毕业设计超声波多普勒效应测速仪的设计Word文件下载.docx

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价值包括其经济价值、社会价值、学术价值和艺术价值等。

这里要求设计能够体现物理创新思想，即意味着设计需要另辟蹊径，走一条新路子。

至少要避开实验室已有的传统的实验设计方案。

实用性明确:

操作简易，可用于实验教学。

这就要求设计人性化，易于交互，原理明确，测量准确。

性价比指标则要求控制成本，在实现同样的功能前提下其成本更加低廉。

为此首先必须正确理解多普勒效应。

多普勒效应描述的是波源或观察者，或者两者同时相对于介质有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源的振动频率不同，即发生了频移。

由此可知，这一实验设计的基本任务必须立足几点:

（1）波源选择。

多普勒效应是一切波动过程的共同特征，它适用的对象是波。

机械波与电磁波（光波）均可作为本次实验设计的分析对象。

水波、声波、光等都可以作为波源。

波源选择不同，其对应的检测方法不同，难度也不一样。

（2）设置合适的接收装置，便于观测和定量分析。

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（3）测量对象。

利用多普勒效应可以测量物体的运动速度、液体的黏度[1]等。

本实验测量对象定为运动物体的速度。

二、方案论证

根据题目分析，可选波源基本上是水波、声波与光波三种波源之一。

从直观性和形象性指标来看，水波多普勒现象最为直观，声波在听阈范围内较为直观，光波在必须借助仪器，直观性相对较弱。

从可操控性指标而言，水波的操控性不易控制，声波与光波相对较好。

从成本指标来看，水波最为廉价，声波其次，光波则偏高。

如果能很好的控制水波波源的稳定，可实现物美价廉的设计目标。

其次是利用超声波。

此外，由于处理物理信号没有处理电信号那样便捷，因此都将采用转换电路，将物理信号转换成电信号进行测量。

根据多普勒效应原理，可以直接选择频率为测量对象，这样可直接的验证上述原理。

通常的测量方法多为利用电路得到频移信号，并通过存储示波器测量该

[1]频移量。

如此一来，测试仪器相对大而笨重，仅适合于实验室内采用。

相较而言，采用直接测量频率更为直接与直观，相应的代价却较小，利用单片机系统即可胜任数据的存储、处理与显示。

基于前面的分析和便于DIY以制作，最后决定利用超声波来完成。

原因之一在于超声波已经广泛的应用于生活，如运动测速和彩超。

同时通过这种方式，可以更好的理解和体验理论与实践之间的差距。

之二是:

以水波为研究对象虽然直观形象，但是它需要耗费大量的水。

作为一个演示实验也许可选，但是如果作为学生实验则与现今“节能减排”和“节约水资源”的主流相违背。

而如果选择光为对象，我们的理解是其投入的成本明显增加，难度也加大。

通过分析完成实验设计的功能框图，如图1所示。

图1a超声多普勒实验系统框图

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图1b实验系统示意图

图1超声波多普勒效应测速原理图

1、实验原理

根据多普勒效应，以介质为参考系，并假设波源和观察者之间的运动在两者的连线上，则有下面规律:

vv，0bff？

？

（1）,0v,v0s

式中，v0__声速;

vs__波源相对于介质的速度;

vb__观察者相对于介质的速度。

当观察者与波源相向运动时，取正;

当二者相背运动时，取负。

根据原理，直接确定测量的物理量:

频率。

实验装置静止时测量信号源的频率f;

当声源运动时测得的频率f。

当波源与观察者都相对与介质静止时，测得0

的频率即为波源的振动频率。

其次采用物理学中所用“由静及动”思想以及变量控制法，将波源和观察者设定为其中一个运动，而另一个处于静止，以控制测量的误差因素，提高测量的准确度与精度。

在此，采用发射装置动，测量装置静止的方法进行测量。

于是有，

v,v（1,f/f）……

（2）s00

又已知声速与温度的关系式为:

v,331.5，0.6t……（3）0

其中t的单位为摄氏度.因此为了更准确地验证多普勒效应，可由测出实验时的环境温度以对测试数据进行修正。

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本设计只需测量两种工作状态下的频率即可完成测量任务。

操作简单，数据测量快捷、准确。

2、方案的组成

超声波多普勒实验设计方案主要由超声波发射模块、超声波接收模块、信号调理模块、单片机控制系统和显示输出模块等构成。

考虑到操作的便捷性，引入测量启动控制。

具体系统框图如图2所示。

图2超声多普勒实验系统框图

利用超声波设计多普勒效应实验装置，根据实验原理将测量对象设定为超声波的频率。

通过频率的测量来观测其频移现象，同时定量计算出待测物体的运动速度。

在以往的多普勒实验中，也有采用超声波作为波源，但其测量仪器则相对昂贵，如基于数字存储示波器的超声多普勒效应实验系统，需要采用数字示波器、信号源、控制源等。

属常规实验测量手段与方法。

随着技术的进步和学习内容的更新，微机原理和接口技术等课程进入课堂，可以对传统实验进行创新。

本设计完全基于大学所学电子技术与单片机等内容展开。

相较之下，该设计可实现测控系统小巧精悍的特点，且价格低廉。

2.1超声发射电路

需要一个信号发生器并提供足够能力驱动超声发射器电路即可。

根据模拟电路与数字电路所学，实现方案比较丰富，不存在理论与技术上的难度，简单列表如下。

方案一:

对称式/非对称式多谐振荡器;

方案二:

由施密特触发器构成多谐振荡器;

方案三:

利用晶振构成振荡电路;

方案四:

利用555定时器构成多谐振荡器。

如图3所示为一种由晶振构成的多谐振荡器发射电路。

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图3超声波发射电路方案一

考虑到555定时器的应用极其广泛，购买元器件也非常方便。

同时为增强电路可调性，经过论证选择用555定时器作为超声发射的核心器件。

为增强发射信号的强度，采用推挽输出。

具体设计见硬件电路部分。

2.2超声接收与信号调理

主要完成信号的放大和整型，以完成其与单片机的对接。

调理后的信号处理方案有多种选择。

一是将单片机的定时器T1/T0分别作为定时器与外部脉冲计数输入，通过软件的方法完成频率的测量与分析;

另一种采用分频器与计数器相结合的方法实现频率计数，计数结果交由单片机处理。

两者有一共同特点:

当计时到时，利用门控位屏蔽信号输入，停止计数。

对于频率较低的信号，采用前者其能较好的胜任;

对高频信号则需要增设外部硬件电路与软件相结合来实现。

为充分发挥作品的通用性，可采用硬件计数，并预留软硬结合的通道，方便扩展应用。

具体实施时采用了另一种方案:

将光电门与外部中断结合，控制定时器与计数器的运作。

2.3单片机系统

单片机与显示模块兼具频率计功能。

本设计中它主要完成信号频率的测量、数据分析和测量结果的存储与显示。

常规频率计数器多半采用数码管与LED量

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程指示完成显示。

考虑到需要实现时间与脉冲计数两个物理量的数据显示功能，选用LCD显示，以简化电路设计。

三、硬件设计

1、超声波发射电路

图4所示超声波发射电路以555定时器为核心器件。

图4超声波发射电路原理图

由555定时器构成一个频率为40KHz的多谐振荡器，电阻R1选用电位器便

=1.5K,于很好的调节频率，以保证超声发生器工作在其最佳频率上。

设R1R2=15K，C1=1000pF，则其频率计算的理论方法如下:

T=0.69xR1xC1放

3-12=0.69x15x10x1000x10

=10µ

s

T=0.69x（R1+R2）xC1充

3-12=0.69x16.5x10x1000x10

=11µ

f=1/（T+T）=46.0KHz充放

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由U2构成的电路实现推挽驱动。

如果选用电源为5V，则发射信号的峰峰值为10V。

也可以直接将发射器接至定时器的输出引脚和地，但这时的输出峰峰值不到5V，驱动能力明显减弱。

实际使用时，我们选用了9V电池作为电源。

因此其峰峰值达到18V。

电路仿真结果如图5所示。

图5发射电路驱动仿真结果

2、超声波接收整型电路

接收电路的方案有基本设定了两种:

一种是利用通用集成运放，如741/LM324/LM348/LT1014等;

另一种是利用专用音频功放集成电路，如LM386。

为保证信号接收可靠，采用两级放大到1000倍左右。

采用通用集成运放时，其原理图如图6所示。

其中同相输入端取电源电压的一半，旨在设定直流偏置点以保证信号的正负半周都得到同样的放大。

如果不设置该偏置则会出现信号得不到预期的放大，甚至更弱。

采用专用音频功放集成电路，其电路则更为简单，所需元件也较少。

如图7所示。

具体电路设计参考集成电路数据表得到。

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图6超声波接收放大电路原理图

图7采用音频功放构成的接收电路

根据发射信号可知，接下来需要将放大后的信号进行整型。

整型电路可以选用开关电路或者过零电压比较器实现。

图7所示由Q1构成的开关电路可实现波形转换。

当放大后的信号为高电平时，Q1导通，输出为低电平;

反之为高电平。

该逻辑电平即可作为频率计数器的信号脉冲输入。

运用图8接收电路仿真结果

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图8:

接受电路驱动仿真结果

3、频率计数器

频率计主要借助单片机来实现。

如前所述，有三种方案。

如图9显示了其中方案一与方案二两种。

方案一需要充分利用单片机的两个定时器T1和T0。

将T0配置为计数器，信号从该引脚输入，而将T1配置为定时器，设定计时长度以控制门控位，进而实现脉冲计数。

测量时间长度由软件设定。

对于不同的运动速度需要选用不同的测量时间，因此需要设定时长选择模式。

方案一利用光电门来计时，启动光电门实现启动计数功能。

方案二则利用硬件计数器实现频率计数。

利用16进制计数器74hc161与12位二进制计数器，可实现长度为64K的计数，可以满足本实验计数要求。

如图10所示，如果不计算161的输出Q3..0的数值，则造成零头误差。

也可以将两种方案结合使用，将信号经16分频后接至方案一的信号输入端处理。

其计数长度则更大，可测量频率范围更广。

以上方案都有其各自特点，但以上电路运用零件较多，编程难度也更高，为了化简电路及编程频率计采用了下面的方案三。

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图9两种计数方案

利用外部中断和定时器，将光电门触发外部中断以控制定时器的运行与停止。

更加符合实际的实验操作流程和便于分析与理解实验原理，使学生更好的掌