孔祥洪，郭陽雪，胡志飛，錢衛(wèi)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(yè)工程技術研究中心，上海 201306）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，我國車輛測速儀由最初的簡單雷達測速儀發(fā)展到現(xiàn)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(fā)展取得了長足的進步。目前，無線傳感器網(wǎng)絡已在其他行業(yè)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(tǒng)還不多見。將無線傳感器網(wǎng)絡應用于汽車超速的檢測預警系統(tǒng)，具有低成本、數(shù)據(jù)采集范圍廣等特點。采取自組織的無線傳感器網(wǎng)絡，其特點是節(jié)點可移動，無需鋪設線路，容易維護，組網(wǎng)成本低，非常適合于自動化汽車超速的交通信息監(jiān)測系統(tǒng)。本文應用超聲波傳感器物聯(lián)網(wǎng)絡與數(shù)字電子技術，通過TI公司推出的CC2530架構、嵌入了ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡［3］。汽車超速的交通信息監(jiān)測系統(tǒng)能夠克服交通信息網(wǎng)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(jiān)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(tǒng)的發(fā)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(jiān)測儀，交通控制中心與相應的汽車監(jiān)測儀聯(lián)網(wǎng)后，就可直接監(jiān)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(fā)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?yōu)閒，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(fā)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(jiān)測儀的設計方案

2.1 系統(tǒng)框圖

按照系統(tǒng)設計的功能要求，初步確定設計系統(tǒng)以單片機為主控模塊，另有超聲波發(fā)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(fā)射模塊是由單片機內部振蕩電路產(chǎn)生方波信號，由單片機通過D／A數(shù)模轉換控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)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(shù)轉換傳輸給單片機進行數(shù)據(jù)運算處理，單片機運算完畢后，將數(shù)據(jù)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(fā)射功率高、不易受到噪聲干擾等優(yōu)點。如圖3所示，由單片機產(chǎn)生一個方波信號，該信號分為2路，一路接超聲波發(fā)生器，作為探測信號；另一路接混頻器。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)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(jīng)整形放大器進行整形放大，然后經(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)過A／D模數(shù)轉換把模擬信號轉變?yōu)閱纹瑱C可以處理的數(shù)字信號，然后利用單片機的定時／計數(shù)器的定時功能取出多普勒頻移信號，通過數(shù)據(jù)處理求出汽車的運動速度，最終經(jīng)顯示電路顯示出來。

3 測速儀的硬件系統(tǒng)電路原理圖

3.1 超聲波發(fā)射電路的原理圖

由單片機內部的振蕩電路產(chǎn)生的方波信號，經(jīng)過波形變換以及超聲波換能器后發(fā)射出去。原理如圖4所示，由于單片機直接產(chǎn)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(chǎn)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?yōu)檎也ㄐ盘枺?jīng)過功率放大后發(fā)射出去。波的所有相關數(shù)據(jù)信 息將呈現(xiàn)在示波器上。

圖4 超聲波發(fā)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(jīng)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(shù)據(jù)運算處理，單片機運算完畢后，將數(shù)據(jù)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(shù)器T0和T1分別計數(shù)和定時。其中，程序開始時先為TF1初始化，也就是把初始數(shù)據(jù)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(shù)，T1開始計時，關閉中斷，計數(shù)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(shù)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(lián)網(wǎng)絡和數(shù)字電子技術，建立了一個以單片機CC2530的嵌入ZigBee協(xié)議超聲波測速系統(tǒng)，利用Proteus軟件設計了超聲波發(fā)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(xiàn)，可適用于實驗教學，也可批量化生產(chǎn)。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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