基于无线网络的超声波多普勒测速仪设计

2014-05-02孔祥洪郭阳雪胡志飞钱卫国王伟杰

实验技术与管理 2014年4期

孔祥洪，郭阳雪，胡志飞，钱卫国，王伟杰，潘翔

（1.上海海洋大学信息学院大学物理实验中心，上海 201306；2.上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306）

随着我国经济发展，我国车辆测速仪由最初的简单雷达测速仪发展到现在的超声波［1－2］、激光等多种测速仪。同时在误差补偿、超速报警、便捷等方面的研究和发展取得了长足的进步。目前，无线传感器网络已在其他行业中得到应用，但应用于城市交通中的汽车超速的检测预警系统还不多见。将无线传感器网络应用于汽车超速的检测预警系统，具有低成本、数据采集范围广等特点。采取自组织的无线传感器网络，其特点是节点可移动，无需铺设线路，容易维护，组网成本低，非常适合于自动化汽车超速的交通信息监测系统。本文应用超声波传感器物联网络与数字电子技术，通过TI公司推出的CC2530架构、嵌入了ZigBee协议的无线传感网络［3］。汽车超速的交通信息监测系统能够克服交通信息网络布线和维护困难等不利因素，为智慧城市建设、降低交通事故、提高城市交通监管质量起到积极作用［4］。对基于超声波多普勒效应［5－10］设计的对车速测速系统的发射与接收两大模块进行了Proteus仿真［11－15］，用一些比较简单的电路制成［16］。运输车辆安装监测仪，交通控制中心与相应的汽车监测仪联网后，就可直接监测和控制［17］。

1 超声波多普勒效应测速仪原理

1.1 车辆向多普勒测速仪行驶

多普勒测速仪发射出频率为f0的声波，被正以速度vp向着其运动的车辆（见图1）接收后，声波频率变为f，f由下式定：

图1 超声波频移测车速原理分析图

上式中，v是波在介质中的传播速度，α是测速仪与车辆间的连线与车辆运动方向的夹角。同时，声波从该运动的车辆上被反射回去。这时可将汽车作为运动的波源，声波测速仪测得的反射波的频率为f′。f′由下式定：

将（1）式代入（2）式中得

从（3）式可知，汽车测速仪所接收到的反射波的频率f′，与汽车测速仪所发射的波的频率f0之差为

车辆的速度vp为：

1.2 车辆背离多普勒测量仪行驶

当车辆背离多普勒测速仪行驶时有：

2 汽车超速监测仪的设计方案

2.1 系统框图

按照系统设计的功能要求，初步确定设计系统以单片机为主控模块，另有超声波发射模块、超声波接收模块、PC机、超声波的一些处理模块以及显示模块等，如图2所示。在图2所示测速原理图中，单片机与PC机通过无线连接。超声波发射模块是由单片机内部振荡电路产生方波信号，由单片机通过D／A数模转换控制超声波发射模块发射超声波信号，接收模块则是负责对回波信号进行检测分析，及通过A／D模数转换传输给单片机进行数据运算处理，单片机运算完毕后，将数据传输给显示模块进行显示。

图2 超声波频移测速原理总体框图

2.2 部分框图

本设计以超声波作为探测信号，主要是由于超声波具有方向性好、发射功率高、不易受到噪声干扰等优点。如图3所示，由单片机产生一个方波信号，该信号分为2路，一路接超声波发生器，作为探测信号；另一路接混频器。超声波发生器发出的超声波信号经由汽车反射回来后，由超声波接收探头把声波信号转换为相应频率的电信号，此时该信号为微弱的余弦信号，加上由于噪声的干扰，波形会有一些失真，需经整形放大器进行整形放大，然后经过带通滤波器滤除过高或者过低的无用信号，进入混频器。

图3 超声波频移测速原理部分设计框图

在混频器中该信号和单片机产生的另一路信号（波源信号）进行混频。由混频器混频后输出的信号经过一个低通滤波器滤除高频信号后，剩下的即为包含多普勒频移信号的余弦信号，再经过A／D模数转换把模拟信号转变为单片机可以处理的数字信号，然后利用单片机的定时／计数器的定时功能取出多普勒频移信号，通过数据处理求出汽车的运动速度，最终经显示电路显示出来。

3 测速仪的硬件系统电路原理图

3.1 超声波发射电路的原理图

由单片机内部的振荡电路产生的方波信号，经过波形变换以及超声波换能器后发射出去。原理如图4所示，由于单片机直接产生的方波不能直接加到换能器上，否则会对换能器造成损坏，缩短换能器的使用寿命。所以原理图中从单片机产生的方波先通过二阶的低通滤波器即运算放大器把方波信号转变为正弦波信号，经过功率放大后发射出去。波的所有相关数据信息将呈现在示波器上。

图4 超声波发射模块电路

3.2 超声波接收电路

接收部分的电路由放大电路、信号转换电路以及超声信号检测电路3部分组成组成，如图5所示（本图省略信号检测电路）。超声波接收探头接收到信号后先经过运算放大电路对回波信号进行放大，然后通过信号转换将方波传输给单片机进行数据运算处理，单片机运算完毕后，将数据传输给显示模块进行显示。

图5 超声波接收模块电路

4 测速仪的软件流程控制图

图6为测频法测量多普勒频移的流程图，采用定时计数器T0和T1分别计数和定时。其中，程序开始时先为TF1初始化，也就是把初始数据装入TF1，之后单片机一直检测P0.2口，当有信号输入P0.2口时，清空TF0，同时T0开始计数，T1开始计时，关闭中断，计数过程中不再响应中断；然后检测TF1，当TF1溢出，也就是计时时间到，此时要保存T0的计数值N1和T1的计时值Ts1，进而计算出所得频率：

图6 测频法流程图

5 结束语

本文应用超声波传感器物联网络和数字电子技术，建立了一个以单片机CC2530的嵌入ZigBee协议超声波测速系统，利用Proteus软件设计了超声波发射与接收模块的硬件电路。本设计所需电子元件和电子电路均较为常见，价格低廉，性价比高，操作简单，易于实现，可适用于实验教学，也可批量化生产。由误差分析可知，误差也在可以接受的范围之内，能够满足日常生活及精度要求不太高的场合的测速需要。以该思路制作而成的测速仪，应用广泛。

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