论文总字数：28291字

摘 要

人们在生产和生活中经常需要对物体的速度进行检测，而超声波则是经常使用的检测工具之一。本文介绍的多普勒测速系统，能够基本满足各种使用场合的要求，而且结构简单。

超声多普勒测速系统是以多普勒效应为基础的一种测速方式,被广泛应用于科学和工程领域。其主要功能是测量多普勒频移，从而依据相应的公式计算得到物体的速度。本论文将以多普勒测速系统的原理以及应用为中心,以普通运动目标作为主要的测试对象,结合系统的技术运用等方面，由此推广出适用于多种应用场合的测速系统。

本设计主要包括两个部分，一个是硬件电路，另一个则是软件设计。硬件设计部分，主要由超声波发射电路、接收电路、滤波电路和信号处理电路组成。超声波换能器的发射电路主要设计了连续正弦波发生电路、功率放大电路。由CPLD和AD9754组成。其不断产生正弦波信号，经功率放大后，使其驱动超声波换能器。超声波接收电路主要包括接收放大电路、带通滤波电路、混频电路、低通滤波电路和A/D采样电路。超声波接收电路接收到的回波信号，经接收放大和带通滤波之后，将该回波信号和原始信号进行混频处理，混频得到的两个频率，一路是原始信号的频率之和，另一路则是原始信号的频率之差。再经过低通滤波，滤除频率过高的信号，即保留两频率之差的信号。最后通过FFT处理和A/D转换，可以得出物体运动速度。软件部分包括DDS子程序、A/D转换子程序、FFT子程序、速度采集程序和TFT液晶显示程序。简而言之，该设计是以STM32单片机为设计核心，通过传感器将模拟信号转换成电信号后，再经过信号调理、采样、量化、编码等步骤，最后送到控制器进行数据的处理、分析、存储和显示。

关键词：多普勒效应、超声波、测速、STM32

Abstract

People in the production and life, often need to speed of the object is detected, and one ultrasonic detection tool is often used. Doppler velocimetry system described in this article, can basically meet the requirements of various applications, and a simple structure.

Doppler velocimetry system is based on the Doppler effect based on a speed manner, it is widely used in scientific and engineering fields. Its main function is to measure the Doppler shift, which according to the corresponding formula calculated speed of the object. The papers will be the principles and applications of Doppler velocimetry as the center and ordinary moving target as the main test object, combined with the use of technology and other aspects of the system, whereby the promotion for a variety of applications where speed system.

The design consists of two parts, one is the hardware circuit, the other is the software design. Hardware design, mainly by the ultrasonic transmitting circuit, a receiving circuit, filter circuit and signal processing circuit. Ultrasonic transducer transmitter circuit designed primarily continuous sine wave generating circuit, power amplifier circuit. CPLD, and composed by the AD9754. After which continue to produce a sine wave signal, the method of power to drive the ultrasonic transducer. Ultrasonic receiver circuit includes a receiver amplifier, band-pass filter circuit, a mixer circuit, a low-pass filter circuit and the A / D sampling circuit. Ultrasonic transducer receives the echo signal, the receiver after amplification and band-pass filter, the echo signal and the original signal mixing process, the two frequency mixers to get all the way is the sum of the original signal frequency, another way is the difference between the frequency of the original signal. According to Doppler shift formula, we want to get the difference in frequency, so again through a low pass filter circuit to filter out high frequency signal. Finally, FFT processing and A / D conversion, the velocity of the object can be obtained. Software includes DDS subroutine, A / D conversion routine, the FFT subroutine, the speed acquisition program procedures and TFT LCD. In short, the design is based STM32 microcontrollers as the core design of the data acquisition system, the sensor converts the analog signals into electrical signals, and then through the signal conditioning, sampling, quantization, coding and other steps, and finally sent to the controller for data processing, analysis, storage and display.

Key words: The Doppler effect, ultrasound, velocity measurement, STM32

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2 多普勒测速技术综述 2

1.2.1 声波多普勒测速技术 2

1.2.2 无线电波多普勒测速技术 3

1.2.3 激光多普勒测速技术 3

1.3 研究意义 4

1.4 论文主要工作和安排 5

第二章 超声多普勒测速原理 6

2.1 超声波 6

2.2多普勒效应 7

2.2.1多普勒效应简述 7

2.2.2多普勒测速原理 8

2.3多普勒测速系统结构 9

2.4本章小结 10

第三章 超声波测速系统硬件电路设计 11

3.1系统总体设计方案 11

3.2 信号源发生电路（超声波发生电路） 12

3.3 功率放大电路 14

3.4 接收放大电路 15

3.5 带通滤波电路 15

3.6 混频电路 16

3.7 低通滤波电路 17

3.8 JTAG电路 17

3.9 A/D转换电路 18

3.10 本章小结 19

第四章 超声多普勒测速系统软件设计 20

4.1 信号发生器框图 20

4.2 CPLD程序设计 21

4.3 初始化程序 22

4.3.1 时钟定义 22

4.3.2 初始化堆栈 23

4.4 定时中断服务程序 23

4.4.1 定时器相关程序设计 23

4.4.2 中断控制器配置 24

4.4.3 定时器1输5通道入捕获配置 25

4.5 A/D程序 26

4.6 显示程序 27

4.7 本章小结 28

第五章 总结 29

参考文献 31

致谢 33

附录一：硬件电路原理图 34

附录二：主要程序 38

第一章 绪论

超声波检测技术是一种典型的基于电子学、材料学、物理学等学科的非接触测量方式，而且基本适用于多数场景，因此其应用的也相对更为广泛。超声波具有波的所有性质。由超声波发生器发射超声波，并且在介质中传播，最后由接收器接收回波的过程就是超声波检测。超声波是一种由机械振动产生的波，其传播速度也随介质的改变而改变^[1]。因此，超声波被普遍应用于水声、医学、无损探伤、工业等不同领域。近年来，声学材料、电子技术、集成电路等高新技术得到了迅速发展，这也促进了超声学在众多领域的应用以及对于超声波更深层次的研究。

1.1选题背景

多普勒效应最早是在声学领域被人们所熟知，它是在世纪由奥地利物理学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）发现的并命名。多普勒效应，即一个观察者，如果相对声源做接近运动，那么他所接收到的频率相比于声波本身的频率会更高，反之，如果做远离运动则接收频率变低，如果其相对声源静止,那么频率不变^[2]。事实上，我们在平时生活中也会经常遇到这种现象。只是，我们没有留心观察而已。比如，当火车从远处行驶过来以及逐渐远离，在这一过程中，我们所听到的火车的鸣笛声声调是先高后低的，即声波的频率是先高后低的，这便是多普勒效应在生活中的体现。

经研究表明,多普勒效应存在于声学、光学、无线电等领域,而且通过对多普勒效应的合理应用，我们可以简洁快速的测量物体的运动速度。当波射在物体上时，以观察者的角度来看，接收到的波的频率将会发生变化。并且这种变化与运动物体的速度、运动方向、入射波的波长以及观察者的位置等因素有关^[3]。在后面几个因素已知的情况下,只要知道波的频率，就可以通过一定的公式计算出物体的运动速度。这种测速技术就是多普勒测速技术。这一技术也可以测量距离、振动等物理参数。

请支付后下载全文，论文总字数：28291字