基于基于AT89C51的超声波测速系统设计的超声波测速系统设计
摘要:目前在超声波测速技术中,通常采用单一的时差法或频差法测速,当被测物体的速度变化范围较大时,
单一的测速方法会引入较大的测量误差。系统以单片机AT89C51为,将时差法测速和频差法测速集成在同一套
系统中,实现了两种方法的同时测量。分析表明该方法的测量误差小,测量精度高,在近距离实时测速方面有
一定的理论价值和应用前景。 关键词:时差法测速;频差法测速;AT89C51;超声波发射电路;超声波接
收电路 超声波测速设备可以在雨、雪、雾等各种恶劣环境下工作,并且系统制作简便、成本低。超声波测
速分为时差法和频差法,时差法多用于低速测量,而频差法则多用于高速测量。现有的超声波测速系统中,要
么是单一的时
摘要:目前在超声波测速技术中,通常采用单一的时差法或频差法测速,当被测物体的速度变化范围较大时,单一的测速
方法会引入较大的测量误差。系统以单片机AT89C51为,将时差法测速和频差法测速集成在同一套系统中,实现了两种方法
的同时测量。分析表明该方法的测量误差小,测量精度高,在近距离实时测速方面有一定的理论价值和应用前景。
关键词:时差法测速;频差法测速;AT89C51;超声波发射电路;超声波接收电路
超声波测速设备可以在雨、雪、雾等各种恶劣环境下工作,并且系统制作简便、成本低。超声波测速分为时差法和频差
法,时差法多用于低速测量,而频差法则多用于高速测量。现有的超声波测速系统中,要么是单一的时差法测速,要么是单一
的频差法测速,当被测速度变化范围较大时,采取这种单一的地测速方法导致的测量精度下降,本系统以单片机AT89C51
为,将时差法测速和频差法测速集成在同一套系统中,实现了两种方法的同时测量。
1 超声波测速原理
1.1 时差法测速
时差法测速适用于低速运动物体,设次从超声波发射到接收的时间为△t1,收到回波信号后再发超声波信号,第二次的收
发间隔时间为△t2。则次超声波信号到达物体时,发射探头与物体之间距离为S1,第二次超声波信号到达物体时,发射探头与
物体之间距离为S2,则物体的运动速度如下所示
1.2 频差法测速
多普勒效应是频差法测速的理论依据,设声速为c,被测物体速度为v,当超声波探头B1发射的超声波束遇到以速度v移动
的物体时,因多普勒效应原理,超声波探头B2收到的超声波频率f0发生变化,接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之
差△f=|f0-f|,多普勒频移值为:
由公式(3)可知,只要得到多普勒频移信号△f,即可求得物体的运动速度v。系统设计对超声波的多普勒频移是利用对运动
物体反射回来的回波信号周期进行计时,从而得出回波信号频率。
2 超声波测速系统设计
设计的超声波测速系统如图1,系统以单片机89C51为主控模块,加上超声波发射模块、超声波接收模块以及显示模块这
几个模块组成。系统中超声波发射模块采用单片机内部产生的40 kHz方波信号,由按键控制超声波的发射,接收模块则是负
责对回波信号进行检测分析然后传输给单片机进行运算处理,单片机运算完毕后,将数据传输给显示模块进行显示。
2.1 超声波传感器
超声波传感器是实现声、电转换的装置。这种装置能发射超声波和接收超声波回波,并转换成相应电信号。系统采用分体
式单晶直探头,超声波探头型号为TCT40T/R(直径16 mm),TC一压电陶瓷超声波传感器;T一通用性;T一发射/R一接
收。探头外形如图2,其有效范围比较大,高性价比;其中心频率为40 kHz。相关参数如下:
1)标称频率(kHz):40 kHz
2)发射声压10 V(0 dB=0.02 mPa):≥117 dB
3)接收灵敏度40 kHz(0 dB=V/ubar):≥-65 dB
4)静电容量1 kHz:1V(PF):2 000+30%
2.2 超声波发射电路设计
超声波发射电路原理图如图3所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器B1构成,单片机P1.0端口输出的
40 kHz的方波信号一路经反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极,
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端,可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联,用以提高驱动
能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,
缩短其自由振荡时间。
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