3)可知，只要得到多普勒頻移信號△f，即可求得物體的運(yùn)動速度v。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對超聲波的多普勒頻移是利用對運(yùn)動物體反射回來的回波信號周期進(jìn)行計(jì)時，從而得出回波信號頻率。

2 超聲波測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的超聲波測速系統(tǒng)如圖1，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模塊組成。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，由按鍵控制超聲波的發(fā)射，接收模塊則是負(fù)責(zé)對回波信號進(jìn)行檢測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。

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。系統(tǒng)采用分體式單晶直探頭，超聲波探頭型號為TCT40T／R(直徑16 mm)，TC一壓電陶瓷超聲波傳感器；T一通用性；T一發(fā)射／R一接收。探頭外形如圖2，其有效范圍比較大，高性價比；其中心頻率為40 kHz。相關(guān)參數(shù)如下：

1)標(biāo)稱頻率(kHz)：40 kHz
2)發(fā)射聲壓10 V(0 dB=0．02 mPa)：≥117 dB
3)接收靈敏度40 kHz(0 dB=V／ubar)：≥-65 dB
4)靜電容量1 kHz：1V(PF)：2 000+30％
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的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號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。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。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，縮短其自由振蕩時間。

2．3 超聲波檢測接收電路
超聲波信號在空氣中傳播一段距離后碰到運(yùn)動物體反射回來。超聲波接收電路原理如圖4所示，其采用集成電路CX20106A，CX20106A是一款集信號放大、整形、濾波、檢波于一體的芯片?？梢岳盟谱鞒暡z測接收電路。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。

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時，壓迫壓電晶體做振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號，由紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號后，對所接信號進(jìn)行識別，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，時鐘采用外部12MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過S鍵進(jìn)行復(fù)位。P 1．0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)動電源：第三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對比度的調(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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
超聲波測速的軟件設(shè)計(jì)主要南主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、物體運(yùn)動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)的超聲波測速系統(tǒng)同時具有時差法以及頻差法測速，對單片機(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，同時定時器T0開始計(jì)時，當(dāng)超聲波信號碰到物體反射回來后，當(dāng)接收器收到回波信號時定時器T0停止工作，同時啟動定時器T1，當(dāng)下一個上升沿到來時，定時器T1停止計(jì)時，根據(jù)P3．2口為低電平時定時器T0的計(jì)時停止，存儲T0的數(shù)據(jù)為△t1，同時啟動定時器T1，當(dāng)P3．2電平跳變?yōu)楦唠娖胶笙乱粋€低電平到來時，T1定時停止，并存儲T1數(shù)據(jù)為t，T0重復(fù)計(jì)時得數(shù)據(jù)△t2。得到定時器數(shù)據(jù)后，利用定時器T0的兩次時間記錄采用時差法求出物體運(yùn)動速度，而利用定時器1的時間記錄則可以得出回波信號的頻率，進(jìn)而利用頻差原理求出物體速度。超聲波測速的主程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)性能分析
4．1 時差法測速
在時差法測速過程中，40 kHz的方波其波長為25μs，根據(jù)超聲波測速系統(tǒng)的要求，當(dāng)測量距離在10m以下時，設(shè)此時的聲速為340m／s，則對于時差法的兩次發(fā)射與接收所耗時間可以控制在0．09 s以內(nèi)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測量周期不超過0．1 s的設(shè)計(jì)要求。
4．2 頻差法測速
在頻差法測速時，捕捉回波信號的周期，其測量的精度損失主要來源于電路以及持續(xù)運(yùn)行速度，另一影響測量精度因素是環(huán)境溫度的波動，在一般情況下溫度相對恒定，所以測量精度相對較高，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的精度要求0．1 m／s，其測量周期在測量距離不超過30 m的情況下，設(shè)聲速為340 m／s，其測量周期小于0．09 s，符合測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論
文中提出了超聲波時差法和頻差法同時測量速度種的方法。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，將時差法測速和頻差法測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)時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級，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)場的位置監(jiān)控。