摘要：现在在超声波测速技能中，一般选用单一的时差法或频差法测速，当被测物体的速度改动规模较大时，单一的测速办法会引进较大的丈量误差。体系以单片机AT89C51为中心，将时差法测速和频差法测速集成在同一套体系中，完结了两种办法的一起丈量。剖析标明该办法的丈量误差小，丈量精度高，在近间隔实时测速方面有必定的理论价值和使用远景。
关键词：时差法测速；频差法测速；AT89C51；超声波发射电路；超声波接纳电路
超声波测速设备能够在雨、雪、雾等各种恶劣环境下作业，而且体系制造简洁、成本低。超声波测速分为时差法和频差法，时差法多用于低速丈量，而频差规律多用于高速丈量。现有的超声波测速体系中，要么是单一的时差法测速，要么是单一的频差法测速，当被测速度改动规模较大时，采纳这种单一的地测速办法导致的丈量精度下降，本体系以单片机AT89C51为中心，将时差法测速和频差法测速集成在同一套体系中，完结了两种办法的一起丈量。
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纳的时刻为△t1，收到回波信号后再发一次超声波信号，第2次的收发间隔时刻为△t2。则第一次超声波信号抵达物体时，发射探头与物体之间间隔为S1，第2次超声波信号抵达物体时，发射探头与物体之间间隔为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发生改动，接纳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，只需得到多普勒频移信号△f，即可求得物体的运动速度v。体系规划对超声波的多普勒频移是使用对运动物体反射回来的回波信号周期进行计时，然后得出回波信号频率。
2 超声波测速体系规划
规划的超声波测速体系如图1，体系以单片机89C51为主控模块，加上超声波发射模块、超声波接纳模块以及显现模块这几个模块组成。体系中超声波发射模块选用单片机内部发生的40 kHz方波信号，由按键操控超声波的发射，接纳模块则是担任对回波信号进行检测剖析然后传输给单片机进行运算处理，单片机运算结束后，将数据传输给显现模块进行显现。
2．1 超声波传感器
超声波传感器是完结声、电转化的设备。这种设备能发射超声波和接纳超声波回波，并转化成相应电信号。体系选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一接纳。探头外形如图2，其有用规模比较大，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)接纳灵敏度40 kHz(0 dB=V／ubar)：≥-65 dB
4)静电容量1 kHz：1V(PF)：2 000+30％
2．2 超声波发射电路规划
超声波发射电路原理图如图3所示。发射电路首要由反相器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，用这种推挽方式将方波信号加到超声波换能器的两头，能够进步超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以进步驱动才能。上位电阻R1、R2一方面能够进步反向器74LS04输出高电平的驱动才能，另一方面能够添加超声波换能器的阻尼作用，缩短其自由振荡时刻。
2．3 超声波检测接纳电路
超声波信号在空气中传达一段间隔后碰到运动物体反射回来。超声波接纳电路原理如图4所示，其选用集成电路CX20106A，CX20106A是一款集信号扩大、整形、滤波、检波于一体的芯片。能够使用它制造超声波检测接纳电路。图中，通过恰当的改动C3的巨细，能够改动接纳电路的灵敏度和抗干扰才能。
作业原理：CX20106A集成芯片是当超声波接纳探头接纳到超声波信号时，压榨压电晶体做振荡，将机械能转化成电信号，由红外线检波接纳集成芯片CX20106A接纳到电信号后，对所接信号进行辨认，若频率在38 kHz至40 kHz左右，则输出为低电平，不然输出为高电平。
2．4 操控及显现模块
本体系选用AT89C51作为数据处理芯片，AT89C51构成的最小单片机体系如图5，时钟选用外部12MHz振荡电路，体系通过S键进行复位。P 1．0口与超声波发射电路衔接，P3．2口与超声波接纳电路衔接。体系选用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2脚接驱动电源：第三脚VL为液晶的对比度调理，通过在VCC和GND之直接一个10K多圈可调电阻，中心抽头接VL，可完结液晶对比度的调理；液晶的操控线RS、R／W、E别离接单片机的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、体积小等长处，被广泛用于低功耗电子产品和智能仪表中。
3 体系软件规划
超声波测速的软件规划首要南主程序、超声波发生子程序、超声波接纳程序、物体运动速度程序以及显现子程序几部分组成，选用C言语编程。
规划的超声波测速体系一起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，单片机发生40kHz方波，由P1．0口输出，经超声波发射电路由B1输出，一起守时器T0开端计时，当超声波信号碰到物体反射回来后，当接纳器收到回波信号时守时器T0中止作业，一起发动守时器T1，当下一个上升沿到来时，守时器T1中止计时，依据P3．2口为低电平时守时器T0的计时中止，存储T0的数据为△t1，一起发动守时器T1，当P3．2电平跳变为高电平后下一个低电平到来时，T1守时中止，并存储T1数据为t，T0重复计时得数据△t2。得到守时器数据后，使用守时器T0的两次时刻记载选用时差法求出物体运动速度，而使用守时器1的时刻记载则能够得出回波信号的频率，从而使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 体系功能剖析
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，依据超声波测速体系的要求，当丈量间隔在10m以下时，设此刻的声速为340m／s，则关于时差法的两次发射与接纳所耗时刻能够操控在0．09 s以内，体系能够完结丈量周期不超越0．1 s的规划要求。
4．2 频差法测速
在频差法测速时，捕捉回波信号的周期，其丈量的精度丢失首要来源于电路以及继续运转速度，另一影响丈量精度要素是环境温度的动摇，在一般情况下温度相对稳定，所以丈量精度相对较高，体系能够完结预期的精度要求0．1 m／s，其丈量周期在丈量间隔不超越30 m的情况下，设声速为340 m／s，其丈量周期小于0．09 s，契合测速体系的规划要求。
5 定论
文中提出了超声波时差法和频差法一起丈量速度种的办法。体系以单片机AT89C51为中心，将时差法测速和频差法测速集成在同一套体系中，并完结体系的硬件电路与软件的规划。剖析标明，这套体系软硬件规划合理、抗干扰才能强、实时性杰出，通过体系扩展和晋级，能够有用地处理轿车倒车、修建施工工地以及一些工业现场的方位监控。
