CN104569990A - 多普勒效应速度测量演示仪 - Google Patents

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Abstract

多普勒效应速度测量演示仪，属嵌入式计算机测量领域。超声波产生器产生40KHZ频率和相位一定的超声波；经弹簧振子反射，超声波接收器接收信号；经放大整形电路将信号放大并转变为方波信号；超声波产生电路和整形电路分别与D触发器相连进行信号差频；D触发器与嵌入式计算机相连进行数据分析及处理，计算得到弹簧振子的速率；嵌入式计算机分别与D/A转换模块相连经示波器输出弹簧振子速率变化曲线，与温度传感器相连进行温度补偿，与速率显示模块连接输出弹簧振子瞬时速率与声响演示模块相连以频率可变的声音方式输出频率变化的声响代表振子速度变化。本发明操作性强，演示直观，开发成本低，兼顾多普勒效应模拟、速度测量及显示、波形演示及声响演示。

Description

多普勒效应速度测量演示仪
技术领域
本发明涉及计算机数据采集领域，特别是涉及一种利用多普勒效应、采用嵌入式计算机进行数据处理的速度测量原理演示。
背景技术
传统的多普勒效应演示，通常用示波器显示运动声源声波波形的频率变化，是一种定性的、半定量演示，即使有部分计算，也只是离线计算，以验证多普勒效应。近年来随着大规模集成电路、计算机技术、数字系统的飞速发展，数字系统日益显示出高性能、可靠性好、灵活性、及体积小、功耗低、成本低等优点，利用嵌入式计算机处理器进行相应的数据处理、计算，实现快速、实时高精度数据测量。
发明内容
本发明的目的是为了克服演示实验的数据离线处理，验证效果不直观的不足，提供一种价格便宜、体积小，数字显示与音频播放的直观效果演示仪。该演示仪包括：超声波产生电路、超声波产生器、超声波接收器、信号放大与整形电路、差频电路、频率测量的嵌入式单片机、D/A转换模块、速率显示模块、声响演示模块。其中，超声波产生器在单片机控制下由超声波产生电路产生频率一定的超声波，超声波接收器用来接收运动的弹簧振子反射的超声波信号，该信号靠放大与整形电路转变成方波信号，再与控制产生的超声波信号差频得到一个频率较低的方波信号。该方波信号的频率与振子运动速度成正比，然后送入嵌入式单片机进行频率测量。利用多普勒效应公式计算得到弹簧振子的速率，以数字方式显示，并且以频率可变的声音方式输出频率变化的声响代表振子的速率变化，还可通过D/A转换器在示波器上输出弹簧振子速率变化曲线。本发明采用如下技术方案：
多普勒效应速度测量演示仪，其包括有：
超声波产生模块，该模块产生超声波，其产生的控制信号是来自于单片机MSP430G2553的一定频率的方波信号；
弹簧振子，通过弹簧振子上下振动模拟多普勒效应中相对运动的变化，当振子运动速度为零即与超声波产生波源相对运动为零的最高点与最低点时，反射的超声波频率最低，当振子运动速度最快即与超声波产生波源相对运动最快的中心位置时，反射的超声波频率最高；
超声波接收模块，该模块是将运动的弹簧振子反射回来的超声波转换为电信号，由于多普勒效应，该信号的频率随弹簧振子的速度变化而变化；
信号放大与整形模块，该模块负责将接收的超声波信号放大，并且整形为频率相同的方波信号，以便后续差频处理；
差频模块，该模块两个信号输入端分别是产生超声波的控制信号和接收超声波的放大整形信号，该模块输出的就是上述两个信号的频率差，方波形式，频率与弹簧振子速度成正比；
嵌入式计算机模块，该模块功能是声波控制、频率测量、速率数字显示及声响输出，是整个演示仪的核心数字处理器；
D/A转换模块，该模块作用是将嵌入式计算机中数字信号转换为模拟电信号输出给示波器，通过波形变化展示弹簧振子速率变化曲线；
温度补偿模块，该模块通过温度传感器将实时温度传给嵌入式计算机进行温度补偿，提高测量精确度；
速率显示模块与声响演示模块，分别从视觉及听觉上展示弹簧振子运动速度的快慢，显示模块输出为弹簧振子瞬时速率，声响模块输出的声音大小随弹簧振子速度增加而变大、速度减少而变小；
各模块间，超声波产生模块产生频率一定的超声波，经弹簧振子往复运动并反射给超声波接收模块，将声波信号转化为电信号传送给信号放大与整形模块，通过信号放大并整形为频率相同的方波信号再传给差频模块，差频模块将产生超声波的控制信号和接收超声波的放大整形信号差频后输送给嵌入式计算机模块，通过单片机芯片内部功能进行频率测量，输出给速率显示模块显示弹簧振子瞬时速率，输出给声响演示模块演示弹簧振子速率变化，输出给D/A转换模块通过示波器展示弹簧振子速率变化曲线，并与温度补偿模块连接提高测量精确度。
所述的多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，所述的弹簧振子上下运动，在弹簧振子下面固定一个超声波反射板；超声波发射与接收都直接面对该反射板；嵌入式计算机中频率测量部分可连续测量振子的上下往复运动速率。
所述的多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，所述差频模块，采用单一数字芯片74F74型D触发器完成，输入输出均为TTL电平的方波。
所述的多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，所述声响演示模块中通过声响效果表达振子速率大小；通过声音频率的交替变化半定量地表示了振子速率的交替变化。
优选的是，所述的超声波发生模块包括16mm超声波发射探头、功率放大管、来自于单片机MSP430G2553的方波信号，频率在超声波频率范围。
优选的是，所述的超声波接收模块包括16mm超声波接收探头，探头与振子的距离应小于2.5m。
优选的是，所述放大整形电路包括LM358运算放大器将电压放大、LM311电压比较器产生整形后的方波，频率与接收超声波频率相同。
优选的是，所述差频电路包括74F74型D触发器。
优选的是，所述的嵌入式计算机，属于单片微型计算机，采用STC12C5A16S2，可在线编程、主频高达35M，具有很强的数据处理能力。
优选的是，所述的数字显示为LCD1602液晶屏。
优选的是，所述的声响输出由单片机STC12C5A16S2的PWM输出模拟信号，经电流放大，使得无源蜂鸣器发声。
优选的是，所述演示仪电路系统由5V DC供电。
本发明的有益效果是：
1.系统结构简单、价格低廉、体积小。
2.演示效果直观，既有声响表达，也有速度的数字显示
3.速度显示和表达是实时的。
附图说明
图1为本发明的多普勒效应速度测量演示仪的主视图(结构示意图)。
图2为本发明的多普勒效应速度测量演示仪的原理示意图。
图3为本发明的多普勒效应速度测量演示仪的电路实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的多普勒效应速度测量演示仪的结构、原理及其电路实施例示意图，应当说明的是，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本专利。
本发明的结构示意图，如图1所示，主要包括：弹簧振子1、超声波发生模块2、超声波接收模块3、声响演示模块4、速率显示模块5、示波器接口6。
本发明的原理示意图，如图2所示，主要包括这么几个模块：1、2为超声波产生模块，4为超声波接收模块，5为放大整形模块，6为差频模块，7为嵌入式计算机模块，8为D/A转换模块，10为声响演示模块，11为速率显示模块，12为温度补偿模块。
本发明的电路实施例示意图，如图3所示，各主要器件间的具体连接，根据图2与图3做以下具体说明：多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，其包括有：
超声波产生模块，该模块产生超声波，其产生的控制信号是来自于单片机MSP430G2553的一定频率的方波信号；
弹簧振子，通过弹簧振子上下振动模拟多普勒效应中相对运动的变化，当振子运动速度为零即与超声波产生波源相对运动为零的最高点与最低点时，反射的超声波频率最低，当振子运动速度最快即与超声波产生波源相对运动最快的中心位置时，反射的超声波频率最高；
超声波接收模块，该模块是将运动的弹簧振子反射回来的超声波转换为电信号，由于多普勒效应，该信号的频率随弹簧振子的速度变化而变化；
信号放大与整形模块，该模块负责将接收的超声波信号放大，并且整形为频率相同的方波信号，以便后续差频处理；
差频模块，该模块两个信号输入端分别是产生超声波的控制信号和接收超声波的放大整形信号，该模块输出的就是上述两个信号的频率差，方波形式，频率与弹簧振子速度成正比；
嵌入式计算机模块，该模块功能是声波控制、频率测量、速率数字显示及声响输出，是整个演示仪的核心数字处理器；
D/A转换模块，该模块作用是将嵌入式计算机中数字信号转换为模拟电信号输出给示波器，通过波形变化展示弹簧振子速率变化曲线；
温度补偿模块，该模块通过温度传感器将实时温度传给嵌入式计算机进行温度补偿，提高测量精确度；
速率显示模块与声响演示模块，分别从视觉及听觉上展示弹簧振子运动速度的快慢，显示模块输出为弹簧振子瞬时速率，声响模块输出的声音大小随弹簧振子速度增加而变大、速度减少而变小；
各模块间，超声波产生模块产生频率一定的超声波，经弹簧振子往复运动并反射给超声波接收模块，将声波信号转化为电信号传送给信号放大与整形模块，通过信号放大并整形为频率相同的方波信号再传给差频模块，差频模块将产生超声波的控制信号和接收超声波的放大整形信号差频后输送给嵌入式计算机模块，通过单片机芯片内部功能进行频率测量，输出给速率显示模块显示弹簧振子瞬时速率，输出给声响演示模块演示弹簧振子速率变化，输出给D/A转换模块通过示波器展示弹簧振子速率变化曲线，并与温度补偿模块连接提高测量精确度。
优选的是，超声波产生模块包括微处理器MSP430G2553单片机和16mm超声波探头(T发射)。MSP430G2553单片机的P2.4引脚与T探头连接，5V供电，通过PWM口输出占空比50％的PWM控制信号，为方波信号，频率40KHZ。
优选的是，超声波接收模块包括16mm超声波探头(R接收)及声电转换电路，接收经弹簧振子反射的声波信号并转换为正弦电信号。
优选的是，放大整形模块包括LM358运算放大器和LM311电压比较器。R探头与LM358连接输入接收到的声波电信号，LM358与LM311连接输出放大信号，再经过LM311输出整形后的方波信号。
优选的是，差频模块包括74F74型D触发器。其3引脚端与MSP430G2553的P2.1引脚相连输入发射前的方波信号，其2引脚端与LM311相连输入接收后放大整形的方波信号，进行差频处理得到频率较小的方波信号。
优选的是，嵌入式计算机模块采用微处理器STC12C5A16S2处理芯片，5V供电，使用晶振24M，具有32个IO口。其P3.2、P3.3引脚与74F74型D触发器5引脚相连，输入差频信息进行差频后的方波频率测量。
优选的是，D/A转换模块采用TLV5616DAC。其2、1、3、4引脚分别与单片机STC12C5A16S2的P1.0、P1.1、P1.6、P1.7引脚相连输入数字信号，其7引脚与示波器相连输出转换后的模拟电信号给示波器产生波形。
优选的是，声响演示模块包括三极管9013及无源蜂鸣器。单片机STC12C5A16S2的PWM输出口P1.3与三极管9013连接，经9013电流放大驱动无源蜂鸣器发声。
优选的是，速率显示模块采用LCD1602液晶显示器，与STC12C5A16S2芯片连接输出弹簧振子瞬时速率。
优选的是，温度补偿模块采用DS18b20温度传感器，可直接将被测温度转换成串行数字信号供微处理器处理。其2引脚与STC12C5A16S2芯片的P2.3引脚相连输入温度补偿数据，提高测量精确度。
本发明多普勒效应速度测量演示仪中微处理器MSP430G2553单片机和STC12C5A16S2单片机部分涉及到程序语句：
优选的是，超声波产生电路中，产生40KHZ方波的方法有多种，多数方法使用的是触发器法，受温度湿度等外界因素影响较大。本仪器采用TI公司的MSP430G2553单片机，由DCOCTL1的12MHZ精确定时。P2.1、P2.4作为IO口，CCR0采用方式7，高电平50％，低电平50％即可产生占空比为50％的40KHZ的方波。软件开发环境为CCS5。
尽管参考特定实施例详细描述了本专利，在此描述的本发明实施例的意图不是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离上面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型和修改例。

Claims (4)

1.多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，其包括有：
超声波产生模块，该模块产生超声波，其产生的控制信号是来自于单片机MSP430G2553的一定频率的方波信号；
弹簧振子，通过弹簧振子上下振动模拟多普勒效应中相对运动的变化，当振子运动速度为零即与超声波产生波源相对运动为零的最高点与最低点时，反射的超声波频率最低，当振子运动速度最快即与超声波产生波源相对运动最快的中心位置时，反射的超声波频率最高；
超声波接收模块，该模块是将运动的弹簧振子反射回来的超声波转换为电信号，由于多普勒效应，该信号的频率随弹簧振子的速度变化而变化；
信号放大与整形模块，该模块负责将接收的超声波信号放大，并且整形为频率相同的方波信号，以便后续差频处理；
差频模块，该模块两个信号输入端分别是产生超声波的控制信号和接收超声波的放大整形信号，该模块输出的就是上述两个信号的频率差，方波形式，频率与弹簧振子速度成正比；
嵌入式计算机模块，该模块功能是声波控制、频率测量、速率数字显示及声响输出，是整个演示仪的核心数字处理器；
D/A转换模块，该模块作用是将嵌入式计算机中数字信号转换为模拟电信号输出给示波器，通过波形变化展示弹簧振子速率变化曲线；
温度补偿模块，该模块通过温度传感器将实时温度传给嵌入式计算机进行温度补偿，提高测量精确度；
速率显示模块与声响演示模块，分别从视觉及听觉上展示弹簧振子运动速度的快慢，显示模块输出为弹簧振子瞬时速率，声响模块输出的声音大小随弹簧振子速度增加而变大、速度减少而变小；
各模块间，超声波产生模块产生频率一定的超声波，经弹簧振子往复运动并反射给超声波接收模块，将声波信号转化为电信号传送给信号放大与整形模块，通过信号放大并整形为频率相同的方波信号再传给差频模块，差频模块将产生超声波的控制信号和接收超声波的放大整形信号差频后输送给嵌入式计算机模块，通过单片机芯片内部功能进行频率测量，输出给速率显示模块显示弹簧振子瞬时速率，输出给声响演示模块演示弹簧振子速率变化，输出给D/A转换模块通过示波器展示弹簧振子速率变化曲线，并与温度补偿模块连接提高测量精确度。
2.如权利要求1所述的多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，所述的弹簧振子上下运动，在弹簧振子下面固定一个超声波反射板；超声波发射与接收都直接面对该反射板；嵌入式计算机中频率测量部分可连续测量振子的上下往复运动速率。
3.如权利要求1所述的多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，所述差频模块，采用单一数字芯片74F74型D触发器完成，输入输出均为TTL电平的方波。
4.如权利要求1所述的多普勒效应速度测量演示仪，其特征在于，所述声响演示模块中通过声响效果表达振子速率大小；通过声音频率的交替变化半定量地表示了振子速率的交替变化。
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