超聲波多普勒效應(yīng)測速儀的設(shè)計(編輯修改稿)
2025-07-10 18:01 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 單片機與顯示模塊 兼具 頻率計 功能 。本設(shè)計中它主要完成信號頻率的 測量、數(shù)據(jù)分析和測量結(jié)果的 存儲與 顯示。 常規(guī)頻率計數(shù)器多半采用數(shù)碼管 與 LED 量嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 6 學(xué)生實踐與科技創(chuàng)新中心 程 指示完成顯示。考慮到需要 實現(xiàn) 時間與脈沖計數(shù) 兩 個 物理量的數(shù)據(jù)顯示功能，選用 LCD 顯示 ，以簡化電路設(shè)計 。 三、 硬件設(shè)計 超聲波發(fā)射電路 圖 4 所示超聲波發(fā)射電路以 555 定時器為核心器件。 圖 4 超聲波發(fā)射電路原理圖 由 555 定時器構(gòu)成一個頻率為 40KHz 的多諧振蕩器， 電阻 R1 選用電位器便于很好的調(diào)節(jié)頻率，以保證超聲發(fā)生器工作在其 最佳 頻率上。 設(shè) R1=, R2=15K， C1 = 1000pF，則 其頻率計算的理論方法如下： T 放 = x R1 x C1 = x 15 x 103 x 1000 x 1012 = 10 181。s T 充 = x ( R1+ R2 ) x C1 = x x 103 x 1000 x 1012 = 11 181。s f= 1 / ( T 充 + T 放 ) = KHz 嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 7 學(xué)生實踐與科技創(chuàng)新中心 由 U2 構(gòu)成的電路實現(xiàn) 推挽 驅(qū)動 。 如果選用電源為 5V，則發(fā)射信號的峰峰值為 10V。 也可以直接將發(fā)射器接至定時器的輸出引腳和地 ，但這時的輸出峰峰值 不到 5V，驅(qū)動能力明顯減弱 。 實際使用時，我們選用了 9V 電池作為電源。因此其峰峰值達到 18V。 電路仿真結(jié)果如圖 5 所示。 圖 5 發(fā)射電路驅(qū)動仿真結(jié)果 超聲波接收 整型 電路 接收電路的方案有基本設(shè)定了兩種：一種是利用通用集成運放 ，如 741/ LM324/LM348/LT1014 等 ； 另 一種是利用專用音頻功放集成電路，如 LM386。為保證信號接收可靠，采用兩級放大到 1000 倍 左右 。 采用通用集成運放時，其原理圖如圖 6 所示。其中同相輸入端取電源電壓的一半，旨在設(shè)定直流偏置點以保證信號的正負半周都得到同樣的放大。如果不設(shè)置該偏置則會出現(xiàn)信號 得不到預(yù)期的放大，甚至更弱 。 采用專用音頻功放集成電路，其電路則更為簡單，所需元件也較少。如圖 7所示。 具體電路設(shè)計參考集成電路數(shù)據(jù)表得到。 嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 8 學(xué)生實踐與科技創(chuàng)新中心 圖 6 超聲波接收放大電路原理圖 圖 7 采用音頻功放構(gòu)成的接收電路 根據(jù)發(fā)射信號可知，接下來需要 將放大后的信號進行整型。整型電路可以選用開關(guān)電路或者過零電壓比較器實現(xiàn)。 圖 7 所示由 Q1 構(gòu)成的 開關(guān) 電路 可 實現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換。 當放大后的信號為高電平時， Q1 導(dǎo)通，輸出為低電平；反之為高電平。該邏輯電平即可作為頻率計數(shù)器的信號脈沖輸入。 運用圖 8 接 收 電路仿真結(jié)果 嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院 9 學(xué)生實踐與科技創(chuàng)新中心 圖 8：接受電路驅(qū)動仿真結(jié)果 頻率計數(shù)器 頻率計主要借助單片機來實現(xiàn)。如前所述，有 三 種方案。如圖 9 顯示了其中方案一與方案二兩種 。方案一需要充分利用單片機的兩個定時器 T1 和 T0。將T0 配置為計數(shù)器，信號從該引腳輸入，而將 T1 配置為定時器，設(shè)定計時長度以控制 門控位，進而實現(xiàn)脈沖計數(shù)。 測量時間長度由軟件設(shè)定。 對于不同的運動速度需要選用不同的測量時間，因此需要設(shè)定時長選擇模式。 方案一 利用光電門來計時， 啟動光電門實現(xiàn)啟動計數(shù)功能。 方案二則利用硬件計數(shù)器實現(xiàn)頻率計數(shù)。利用 16 進制計數(shù)器 74hc161 與 12位二進制計數(shù)器，可實現(xiàn)長度為 64K 的計數(shù)，可以滿足本實驗計數(shù)要求。 如圖10 所示，如果不計算 161 的輸出 Q3..0 的
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