基于A(yíng)T89C51的超聲波測速系統設計

摘要：目前在超聲波測速技術(shù)中，通常采用單一的時(shí)差法或頻差法測速，當被測物體的速度變化范圍較大時(shí)，單一的測速方法會(huì )引入較大的測量誤差。系統以單片機AT89C51為核心，將時(shí)差法測速和頻差法測速集成在同一套系統中，實(shí)現了兩種方法的同時(shí)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(shí)測速方面有一定的理論價(jià)值和應用前景。
關(guān)鍵詞：時(shí)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

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

1 超聲波測速原理
1．1 時(shí)差法測速
時(shí)差法測速適用于低速運動(dòng)物體，設第一次從超聲波發(fā)射到接收的時(shí)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(shí)間為△t2。則第一次超聲波信號到達物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為S1，第二次超聲波信號到達物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為S2，則物體的運動(dòng)速度如下所示

1．2 頻差法測速
多普勒效應是頻差法測速的理論依據，設聲速為c，被測物體速度為v，當超聲波探頭B1發(fā)射的超聲波束遇到以速度v移動(dòng)的物體時(shí)，因多普勒效應原理，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，即可求得物體的運動(dòng)速度v。系統設計對超聲波的多普勒頻移是利用對運動(dòng)物體反射回來(lái)的回波信號周期進(jìn)行計時(shí)，從而得出回波信號頻率。

2 超聲波測速系統設計
設計的超聲波測速系統如圖1，系統以單片機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(gè)模塊組成。系統中超聲波發(fā)射模塊采用單片機內部產(chǎn)生的40 kHz方波信號，由按鍵控制超聲波的發(fā)射，接收模塊則是負責對回波信號進(jìn)行檢測分析然后傳輸給單片機進(jìn)行運算處理，單片機運算完畢后，將數據傳輸給顯示模塊進(jìn)行顯示。

2．1 超聲波傳感器
超聲波傳感器是實(shí)現聲、電轉換的裝置。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉換成相應電信號。系統采用分體式單晶直探頭，超聲波探頭型號為T(mén)CT40T／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?xún)r(jià)比；其中心頻率為40 kHz。相關(guān)參數如下：

1)標稱(chēng)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)射電路設計
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構成，單片機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(gè)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(gè)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)射強度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅動(dòng)能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動(dòng)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(shí)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動(dòng)物體反射回來(lái)。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(guò)適當的改變C3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集成芯片是當超聲波接收探頭接收到超聲波信號時(shí)，壓迫壓電晶體做振動(dòng)，將機械能轉化成電信號，由紅外線(xiàn)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
本系統采用AT89C51作為數據處理芯片，AT89C51構成的最小單片機系統如圖5，時(shí)鐘采用外部12MHz振蕩電路，系統通過(guò)S鍵進(jìn)行復位。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。系統采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2腳接驅動(dòng)電源：第三腳VL為液晶的對比度調節，通過(guò)在VCC和GND之間接一個(gè)10K多圈可調電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現液晶對比度的調節；液晶的控制線(xiàn)RS、R／W、E分別接單片機的P2．5、P2．6、P2．7；數據口接在單片機的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 系統軟件設計
超聲波測速的軟件設計主要南主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、物體運動(dòng)速度程序以及顯示子程序幾部分組成，采用C語(yǔ)言編程。
設計的超聲波測速系統同時(shí)具有時(shí)差法以及頻差法測速，對單片機進(jìn)行初始化之后，調用發(fā)射子程序，單片機產(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(shí)定時(shí)器T0開(kāi)始計時(shí)，當超聲波信號碰到物體反射回來(lái)后，當接收器收到回波信號時(shí)定時(shí)器T0停止工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1，當下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器T1停止計時(shí)，根據P3．2口為低電平時(shí)定時(shí)器T0的計時(shí)停止，存儲T0的數據為△t1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1，當P3．2電平跳變?yōu)楦唠娖胶笙乱粋€(gè)低電平到來(lái)時(shí)，T1定時(shí)停止，并存儲T1數據為t，T0重復計時(shí)得數據△t2。得到定時(shí)器數據后，利用定時(shí)器T0的兩次時(shí)間記錄采用時(shí)差法求出物體運動(dòng)速度，而利用定時(shí)器1的時(shí)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 系統性能分析
4．1 時(shí)差法測速
在時(shí)差法測速過(guò)程中，40 kHz的方波其波長(cháng)為25μs，根據超聲波測速系統的要求，當測量距離在10m以下時(shí)，設此時(shí)的聲速為340m／s，則對于時(shí)差法的兩次發(fā)射與接收所耗時(shí)間可以控制在0．09 s以?xún)?，系統可以實(shí)現測量周期不超過(guò)0．1 s的設計要求。
4．2 頻差法測速
在頻差法測速時(shí)，捕捉回波信號的周期，其測量的精度損失主要來(lái)源于電路以及持續運行速度，另一影響測量精度因素是環(huán)境溫度的波動(dòng)，在一般情況下溫度相對恒定，所以測量精度相對較高，系統可以實(shí)現預期的精度要求0．1 m／s，其測量周期在測量距離不超過(guò)30 m的情況下，設聲速為340 m／s，其測量周期小于0．09 s，符合測速系統的設計要求。

5 結論
文中提出了超聲波時(shí)差法和頻差法同時(shí)測量速度種的方法。系統以單片機AT89C51為核心，將時(shí)差法測速和頻差法測速集成在同一套系統中，并完成系統的硬件電路與軟件的設計。分析表明，這套系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過(guò)系統擴展和升級，可以有效地解決汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場(chǎng)的位置監控。