多普勒效應速度測量演示儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機數據采集領域，特別是涉及一種利用多普勒效應、采用嵌入式計算機進行數據處理的速度測量原理演示。
【背景技術】
[0002]傳統的多普勒效應演示，通常用示波器顯示運動聲源聲波波形的頻率變化，是一種定性的、半定量演示，即使有部分計算，也只是離線計算，以驗證多普勒效應。近年來隨著大規(guī)模集成電路、計算機技術、數字系統的飛速發(fā)展，數字系統日益顯示出高性能、可靠性好、靈活性、及體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點，利用嵌入式計算機處理器進行相應的數據處理、計算，實現快速、實時高精度數據測量。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服演示實驗的數據離線處理，驗證效果不直觀的不足，提供一種價格便宜、體積小，數字顯示與音頻播放的直觀效果演示儀。該演示儀包括:超聲波產生電路、超聲波產生器、超聲波接收器、信號放大與整形電路、差頻電路、頻率測量的嵌入式單片機、D/A轉換模塊、速率顯示模塊、聲響演示模塊。其中，超聲波產生器在單片機控制下由超聲波產生電路產生頻率一定的超聲波，超聲波接收器用來接收運動的彈簧振子反射的超聲波信號，該信號靠放大與整形電路轉變成方波信號，再與控制產生的超聲波信號差頻得到一個頻率較低的方波信號。該方波信號的頻率與振子運動速度成正比，然后送入嵌入式單片機進行頻率測量。利用多普勒效應公式計算得到彈簧振子的速率，以數字方式顯示，并且以頻率可變的聲音方式輸出頻率變化的聲響代表振子的速率變化，還可通過D/A轉換器在示波器上輸出彈簧振子速率變化曲線。本發(fā)明采用如下技術方案:
[0004]多普勒效應速度測量演示儀，其包括有:
[0005]超聲波產生模塊，該模塊產生超聲波，其產生的控制信號是來自于單片機MSP430G2553的一定頻率的方波信號；
[0006]彈簧振子，通過彈簧振子上下振動模擬多普勒效應中相對運動的變化，當振子運動速度為零即與超聲波產生波源相對運動為零的最高點與最低點時，反射的超聲波頻率最低，當振子運動速度最快即與超聲波產生波源相對運動最快的中心位置時，反射的超聲波頻率最高；
[0007]超聲波接收模塊，該模塊是將運動的彈簧振子反射回來的超聲波轉換為電信號，由于多普勒效應，該信號的頻率隨彈簧振子的速度變化而變化；
[0008]信號放大與整形模塊，該模塊負責將接收的超聲波信號放大，并且整形為頻率相同的方波信號，以便后續(xù)差頻處理；
[0009]差頻模塊，該模塊兩個信號輸入端分別是產生超聲波的控制信號和接收超聲波的放大整形信號，該模塊輸出的就是上述兩個信號的頻率差，方波形式，頻率與彈簧振子速度成正比；
[0010]嵌入式計算機模塊，該模塊功能是聲波控制、頻率測量、速率數字顯示及聲響輸出，是整個演示儀的核心數字處理器；
[0011]D/A轉換模塊，該模塊作用是將嵌入式計算機中數字信號轉換為模擬電信號輸出給示波器，通過波形變化展示彈簧振子速率變化曲線；
[0012]溫度補償模塊，該模塊通過溫度傳感器將實時溫度傳給嵌入式計算機進行溫度補償，提高測量精確度；
[0013]速率顯示模塊與聲響演示模塊，分別從視覺及聽覺上展示彈簧振子運動速度的快慢，顯不模塊輸出為彈簧振子瞬時速率，聲響模塊輸出的聲音大小隨彈簧振子速度增加而變大、速度減少而變?。?br>[0014]各模塊間，超聲波產生模塊產生頻率一定的超聲波，經彈簧振子往復運動并反射給超聲波接收模塊，將聲波信號轉化為電信號傳送給信號放大與整形模塊，通過信號放大并整形為頻率相同的方波信號再傳給差頻模塊，差頻模塊將產生超聲波的控制信號和接收超聲波的放大整形信號差頻后輸送給嵌入式計算機模塊，通過單片機芯片內部功能進行頻率測量，輸出給速率顯示模塊顯示彈簧振子瞬時速率，輸出給聲響演示模塊演示彈簧振子速率變化，輸出給D/A轉換模塊通過示波器展示彈簧振子速率變化曲線，并與溫度補償模塊連接提高測量精確度。
[0015]所述的多普勒效應速度測量演示儀，其特征在于，所述的彈簧振子上下運動，在彈簧振子下面固定一個超聲波反射板；超聲波發(fā)射與接收都直接面對該反射板；嵌入式計算機中頻率測量部分可連續(xù)測量振子的上下往復運動速率。
[0016]所述的多普勒效應速度測量演示儀，其特征在于，所述差頻模塊，采用單一數字芯片74F74型D觸發(fā)器完成，輸入輸出均為TTL電平的方波。
[0017]所述的多普勒效應速度測量演示儀，其特征在于，所述聲響演示模塊中通過聲響效果表達振子速率大??；通過聲音頻率的交替變化半定量地表示了振子速率的交替變化。
[0018]優(yōu)選的是，所述的超聲波發(fā)生模塊包括16mm超聲波發(fā)射探頭、功率放大管、來自于單片機MSP430G2553的方波信號，頻率在超聲波頻率范圍。
[0019]優(yōu)選的是，所述的超聲波接收模塊包括16mm超聲波接收探頭，探頭與振子的距離應小于2.5mο
[0020]優(yōu)選的是，所述放大整形電路包括LM358運算放大器將電壓放大、LM311電壓比較器產生整形后的方波，頻率與接收超聲波頻率相同。
[0021]優(yōu)選的是，所述差頻電路包括74F74型D觸發(fā)器。
[0022]優(yōu)選的是，所述的嵌入式計算機，屬于單片微型計算機，采用STC12C5A16S2，可在線編程、主頻高達35M，具有很強的數據處理能力。
[0023]優(yōu)選的是，所述的數字顯示為IXD1602液晶屏。
[0024]優(yōu)選的是，所述的聲響輸出由單片機STC12C5A16S2的PWM輸出模擬信號，經電流放大，使得無源蜂鳴器發(fā)聲。
[0025]優(yōu)選的是，所述演示儀電路系統由5V DC供電。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]1.系統結構簡單、價格低廉、體積小。
[0028]2.演示效果直觀，既有聲響表達，也有速度的數字顯示
[0029]3.速度顯示和表達是實時的。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的多普勒效應速度測量演示儀的主視圖(結構示意圖)。
[0031]圖2為本發(fā)明的多普勒效應速度測量演示儀的原理示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明的多普勒效應速度測量演示儀的電路實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的多普勒效應速度測量演示儀的結構、原理及其電路實施例示意圖，應當說明的是，此處描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不限定于本專利。
[0034]本發(fā)明的結構示意圖，如圖1所示，主要包括:彈簧振子1、超聲波發(fā)生模塊2、超聲波接收模塊3、聲響演示模塊4、速率顯示模塊5、示波器接口 6。
[0035]本發(fā)明的原理示意圖，如圖2所示，主要包括這么幾個模塊:1、2為超聲波產生模塊，4為超聲波接收模塊，5為放大整形模塊，6為差頻模塊，7為嵌入式計算機模塊，8為D/A轉換模塊，10為聲響演示模塊，11為速率顯示模塊，12為溫度補償模塊。
[0036]本發(fā)明的電路實施例示意圖，如圖3所示，各主要器件間的具體連接，根據圖2與圖3做以下具體說明:多普勒效應速度測量演示儀，其特征在于，其包括有:
[0037]超聲波產生模塊，該模塊產生超聲波，其產生的控制信號是來自于單片機MSP430G2553的一定頻率的方波信號；
[0038]彈簧振子，通過彈簧振子上下振動模擬多普勒效應中相對運動的變化，當振子運動速度為零即與超聲波產生波源相對運動為零的最高點與最低點時，反射的超聲波頻率最低，當振子運動速度最快即與超聲波產生波源相對運動最快的中心位置時，反射的超聲波頻率最高；
[0039]超聲波接收模塊，該模塊是將運動的彈簧振子反射回來的超聲波轉換為電信號，由于多普勒效應，該信號的頻率隨彈簧振子的速度變化而變化；
[0040]信號放大與整形模塊，該模塊負責將接收的超聲波信號放大，并且整形為頻率相同的方波信號，以便后續(xù)差頻處理；
[0041]差頻模塊，該模塊兩個信號輸入端分別是產生超聲波的控制信號和接收超聲波的放大整形信號，該模塊輸出的就是上述兩個信號的頻率差，方波形式，頻率與彈簧振子速度成正比；
[0042]嵌入式計算機模塊，該模塊功能是聲波控制、