一款基于AT89C51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为核心，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为核心，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，设第一次从超声波发射到接收的时间为△t1，收到回波信号后再发一次超声波信号，第二次的收发间隔时间为△t2。则第一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的方波信号一路经一级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。

2.3 超声波检测接收电路

超声波信号在空气中传播一段距离后碰到运动物体反射回来。超声波接收电路原理如图4所示，其采用集成电路CX20106A，CX20106A是一款集信号放大、整形、滤波、检波于一体的芯片。可以利用它制作超声波检测接收电路。图中，通过适当的改变C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

工作原理：CX20106A集成芯片是当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38 kHz至40 kHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。

2.4 控制及显示模块

本系统采用AT89C51作为数据处理芯片，AT89C51构成的最小单片机系统如图5，时钟采用外部12MHz振荡电路，系统通过S键进行复位。P 1.0口与超声波发射电路连接，P3.2口与超声波接收电路连接。系统采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2脚接驱动电源：第三脚VL为液晶的对比度调节，通过在VCC和GND之间接一个10K多圈可调电阻，中间抽头接VL，可实现液晶对比度的调节;液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7;数据口接在单片机的P0口;BL+、BL-为液晶背光电源。液晶LCD1602具有超薄、功耗低、体积小等优点，被广泛用于低功耗电子产品和智能仪表中。

3 系统软件设计

超声波测速的软件设计主要南主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序、物体运动速度程序以及显示子程序几部分组成，采用C语言编程。

设计的超声波测速系统同时具有时差法以及频差法测速，对单片机进行初始化之后，调用发射子程序，单片机产生40kHz方波，由P1.0口输出，经超声波发射电路由B1输出，同时定时器T0开始计时，当超声波信号碰到物体反射回来后，当接收器收到回波信号时定时器T0停止工作，同时启动定时器T1，当下一个上升沿到来时，定时器T1停止计时，根据P3.2口为低电平时定时器T0的计时停止，存储T0的数据为△t1，同时启动定时器T1，当P3.2电平跳变为高电平后下一个低电平到来时，T1定时停止，并存储T1数据为t，T0重复计时得数据△t2。得到定时器数据后，利用定时器T0的两次时间记录采用时差法求出物体运动速度，而利用定时器1的时间记录则可以得出回波信号的频率，进而利用频差原理求出物体速度。超声波测速的主程序流程图如图6所示。

4 系统性能分析

4.1 时差法测速

在时差法测速过程中，40 kHz的方波其波长为25μs，根据超声波测速系统的要求，当测量距离在10m以下时，设此时的声速为340m/s，则对于时差法的两次发射与接收所耗时间可以控制在0.09 s以内，系统可以实现测量周期不超过0.1 s的设计要求。

4.2 频差法测速

在频差法测速时，捕捉回波信号的周期，其测量的精度损失主要来源于电路以及持续运行速度，另一影响测量精度因素是环境温度的波动，在一般情况下温度相对恒定，所以测量精度相对较高，系统可以实现预期的精度要求0.1 m/s，其测量周期在测量距离不超过30 m的情况下，设声速为340 m/s，其测量周期小于0.09 s，符合测速系统的设计要求。

5 结论

文中提出了超声波时差法和频差法同时测量速度种的方法。系统以单片机AT89C51为核心，将时差法测速和频差法测速集成在同一套系统中，并完成系统的硬件电路与软件的设计。分析表明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。