2．1 超声波传感器
超声波传感器是实现声、电转换的装置。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。系统采用分体式单晶直探头，超声波探头型号为TCT40T／R(直径16 mm)，TC一压电陶瓷超声波传感器；T一通用性；T一发射／R一接收。探头外形如图2，其有效范围比较大，高性价比；其中心频率为40 kHz。相关参数如下：
1)标称频率(kHz)：40 kHz
2)发射声压10 V(0 dB=0．02 mPa)：≥117 dB
3)接收灵敏度40 kHz(0 dB=V／ubar)：≥-65 dB
4)静电容量1 kHz：1V(PF)：2 000+30％
2．2 超声波发射电路设计
超声波发射电路原理图如图3所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器B1构成，单片机P1．0端口输出的40 kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
2．3 超声波检测接收电路
超声波信号在空气中传播一段距离后碰到运动物体反射回来。超声波接收电路原理如图4所示，其采用集成电路CX20106A，CX20106A是一款集信号放大、整形、滤波、检波于一体的芯片。可以利用它制作超声波检测接收电路。图中，通过适当的改变C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
工作原理：CX20106A集成芯片是当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38 kHz至40 kHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。
2．4 控制及显示模块
本系统采用AT89C51作为数据处理芯片，AT89C51构成的最小单片机系统如图5，时钟采用外部12MHz振荡电路，系统通过S键进行复位。P 1．0口与超声波发射电路连接，P3．2口与超声波接收电路连接。系统采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2脚接驱动电源：第三脚VL为液晶的对比度调节，通过在VCC和GND之间接一个10K多圈可调电阻，中间抽头接VL，可实现液晶对比度的调节；液晶的控制线RS、R／W、E分别接单片机的P2．5、P2．6、P2．7；数据口接在单片机的P0口；BL+、BL-为液晶背光电源。液晶LCD1602具有超薄、功耗低、体积小等优点，被广泛用于低功耗电子产品和智能仪表中。
3 系统软件设计
超声波测速的软件设计主要南主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序、物体运动速度程序以及显示子程序几部分组成，采用C语言编程。
设计的超声波测速系统同时具有时差法以及频差法测速，对单片机进行初始化之后，调用发射子程序，单片机产生40kHz方波，由P1．0口输出，经超声波发射电路由B1输出，同时定时器T0开始计时，当超声波信号碰到物体反射回来后，当接收器收到回波信号时定时器T0停止工作，同时启动定时器T1，当下一个上升沿到来时，定时器T1停止计时，根据P3．2口为低电平时定时器T0的计时停止，存储T0的数据为△t1，同时启动定时器T1，当P3．2电平跳变为高电平后下一个低电平到来时，T1定时停止，并存储T1数据为t，T0重复计时得数据△t2。得到定时器数据后，利用定时器T0的两次时间记录采用时差法求出物体运动速度，而利用定时器1的时间记录则可以得出回波信号的频率，进而利用频差原理求出物体速度。超声波测速的主程序流程图如图6所示。
4 系统性能分析
4．1 时差法测速
在时差法测速过程中，40 kHz的方波其波长为25μs，根据超声波测速系统的要求，当测量距离在10m以下时，设此时的声速为340m／s，则对于时差法的两次发射与接收所耗时间可以控制在0．09 s以内，系统可以实现测量周期不超过0．1 s的设计要求。
4．2 频差法测速
在频差法测速时，捕捉回波信号的周期，其测量的精度损失主要来源于电路以及持续运行速度，另一影响测量精度因素是环境温度的波动，在一般情况下温度相对恒定，所以测量精度相对较高，系统可以实现预期的精度要求0．1 m／s，其测量周期在测量距离不超过30 m的情况下，设声速为340 m／s，其测量周期小于0．09 s，符合测速系统的设计要求。
5 结论
文中提出了超声波时差法和频差法同时测量速度种的方法。系统以单片机AT89C51为核心，将时差法测速和频差法测速集成在同一套系统中，并完成系统的硬件电路与软件的设计。分析表明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。
