超声波多普勒效应测速仪的设计
超声波多普勒效应测速仪
一、题目分析
本设计为本次实验设计大赛基础题，其设计的原理基于多普勒效应。题目的任务为：设计与多普勒效应相关的实验，观测其物理现象，基于实验测量数据分析被测对象的物理过程（物理量）。要求：
（1）突出实验的物理原理；
（2）体现作品的物理创新思想；
（3）进行不确定度分析；
（4）操作简易、可用于实验教学；
（5）性价比高。
从题目命题来看，目的非常明确，就是设计一个实验使之能观测多普勒效应并能测定相关物理量。实现这个基本点的基础上，要求体现作品的物理创新思想与实用性。再者，实验装置成本低，性能好。
创新的一个基本认识是：通过创造或引入新的技术、知识、观念或创意创造出新的产品、服务、组织、制度等新事物并将其应用于社会，以实现其价值的过程。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。
（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频移量[1]。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
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：
)1(000 f v v v v f s
b -+=
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 0；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，
)/1(00f f v v s -= (2)
又已知声速与温度的关系式为：
t v 6.05.3310+= (3)
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。
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。
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R1=1.5K,
R2=15K，C1 = 1000pF，则其频率计算的理论方法如下：
T放= 0.69 x R1 x C1
= 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12
= 10 μs
T充= 0.69 x ( R1+ R2 ) x C1
= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12
= 11 μs
f= 1 / ( T充+ T放) = 46.0 KHz
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。
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
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。
图9 两种计数方案
方案三：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，使学生更好的掌握控制原理与编程思想。具体电路见单片机系统。
4、单片机系统
单片机在本实验中扮演数据处理与显示的功能。电路则相对简单，见图10所示。
图10 单片机系统
图中的启动开关实现启动计数功能，实际电路用光电开关电路取代。其原理如图11所示。当无光照时，光敏电阻大，输出电平为低电平；光照强度大时，输出为高电平。电位器的作用是设定光照强度临界点。根据需要，其后加以反相电路即可。LED指示灯用以指示T1/T0的工作状态，便于实验人员掌握它们
的运行状况，判断是否按照控制要求工作。
图12仿真结果表明满足实验设计要求。
图12 电路仿真结果
四、软件设计
1、软件设计任务
单片机系统的任务有：实现信号源频率的测定与显示；实现运动时频率的检测与显示。即一键测定信号源频率，设为模式1和正常测量模式，设为模式2。系统默认模式为模式1。为使实验更加灵活与可靠，要求两种模式能独立控制而不受先后顺序的制约。有关实际频率，为强调学生的参与和掌握误差来源，选用人工计算。故送显的数据由计数时长与该时间内的脉冲个数组成。两种模式的资源配置与控制见表所示。
表1 系统资源配置与控制逻辑
2、软件流程
根据设计要求，给出流程图，如图13所示。
图13 控制流程图
五、数据分析与测试验证
1、实验过程
实验分两个测量任务：一个为测量信号源随物体运动时的频率测量（模式2）；另一个为测定信号源自身的频率（模式1）。
模式1的操作过程：
（1）调节好发射头与接收头的位置，使中心线始终保持在同一直线上。
（2）打开频率计及超声波发射器开关。
（3）保持小车静止，按一次一键测定按钮。
（4）读取100ms内的脉冲数。
（5）计算信号源频率。
模式2的操作过程：
（1）调节好发射头与接收头的位置，使中心线始终保持在同一直线上。
（2）打开频率计及超声波发射器开关。
（3）准备好后，释放砝码，测试开始，仪器自动记录小车通过时间t及该时间内接收到的脉冲个数。
（4）重复步骤（3），测量5次，将实验结果计入表1中。
（5）计算不确定度，分析误差来源。
注意事项：
●小车速度不能太快，防止脱轨，损坏仪器。
●注意用电安全。本装置测试系统采用自制直流稳压电源，发射装
置则选用电池供电。对于发射装置，需要检查电池能量是否充沛。
●发射器与接收器务必要对准，否则引入误差会较大。
小车通过砝码牵引，如果装置没有进行平衡摩擦力处理，实际上为匀加速直线运动，而数据处理时却近似为匀速直线运动。因而为保证测量的准确性与瞬时性，光电门间的距离不宜设置得太远。
2、测试结果
表2 两光电门之间的距离
表3 超声波声源频率
表4 声源远离时测得数据与分析结果
表5 根据距离－时间测量结果（距离18.5cm）
通过上述数据对比分析，可知该装置的测量精度较高。
3、实物图
整个实验装置简单、轻便，完全能胜任实验教学。
六、结论
经实验验证，本多普勒超声波效应测速仪能够准确的完成超声波频率的测量并验证了多普勒效应。通过简易计算即可可算出小车速度，实现了定量实验。由于实验装置以单片机为控制核心，只需对程序作一定修改即可很方便的改进以满足多种运动状态的物理量测量，增强了其可操作性与扩展性。整套实验设备简易，轻巧，设备制作成本低廉，性价比较高，值得在课堂教学和实验教学中进行推广。
参考文献
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应实验系统的研究与应用[J]. 大学物理. 2009, Vol. 28(12),P33-35. [2] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程－入门、提高、开发、拓展全
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[3] 童诗白，华英成. 模拟电子技术基础（第四版）[M]. 北京：高等教
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