基于AT89C51的超聲波測速系統設計

蘭羽

（陜西工業職業技術學院 電氣學院，陜西 咸陽 712000）

超聲波測速設備可以在雨、雪、霧等各種惡劣環境下工作，并且系統制作簡便、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]?，F有的超聲波測速系統中，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中，實現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射到接收的時間為Δt1，收到回波信號后再發一次超聲波信號，第二次的收發間隔時間為Δt2。則第一次超聲波信號到達物體時，發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，設聲速為c，被測物體速度為v，當超聲波探頭B1發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發生變化，接收器收到的超聲波頻率與發射超聲波頻率之差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 超聲波測速系統設計

設計的超聲波測速系統如圖2，系統以單片機89C51為主控模塊，加上超聲波發射模塊、超聲波接收模塊以及顯示模塊這幾個模塊組成[4]。系統中超聲波發射模塊采用單片機內部產生的40 kHz方波信號，由按鍵控制超聲波的發射，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，將數據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聲、電轉換的裝置。這種裝置能發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TCT40T/R（直徑16 mm），TC—壓電陶瓷超聲波傳感器；T—通用性；T—發射/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。相關參數如下：

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

2.2 超聲波發射電路設計

超聲波發射電路原理圖如圖3所示。發射電路主要由反相器74LS04和超聲波發射換能器B1構成，單片機P1.0端口輸出的40 kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經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射強度。輸出端采兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。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?？梢岳盟谱鞒暡z測接收電路[4]。圖中，通過適當的改變C3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

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，時鐘采用外部12 MHz振蕩電路，系統通過S鍵進行復位。P1.0口與超聲波發射電路連接，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腳接驅動電源；第三腳VL為液晶的對比度調節，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調電阻，中間抽頭接VL，可實現液晶對比度的調節；液晶的控制線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、體積小等優點，被廣泛用于低功耗電子產品和智能儀表中[6-7]。

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

3 系統軟件設計

超聲波測速的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、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，調用發射子程序，單片機產生40kHz方波，由P1.0口輸出，經超聲波發射電路由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P3.2口為低電平時定時器T0的計時停止，存儲T0的數據為Δt1，同時啟動定時器T1，當P3.2電平跳變為高電平后下一個低電平到來時，T1定時停止，并存儲T1數據為t，T0重復計時得數據Δt2。得到定時器數據后，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，根據超聲波測速系統的要求，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射與接收所耗時間可以控制在0.09 s以內，系統可以實現測量周期不超過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運行速度，另一影響測量精度因素是環境溫度的波動，在一般情況下溫度相對恒定，所以測量精度相對較高，系統可以實現預期的精度要求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差法和頻差法同時測量速度種的方法。系統以單片機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、實時性良好，經過系統擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業現場的位置監控。

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