超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2024-12-29 19:04 本頁(yè)面
【正文】 “節(jié)能減排”和“節(jié)約水資源”的主流相違背。而如果選擇光為對(duì)象，我們的理解是其投入的成本明顯增加，難度也加大。通過(guò)分析完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的功能框圖，如圖1所示。圖1a 超聲多普勒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖圖1b 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖圖1 超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速原理圖實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)多普勒效應(yīng)，以介質(zhì)為參考系，并假設(shè)波源和觀(guān)察者之間的運(yùn)動(dòng)在兩者的連線(xiàn)上，則有下面規(guī)律：式中，v0__聲速；vs__波源相對(duì)于介質(zhì)的速度；vb__觀(guān)察者相對(duì)于介質(zhì)的速度。當(dāng)觀(guān)察者與波源相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，取正；當(dāng)二者相背運(yùn)動(dòng)時(shí)，取負(fù)。根據(jù)原理，直接確定測(cè)量的物理量：頻率。實(shí)驗(yàn)裝置靜止時(shí)測(cè)量信號(hào)源的頻率f0；當(dāng)聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的頻率f 。當(dāng)波源與觀(guān)察者都相對(duì)與介質(zhì)靜止時(shí)，測(cè)得的頻率即為波源的振動(dòng)頻率。其次采用物理學(xué)中所用“由靜及動(dòng)”思想以及變量控制法，將波源和觀(guān)察者設(shè)定為其中一個(gè)運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)處于靜止，以控制測(cè)量的誤差因素，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度與精度。在此，采用發(fā)射裝置動(dòng)，測(cè)量裝置靜止的方法進(jìn)行測(cè)量。于是有，……（2）又已知聲速與溫度的關(guān)系式為：……(3) ，可由測(cè)出實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。本設(shè)計(jì)只需測(cè)量?jī)煞N工作狀態(tài)下的頻率即可完成測(cè)量任務(wù)。操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)測(cè)量快捷、準(zhǔn)確。方案的組成超聲波多普勒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案主要由超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)和顯示輸出模塊等構(gòu)成?？紤]到操作的便捷性，引入測(cè)量啟動(dòng)控制。具體系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2超聲多普勒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖利用超聲波設(shè)計(jì)多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理將測(cè)量對(duì)象設(shè)定為超聲波的頻率。通過(guò)頻率的測(cè)量來(lái)觀(guān)測(cè)其頻移現(xiàn)象，同時(shí)定量計(jì)算出待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。在以往的多普勒實(shí)驗(yàn)中，也有采用超聲波作為波源，但其測(cè)量?jī)x器則相對(duì)昂貴，如基于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的超聲多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要采用數(shù)字示波器、信號(hào)源、控制源等。屬常規(guī)實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段與方法。隨著技術(shù)的進(jìn)步和學(xué)習(xí)內(nèi)容的更新，微機(jī)原理和接口技術(shù)等課程進(jìn)入課堂，可以對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新。本設(shè)計(jì)完全基于大學(xué)所學(xué)電子技術(shù)與單片機(jī)等內(nèi)容展開(kāi)。相較之下，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)小巧精悍的特點(diǎn)，且價(jià)格低廉。需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器并提供足夠能力驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射器電路即可。根據(jù)模擬電路與數(shù)字電路所學(xué)，實(shí)現(xiàn)方案比較豐富，不存在理論與技術(shù)上的難度，簡(jiǎn)單列表如下。方案一：對(duì)稱(chēng)式/非對(duì)稱(chēng)式多諧振蕩器；方案二：由施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器；方案三：利用晶振構(gòu)成振蕩電路；方案四：利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器。如圖3所示為一種由晶振構(gòu)成的多諧振蕩器發(fā)射電路。圖3 超聲波發(fā)射電路方案一考慮到555定時(shí)器的應(yīng)用極其廣泛，購(gòu)買(mǎi)元器件也非常方便。同時(shí)為增強(qiáng)電路可調(diào)性，經(jīng)過(guò)論證選擇用555定時(shí)器作為超聲發(fā)射的核心器件。為增強(qiáng)發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，采用推挽輸出。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)硬件電路部分。主要完成信號(hào)的放大和整型，以完成其與單片機(jī)的對(duì)接。調(diào)理后的信號(hào)處理方案有多種選擇。一是將單片機(jī)的定時(shí)器T1/T0分別作為定時(shí)器與外部脈沖計(jì)數(shù)輸入，通過(guò)軟件的方法完成頻率的測(cè)量與分析；另一種采用分頻器與計(jì)數(shù)器相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果交由單片機(jī)處理。兩者
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