基于AT89C51的超聲波測速系統(tǒng)設計

蘭羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 電氣學院，陜西 咸陽 712000）

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(tǒng)制作簡便、成本低[1]。超聲波測速分為時差法和頻差法，時差法多用于低速測量，而頻差法則多用于高速測量[2]。現(xiàn)有的超聲波測速系統(tǒng)中，要么是單一的時差法測速，要么是單一的頻差法測速，當被測速度變化范圍較大時，采取這種單一的地測速方法導致的測量精度下降，本系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，將時差法測速和頻差法測速集成在同一套系統(tǒng)中，實現(xiàn)了兩種方法的同時測量。

1 超聲波測速原理

1.1 時差法測速

時差法測速適用于低速運動物體，設第一次從超聲波發(fā)射到接收的時間為Δt1，收到回波信號后再發(fā)一次超聲波信號，第二次的收發(fā)間隔時間為Δt2。則第一次超聲波信號到達物體時，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，發(fā)射探頭與物體之間距離為S2，則物體的運動速度如下所示[3]：

1.2 頻差法測速

多普勒效應是頻差法測速[4]的理論依據(jù)，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移動的物體時，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Δf＝|f0－f|，多普勒頻移值為：

由（2）式可得物體速度為

由公式（3）可知，只要得到多普勒頻移信號Δf，即可求得物體的運動速度v。系統(tǒng)設計對超聲波的多普勒頻移是利用對運動物體反射回來的回波信號周期進行計時，從而得出回波信號頻率。

2 超聲波測速系統(tǒng)設計

設計的超聲波測速系統(tǒng)如圖2，系統(tǒng)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模塊組成[4]。系統(tǒng)中超聲波發(fā)射模塊采用單片機內(nèi)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行檢測分析然后傳輸給單片機進行運算處理，單片機運算完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊進行顯示。

圖1 超聲波測速原理框圖Fig.1 Ultrasonic velocity measurement principle diagram

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成相應電信號。系統(tǒng)采用分體式單晶直探頭，超聲波探頭型號為TCT40T/R（直徑16 mm），TC—壓電陶瓷超聲波傳感器；T—通用性；T—發(fā)射/R—接收[5]。探頭外形如圖2，其有效范圍比較大，高性價比；其中心頻率為40 kHz。相關(guān)參數(shù)如下：

圖2 超聲波探頭外形Fig.2 Ultrasonic probe shape

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(gòu)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。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間[4]。

圖3 超聲波發(fā)射電路Fig.3 Ultrasonic transmitter circuit

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物體反射回來。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。可以利用它制作超聲波檢測接收電路[4]。圖中，通過適當?shù)母淖僀3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

圖4 超聲波接收電路Fig.4 Ultrasonic receiver circuit

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，壓迫壓電晶體做振動，將機械能轉(zhuǎn)化成電信號，由紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號后，對所接信號進行識別，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(tǒng)采用AT89C51作為數(shù)據(jù)處理芯片，AT89C51構(gòu)成的最小單片機系統(tǒng)如圖5，時鐘采用外部12 MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過S鍵進行復位。P1.0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(tǒng)采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2腳接驅(qū)動電源；第三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實現(xiàn)液晶對比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機的P2.5、P2.6、P2.7；數(shù)據(jù)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，被廣泛用于低功耗電子產(chǎn)品和智能儀表中[6-7]。

圖5 單片機控制顯示模塊Fig.5 Single chip microcomputer to control the display module

3 系統(tǒng)軟件設計

超聲波測速的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、物體運動速度程序以及顯示子程序幾部分組成，采用C語言編程。

設計的超聲波測速系統(tǒng)同時具有時差法以及頻差法測速，對單片機進行初始化之后，調(diào)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，同時定時器T0開始計時，當超聲波信號碰到物體反射回來后，當接收器收到回波信號時定時器T0停止工作，同時啟動定時器T1，當下一個上升沿到來時，定時器T1停止計時，根據(jù)P3.2口為低電平時定時器T0的計時停止，存儲T0的數(shù)據(jù)為Δt1，同時啟動定時器T1，當P3.2電平跳變?yōu)楦唠娖胶笙乱粋€低電平到來時，T1定時停止，并存儲T1數(shù)據(jù)為t，T0重復計時得數(shù)據(jù)Δt2。得到定時器數(shù)據(jù)后，利用定時器T0的兩次時間記錄采用時差法求出物體運動速度，而利用定時器1的時間記錄則可以得出回波信號的頻率，進而利用頻差原理求出物體速度[8]。超聲波測速的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of main program

4 系統(tǒng)性能分析

4.1 時差法測速

在時差法測速過程中，40 kHz的方波其波長為25μs，根據(jù)超聲波測速系統(tǒng)的要求，當測量距離在10 m以下時，設此時的聲速為340 m/s，則對于時差法的兩次發(fā)射與接收所耗時間可以控制在0.09 s以內(nèi)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)測量周期不超過0.1 s的設計要求。

4.2 頻差法測速

在頻差法測速時，捕捉回波信號的周期，其測量的精度損失主要來源于電路以及持續(xù)運行速度，另一影響測量精度因素是環(huán)境溫度的波動，在一般情況下溫度相對恒定，所以測量精度相對較高，系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期的精度要求0.1 m/s，其測量周期在測量距離不超過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(tǒng)的設計要求。

5 結(jié) 論

文中提出了超聲波時差法和頻差法同時測量速度種的方法。系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，將時差法測速和頻差法測速集成在同一套系統(tǒng)中，并完成系統(tǒng)的硬件電路與軟件的設計。分析表明，這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。

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