基于mcs51系列單片機(jī)的超聲波多普勒測(cè)速設(shè)計(jì)-展示頁(yè)
2025-06-14 22:34本頁(yè)面
【正文】 A/D 轉(zhuǎn)換 本設(shè)計(jì)以超聲波作為探測(cè)信號(hào)，主要是由于超聲波具有方向性好、發(fā)射功率高、不易受到噪聲干擾等優(yōu)點(diǎn)，如圖 2，由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè) 方波 信號(hào)，該信號(hào)分為兩路，一路接超聲波發(fā)生器作為探測(cè)信號(hào)，另一路接混頻器以待混頻之用。具有數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算等強(qiáng)大的功能。 圖 1 是 8051 單片機(jī)的引腳及引腳功能圖，為雙列直插封裝，有 40 個(gè)引腳。 單片機(jī) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種集成在 硅片上的 電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的 一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這樣，就可以結(jié)合上述公式求出運(yùn)動(dòng)物體的速度與多普勒頻移之間的關(guān)系，如下： （ 1）當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí) Vr=[(f0f’)/(f0+f’)]u ④ （ 2）當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)，觀察者靜止時(shí) Vs=[(f0f’)/(f0+f’)]u ⑤ （ 3）當(dāng)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) Vr={[(f’f0)u2(f’+f0)Vs]/[(f’+f0)u+(f0f’)Vs]}u ⑥ 其中第 ⑤ 式的情況 在實(shí)際情況中不會(huì)出現(xiàn)，但是注意到兩 者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的第 ⑥式中出現(xiàn)了波源的運(yùn)動(dòng)速度 Vs，這時(shí)就需要用第 ⑤ 式先求出波源的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而求出物體的運(yùn)動(dòng)速度。 測(cè)速的公式簡(jiǎn)介 。這樣便解決了價(jià)格問(wèn)題，提高了性價(jià)比，同時(shí)攜帶方便，測(cè)量精度亦在可以接受的范圍內(nèi)。但是，這種裝置一般而言價(jià)格比較昂貴，在許多測(cè)量精度要求不那么嚴(yán)格的地方的應(yīng)用受到了很大的限制。摘 要 在速度測(cè)量領(lǐng)域，利用多普勒效應(yīng)的設(shè)計(jì)不在少數(shù)。其中，多以激光多普勒測(cè)速設(shè)計(jì)或裝置為主，激光以其高強(qiáng)度、頻率單一、 不易受到干擾等良好的性質(zhì)受到眾多多普勒測(cè)速設(shè)計(jì)者的青睞，以激光為波源做成的裝置具有 測(cè)速范圍廣(410~(5)～ 10~4 米 /秒 )、 空間分辨率高 、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以超聲波 作為波源結(jié)合單片機(jī)用以數(shù)據(jù)處理的方案，再加上其他一些必要的電子電路，可以把整個(gè)裝置集成到一塊 PCB 板上，以 電池供電。 關(guān)鍵詞 ：多普勒效應(yīng) ； 超聲波 ； 單片機(jī) ； 混頻放大 ； 差頻測(cè)量 ； 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ； 濾波整形 基于單片機(jī)的超聲波多普勒測(cè)速設(shè)計(jì) 1 前言 多普勒效應(yīng) 多普勒效應(yīng)是指物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 ， 在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 ， 波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大，根據(jù)光波紅 /藍(lán)移 的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 多普勒效應(yīng)是本設(shè)計(jì)的理論依據(jù) ，深入的考慮，可基于超聲波多普勒效應(yīng)推導(dǎo)出移動(dòng)物體的速度，具體公式如下： （ 1）當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí) f=[(u+Vr)/u]f0 ① （ 2）當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)，觀察著靜止時(shí) f=[u/(uVs)]f0 ② （ 3）當(dāng)兩者同時(shí)運(yùn)動(dòng) 時(shí) f=[(u+Vr)/(uVs)]f0 ③ 由于 超聲波的發(fā)生器和接收器是集中在一起的，所以當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波時(shí)，應(yīng)該把運(yùn)動(dòng)物體當(dāng)做波源，而把超聲波接收器作為觀察者。由上述 推導(dǎo)公式可知，只要得到多普勒頻移信號(hào) ff0，即可求得物體的運(yùn)動(dòng)速度 Vr。 圖 1 8051 單片機(jī) 在上個(gè)世紀(jì) 70 年代末，美國(guó) INTEL 公司從荷蘭 Philip 公司購(gòu)買了 8031 單片機(jī)的專利技術(shù)，生產(chǎn)了一系列 8 位的單片機(jī)，這一系列單片機(jī)按照片內(nèi)存儲(chǔ)器的種類的大小不同的好些品種，如 8031， 8051， 8071 等，其中 8051 是最典型最早的產(chǎn)品，該系列的其他單片機(jī)都是在 8051 的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來(lái)的，所以人們習(xí)慣于用 8051 來(lái)稱呼 MCS51 系列單片機(jī)。片 內(nèi)集成了一個(gè) 8 位微處理器 CPU，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM，兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1，四個(gè) 8 位可編程的并行 I/O 端口，一個(gè)串行端口，中斷控制系統(tǒng)和內(nèi)部時(shí)鐘電路。 2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理總分析 總體設(shè)計(jì)框圖 圖 2 如圖 2 所示，本設(shè)計(jì)力求以最簡(jiǎn)單的電路元件和電路設(shè)計(jì)去完成復(fù)雜的功能，多普勒測(cè)速的關(guān)鍵是如何求得多普勒頻移，只要通過(guò)各種電子電路求得多普勒頻移信號(hào)，即可根據(jù)前文所 提到的公式求得運(yùn)動(dòng)物體的速度。超聲波
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