基于無線網(wǎng)絡(luò)的超聲波多普勒測(cè)速儀設(shè)計(jì)

孔祥洪，郭陽雪，胡志飛，錢衛(wèi)國，王偉杰，潘 翔

（1.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國車輛測(cè)速儀由最初的簡單雷達(dá)測(cè)速儀發(fā)展到現(xiàn)在的超聲波［1－2］、激光等多種測(cè)速儀。同時(shí)在誤差補(bǔ)償、超速報(bào)警、便捷等方面的研究和發(fā)展取得了長足的進(jìn)步。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在其他行業(yè)中得到應(yīng)用，但應(yīng)用于城市交通中的汽車超速的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)還不多見。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于汽車超速的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，具有低成本、數(shù)據(jù)采集范圍廣等特點(diǎn)。采取自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)，無需鋪設(shè)線路，容易維護(hù)，組網(wǎng)成本低，非常適合于自動(dòng)化汽車超速的交通信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文應(yīng)用超聲波傳感器物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字電子技術(shù)，通過TI公司推出的CC2530架構(gòu)、嵌入了ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)［3］。汽車超速的交通信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠克服交通信息網(wǎng)絡(luò)布線和維護(hù)困難等不利因素，為智慧城市建設(shè)、降低交通事故、提高城市交通監(jiān)管質(zhì)量起到積極作用［4］。對(duì)基于超聲波多普勒效應(yīng)［5－10］設(shè)計(jì)的對(duì)車速測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)射與接收兩大模塊進(jìn)行了Proteus仿真［11－15］，用一些比較簡單的電路制成［16］。運(yùn)輸車輛安裝監(jiān)測(cè)儀，交通控制中心與相應(yīng)的汽車監(jiān)測(cè)儀聯(lián)網(wǎng)后，就可直接監(jiān)測(cè)和控制［17］。

1 超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速儀原理

1.1 車輛向多普勒測(cè)速儀行駛

多普勒測(cè)速儀發(fā)射出頻率為f0的聲波，被正以速度vp向著其運(yùn)動(dòng)的車輛（見圖1）接收后 ，聲波頻率變?yōu)閒，f由下式定：

圖1 超聲波頻移測(cè)車速原理分析圖

上式中，v是波在介質(zhì)中的傳播速度，α是測(cè)速儀與車輛間的連線與車輛運(yùn)動(dòng)方向的夾角。同時(shí)，聲波從該運(yùn)動(dòng)的車輛上被反射回去。這時(shí)可將汽車作為運(yùn)動(dòng)的波源，聲波測(cè)速儀測(cè)得的反射波的頻率為f′。f′由下式定：

將（1）式代入（2）式中得

從（3）式可知，汽車測(cè)速儀所接收到的反射波的頻率f′，與汽車測(cè)速儀所發(fā)射的波的頻率f0之差為

車輛的速度vp為：

1.2 車輛背離多普勒測(cè)量儀行駛

當(dāng)車輛背離多普勒測(cè)速儀行駛時(shí)有：

2 汽車超速監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)框圖

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控模塊，另有超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、PC機(jī)、超聲波的一些處理模塊以及顯示模塊等，如圖2所示。在圖2所示測(cè)速原理圖中，單片機(jī)與PC機(jī)通過無線連接。超聲波發(fā)射模塊是由單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)，由單片機(jī)通過D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波信號(hào)，接收模塊則是負(fù)責(zé)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，及通過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，單片機(jī)運(yùn)算完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊進(jìn)行顯示。

圖2 超聲波頻移測(cè)速原理總體框圖

2.2 部分框圖

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3所示，由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，該信號(hào)分為2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。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波信號(hào)經(jīng)由汽車反射回來后，由超聲波接收探頭把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電信號(hào)，此時(shí)該信號(hào)為微弱的余弦信號(hào)，加上由于噪聲的干擾，波形會(huì)有一些失真，需經(jīng)整形放大器進(jìn)行整形放大，然后經(jīng)過帶通濾波器濾除過高或者過低的無用信號(hào)，進(jìn)入混頻器。

圖3 超聲波頻移測(cè)速原理部分設(shè)計(jì)框圖

在混頻器中該信號(hào)和單片機(jī)產(chǎn)生的另一路信號(hào)（波源信號(hào)）進(jìn)行混頻。由混頻器混頻后輸出的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)低通濾波器濾除高頻信號(hào)后，剩下的即為包含多普勒頻移信號(hào)的余弦信號(hào)，再經(jīng)過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，然后利用單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能取出多普勒頻移信號(hào)，通過數(shù)據(jù)處理求出汽車的運(yùn)動(dòng)速度，最終經(jīng)顯示電路顯示出來。

3 測(cè)速儀的硬件系統(tǒng)電路原理圖

3.1 超聲波發(fā)射電路的原理圖

由單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路產(chǎn)生的方波信號(hào)，經(jīng)過波形變換以及超聲波換能器后發(fā)射出去。原理如圖4所示，由于單片機(jī)直接產(chǎn)生的方波不能直接加到換能器上，否則會(huì)對(duì)換能器造成損壞，縮短換能器的使用壽命。所以原理圖中從單片機(jī)產(chǎn)生的方波先通過二階的低通濾波器即運(yùn)算放大器把方波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)，經(jīng)過功率放大后發(fā)射出去。波的所有相關(guān)數(shù)據(jù)信 息將呈現(xiàn)在示波器上。

圖4 超聲波發(fā)射模塊電路

3.2 超聲波接收電路

接收部分的電路由放大電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路以及超聲信號(hào)檢測(cè)電路3部分組成組成，如圖5所示（本圖省略信號(hào)檢測(cè)電路）。超聲波接收探頭接收到信號(hào)后先經(jīng)過運(yùn)算放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過信號(hào)轉(zhuǎn)換將方波傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，單片機(jī)運(yùn)算完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊進(jìn)行顯示。

圖5 超聲波接收模塊電路

4 測(cè)速儀的軟件流程控制圖

圖6為測(cè)頻法測(cè)量多普勒頻移的流程圖，采用定時(shí)計(jì)數(shù)器T0和T1分別計(jì)數(shù)和定時(shí)。其中，程序開始時(shí)先為TF1初始化，也就是把初始數(shù)據(jù)裝入TF1，之后單片機(jī)一直檢測(cè)P0.2口，當(dāng)有信號(hào)輸入P0.2口時(shí)，清空TF0，同時(shí)T0開始計(jì)數(shù)，T1開始計(jì)時(shí)，關(guān)閉中斷，計(jì)數(shù)過程中不再響應(yīng)中斷；然后檢測(cè)TF1，當(dāng)TF1溢出，也就是計(jì)時(shí)時(shí)間到，此時(shí)要保存T0的計(jì)數(shù)值N1和T1的計(jì)時(shí)值Ts1，進(jìn)而計(jì)算出所得頻率：

圖6 測(cè)頻法流程圖

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用超聲波傳感器物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字電子技術(shù)，建立了一個(gè)以單片機(jī)CC2530的嵌入ZigBee協(xié)議超聲波測(cè)速系統(tǒng)，利用Proteus軟件設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射與接收模塊的硬件電路。本設(shè)計(jì)所需電子元件和電子電路均較為常見，價(jià)格低廉，性價(jià)比高，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可批量化生產(chǎn)。由誤差分析可知，誤差也在可以接受的范圍之內(nèi)，能夠滿足日常生活及精度要求不太高的場(chǎng)合的測(cè)速需要。以該思路制作而成的測(cè)速儀，應(yīng)用廣泛。

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