基于mcs51系列單片機(jī)的超聲波多普勒測(cè)速設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-02-14 14:56 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 接收探頭其實(shí)是同一個(gè)元件，只是超聲波接收探頭沒(méi)有外加脈沖信號(hào)而已。圖4整形放大電路如圖4，該放大電路為高輸入阻抗的差動(dòng)放大電路，輸入余弦電流信號(hào)在電阻R5上產(chǎn)生同頻的電壓降信號(hào)，電容C1為隔直電容，濾除輸入信號(hào)中的直流分量。經(jīng)過(guò)兩級(jí)TL082放大器U1:A和U1:B放大，其中R2=R4，R1=R3，則：差動(dòng)增益GD=1+R2/R3若取R2=10KΩ，R3=1KΩ，則差動(dòng)增益GD=11圖5帶通濾波器該濾波器為2階巴特沃斯帶通濾波器，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。本文中所采用的超聲波頻率為30KHZ，有上述多普勒頻移的公式可粗略算得多普勒頻移信號(hào)的頻率為10KHZ左右，也就是說(shuō)，該帶通濾波器應(yīng)該設(shè)計(jì)為中心頻率為30KHZ，截止頻率分別為20KHZ和40KHZ的巴特沃斯帶通濾波器，圖5中的電阻值和電容值是按照上述數(shù)據(jù)計(jì)算所得，由于計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，這里便不在贅述。圖6混頻器及低通濾波電路圖中，由四象限模擬乘法器AD835以及R1，VR1構(gòu)成混頻電路，調(diào)節(jié)VR1可以微調(diào)電路增益；混頻后信號(hào)輸入由U2:A，R2，R4和C1構(gòu)成的有緣低通濾波器和由R3，C2組成的RC低通濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大濾波。若輸入信號(hào)x1 = E1 co s (2πf0 t +φ1 ) ， y1 =E2 cos (2πf’t +φ2 ) ，則輸出信號(hào)為W =1/2E1 E2 { cos [2π( f’+ f0 ) t +φ2 +φ1 ] +cos [2π( f’ f0 ) t +φ2 φ1 ]} 。經(jīng)低通濾波器濾波后就只剩下差頻信號(hào)f’ f0了。由單片機(jī)發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)（頻率為f）分為兩路，一路接AD835的x1端；另一路接超聲波發(fā)生器，超聲波由運(yùn)動(dòng)物體放射回來(lái)后，由于多普勒效應(yīng)，頻率發(fā)生改變（頻率為f’），將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并通過(guò)濾波放大后輸入AD835的y1端，和原信號(hào)進(jìn)行混頻。AD835輸出的混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)有源低通濾波和RC低通濾波兩級(jí)濾波器，就可以提取出多普勒頻移信號(hào)W’=1/2E1 E2 cos [2π( f’ f0 ) t +φ2 φ1 ]以供后面的電路測(cè)量多普勒頻移信號(hào)。 圖7 AD轉(zhuǎn)換及頻率測(cè)量電路本設(shè)計(jì)的AD轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809芯片，ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位AD轉(zhuǎn)換器，它是采用逐次逼近的方法完成AD轉(zhuǎn)換的。它由單一+5V電源供電，轉(zhuǎn)換模擬電壓范圍是0~+5V，不能轉(zhuǎn)換負(fù)電壓，由于多普勒頻移信號(hào)是余弦信號(hào)，不能直接對(duì)該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以在信號(hào)輸入端接一個(gè)二極管，去除負(fù)電壓信號(hào)。雖然這樣會(huì)導(dǎo)致波形發(fā)生一定的變化，但是波形兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間距并沒(méi)有變化，所以頻率不變，也就是說(shuō)不會(huì)影響測(cè)量的精度。如圖，此AD轉(zhuǎn)換電路采用74ALS373作為地址鎖存器，以待頻率測(cè)量之用。此外，電路圖中另一個(gè)138譯碼器在輸入信號(hào)與ADC0809之間，根據(jù)E1~E3的地址信號(hào)把信號(hào)接到相應(yīng)的借口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。無(wú)論E1~E3口的電平如何變化，任何時(shí)刻輸出端都只有一路是導(dǎo)通的，見(jiàn)圖8：138譯碼器功能表。其中，~，也就是說(shuō)兩片138譯碼器是同步的，這樣的好處是信號(hào)的轉(zhuǎn)換傳輸不會(huì)重疊和淤塞，提高了測(cè)量的精度。另外，注意到圖中還有一個(gè)74LS74雙D觸發(fā)器，它的作用是將由單片機(jī)ALE端輸出
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