基于無線網絡的超聲波多普勒測速儀設計

孔祥洪，郭陽雪，胡志飛，錢衛國，王偉杰，潘 翔

（1.上海海洋大學 信息學院大學物理實驗中心，上海 201306；2.上海海洋大學 國家遠洋漁業工程技術研究中心，上海 201306）

隨著我國經濟發展，我國車輛測速儀由最初的簡單雷達測速儀發展到現在的超聲波［1－2］、激光等多種測速儀。同時在誤差補償、超速報警、便捷等方面的研究和發展取得了長足的進步。目前，無線傳感器網絡已在其他行業中得到應用，但應用于城市交通中的汽車超速的檢測預警系統還不多見。將無線傳感器網絡應用于汽車超速的檢測預警系統，具有低成本、數據采集范圍廣等特點。采取自組織的無線傳感器網絡，其特點是節點可移動，無需鋪設線路，容易維護，組網成本低，非常適合于自動化汽車超速的交通信息監測系統。本文應用超聲波傳感器物聯網絡與數字電子技術，通過TI公司推出的CC2530架構、嵌入了ZigBee協議的無線傳感網絡［3］。汽車超速的交通信息監測系統能夠克服交通信息網絡布線和維護困難等不利因素，為智慧城市建設、降低交通事故、提高城市交通監管質量起到積極作用［4］。對基于超聲波多普勒效應［5－10］設計的對車速測速系統的發射與接收兩大模塊進行了Proteus仿真［11－15］，用一些比較簡單的電路制成［16］。運輸車輛安裝監測儀，交通控制中心與相應的汽車監測儀聯網后，就可直接監測和控制［17］。

1 超聲波多普勒效應測速儀原理

1.1 車輛向多普勒測速儀行駛

多普勒測速儀發射出頻率為f0的聲波，被正以速度vp向著其運動的車輛（見圖1）接收后 ，聲波頻率變為f，f由下式定：

圖1 超聲波頻移測車速原理分析圖

上式中，v是波在介質中的傳播速度，α是測速儀與車輛間的連線與車輛運動方向的夾角。同時，聲波從該運動的車輛上被反射回去。這時可將汽車作為運動的波源，聲波測速儀測得的反射波的頻率為f′。f′由下式定：

將（1）式代入（2）式中得

從（3）式可知，汽車測速儀所接收到的反射波的頻率f′，與汽車測速儀所發射的波的頻率f0之差為

車輛的速度vp為：

1.2 車輛背離多普勒測量儀行駛

當車輛背離多普勒測速儀行駛時有：

2 汽車超速監測儀的設計方案

2.1 系統框圖

按照系統設計的功能要求，初步確定設計系統以單片機為主控模塊，另有超聲波發射模塊、超聲波接收模塊、PC機、超聲波的一些處理模塊以及顯示模塊等，如圖2所示。在圖2所示測速原理圖中，單片機與PC機通過無線連接。超聲波發射模塊是由單片機內部振蕩電路產生方波信號，由單片機通過D／A數模轉換控制超聲波發射模塊發射超聲波信號，接收模塊則是負責對回波信號進行檢測分析，及通過A／D模數轉換傳輸給單片機進行數據運算處理，單片機運算完畢后，將數據傳輸給顯示模塊進行顯示。

圖2 超聲波頻移測速原理總體框圖

2.2 部分框圖

本設計以超聲波作為探測信號，主要是由于超聲波具有方向性好、發射功率高、不易受到噪聲干擾等優點。如圖3所示，由單片機產生一個方波信號，該信號分為2路，一路接超聲波發生器，作為探測信號；另一路接混頻器。超聲波發生器發出的超聲波信號經由汽車反射回來后，由超聲波接收探頭把聲波信號轉換為相應頻率的電信號，此時該信號為微弱的余弦信號，加上由于噪聲的干擾，波形會有一些失真，需經整形放大器進行整形放大，然后經過帶通濾波器濾除過高或者過低的無用信號，進入混頻器。

圖3 超聲波頻移測速原理部分設計框圖

在混頻器中該信號和單片機產生的另一路信號（波源信號）進行混頻。由混頻器混頻后輸出的信號經過一個低通濾波器濾除高頻信號后，剩下的即為包含多普勒頻移信號的余弦信號，再經過A／D模數轉換把模擬信號轉變為單片機可以處理的數字信號，然后利用單片機的定時／計數器的定時功能取出多普勒頻移信號，通過數據處理求出汽車的運動速度，最終經顯示電路顯示出來。

3 測速儀的硬件系統電路原理圖

3.1 超聲波發射電路的原理圖

由單片機內部的振蕩電路產生的方波信號，經過波形變換以及超聲波換能器后發射出去。原理如圖4所示，由于單片機直接產生的方波不能直接加到換能器上，否則會對換能器造成損壞，縮短換能器的使用壽命。所以原理圖中從單片機產生的方波先通過二階的低通濾波器即運算放大器把方波信號轉變為正弦波信號，經過功率放大后發射出去。波的所有相關數據信 息將呈現在示波器上。

圖4 超聲波發射模塊電路

3.2 超聲波接收電路

接收部分的電路由放大電路、信號轉換電路以及超聲信號檢測電路3部分組成組成，如圖5所示（本圖省略信號檢測電路）。超聲波接收探頭接收到信號后先經過運算放大電路對回波信號進行放大，然后通過信號轉換將方波傳輸給單片機進行數據運算處理，單片機運算完畢后，將數據傳輸給顯示模塊進行顯示。

圖5 超聲波接收模塊電路

4 測速儀的軟件流程控制圖

圖6為測頻法測量多普勒頻移的流程圖，采用定時計數器T0和T1分別計數和定時。其中，程序開始時先為TF1初始化，也就是把初始數據裝入TF1，之后單片機一直檢測P0.2口，當有信號輸入P0.2口時，清空TF0，同時T0開始計數，T1開始計時，關閉中斷，計數過程中不再響應中斷；然后檢測TF1，當TF1溢出，也就是計時時間到，此時要保存T0的計數值N1和T1的計時值Ts1，進而計算出所得頻率：

圖6 測頻法流程圖

5 結束語

本文應用超聲波傳感器物聯網絡和數字電子技術，建立了一個以單片機CC2530的嵌入ZigBee協議超聲波測速系統，利用Proteus軟件設計了超聲波發射與接收模塊的硬件電路。本設計所需電子元件和電子電路均較為常見，價格低廉，性價比高，操作簡單，易于實現，可適用于實驗教學，也可批量化生產。由誤差分析可知，誤差也在可以接受的范圍之內，能夠滿足日常生活及精度要求不太高的場合的測速需要。以該思路制作而成的測速儀，應用廣泛。

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