超声波多普勒效应演示仪的设计与制作(改)

国家大学生创新性实验计划项目申请书项目名称：超声波多普勒效应演示仪的设计与制作项目负责人：黎琦所在院系部：物理科学与技术学院专业班级：应用物理学10901、11001联系电话：[phone]E-mail：[e-mail]指导教师:韩立波职称教授喻秋山职称讲师申请日期：2011年10月15日长江大学教务处制项目类别B项目批准号11381填表说明一、请严格按照表中要求填写各项。要求实事求是，表达明确、严谨。二、项目只能由全日制本科生提出申请，原则上以一至三年级学生为主。申请者要品学兼优、学有余力，有较强的独立思考能力和创新意识，对科学研究、科技活动或社会实践有浓厚的兴趣，学年学分绩点应在专业的前50%，或高中阶段学习成绩好并有一定创新经历与成绩。三、“项目类别”指A、B、C、D、E，A—科研项目类；B—实验项目类；C—学科竞赛类；D—社会调查类；E—其他类。“项目批准号”不填，由学校统一编号。四、申请书中第一次出现外文名词时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写。五、指导教师应具有相当于副教授及以上职称，主持或作为项目主要研究人员参加过省级及以上课题，并能保证指导时间。六、申请书用A4纸双面打印，于左侧装订成册。一式五份（至少一份原件），由指导教师和所在学院（系、部）审查并签署意见加盖学院（系、部）印章后报送教务处实践教学科，同时提交电子文档。七、如表格不够，可以加附页。2项目简况项目名称超声波多普勒效应演示仪的设计与制作项目类别B申请资助经费2.0万元项目起止时间2011.11~2012.10项目负责人姓名黎琦性别女出生年月1990.04专业年级应用物理学2009级学院（系、部）物理学院学分绩点及专业排名电话[phone]项目组主要成员姓名性别出生年月专业年级所在学院（系、部）项目分工签字王启恒男1990.11应物10901物理学院接口设计驱动程序开发连超男1991.02应物10901物理学院接口调试外形设计及成型指导教师姓名性别出生年月职称最高学历最后学位研究方向韩立波男1956.12教授大学硕士激光物理喻秋山男1977.08讲师研究生硕士凝聚态物理电话[e-mail]一、立项依据（包括项目的意义，国内外研究现状与存在的问题，自身具备的知识条件,自己的特长、兴趣，相关经历，开展研究的前期准备工作等）研究意义：多普勒效应是一种重要的物理现象，表现在信号频率遇到运动的物体时其反射频率将会产生变化，即信号源频率0f与反射后的接收频率f之间存在如下关系式：osofvuvuf21coscos（1）其中u为信号在介质中的传播速率，ov为接收器的移动速率，1为信号源和接收器的连线与接收器运动方向之间的夹角，sv为信号源的移动速率，2为信号源和接收器的连线与信号源运动方向之间的夹角。由于这种特殊的频率变化性质，使得多普勒效应在工程和日常生活中都有着非常广泛的应用，如在测速仪、B超、多普勒效应防盗报警等领域都有成功的产品应用，在高校物理理论和实验教学中多普勒效应现象及应用也是一个重要的内容。目前，在实验演示方面存在着一些不足，有待进一步改3进和完善。国内外研究现状与存在的问题：作为多普勒效应课堂学习的辅助教学，从目前的各种演示方法的相关资料[1-9],当前的实验演示方法主要有如下三种：其一，使用水波波纹疏密变化来定性演示水波的多普勒效应。用一定频率击打水面形成水波，而后在水面上移动打击点可以观察到在移动方向上出现波纹疏密变化的现象，从而达到水波的多普勒效应定性演示目的。此实验结构较为简单，但只能定性演示而不能进行定量测量，且实验器材较为笨重；其二，通过滑轨上电动的小移动车，使用数字频率计来检测和比较超声波信号在发射与接收端之间频率的变化。本实验可以进行定性和定量演示多普勒效应，但此演示实验存在结构和实验调整过程均较为复杂，不便于随堂演示。其三，基于激光的多普勒效应进行演示。以激光为波源做成的装置具有测速范围广(4×10-5～104米/秒)、空间分辨率高、动态响应快等优点。但是，这种装置价格比较昂贵，在许多测量精度要求不那么严格的地方的应用受到了很大的限制。因此，采用和改进超声波多普勒效应实验演示的方法、提高实验效率和改进仪器装置使之便携性、实用性得到提高应得到更多的关注。具备的知识条件：本团队有很高的创新实验热情，较强实践动手能力，有数电、模电基础和计算机操作与编程能力。完成了传统的超声波声速测定和多普勒效应实验，对实验原理和过程比较熟悉，对实验中存在的问题有充分的了解，对实验系统的改进与研制有明确的思路和解决办法。已查阅了相关的文献资料，提出了合理可行的设计方案。参考文献[1]辛友顺,胡永生,薛小铃.单片机应用系统设计与实现[M].福州：福建科学技术出版社，2005[2]周笑梦,韦韧,苏立明.多普勒效应演示仪[J].大学物理实验，1995，8(2).[3]韩越，李亭，李华．多普勒效应测速实验仪的开发[J]．实验室研究与探索，2007,26(1):19-21[4]尹建璋.单片机在超声控制系统中的应用研究[J].微计算机信息，2007，(23):138-139[5]姜洪喜,任敦亮.声波多普勒效应演示实验[J].物理实验，2006(9):36-37.[6]周美娟,肖来胜.单片机技术及系统设计[M].北京：清华大学出版社,2007[7]何祥林.多普勒效应传感器RD627在防盗报警中的应用[J].科技资讯，2008(21)：90.[8]童培雄.刘贵兴.沈元华.多普勒效应测速实验──介绍我校一个选做物理实验[J].物理实验,2000(02)[9]邱宁，多普勒效应测试仪的改进[J].物理实验,2002，22(09)：18-20[10]李光仲,刘俊英.基于模拟乘法器的超声多普勒黏度测量实验系统[J].物理实验,2010(2):4-74二、项目研究内容（包括1.具体研究内容和技术考核指标；2.拟解决的关键问题；3.项目可行性分析）本项目拟基于C51单片机系统结合数字和模拟电路开发和研制出成本低廉且演示效果良好的多普勒效应演示仪系统。利用单片机系统的可编程性和可扩展性良好的特点，结合数字电路、模拟电路的设计实现高精度数据的实时采集、自动化处理并实时显示结果，对超声波多普勒效应的频率变化和测速原理进行现场演示。由于待开发的系统采用可编程数字电路，在实现课堂辅助教学目标的前提下，可实现电路的简约化和可视化，可节省大量的实验调整时间，提高实验效率和提高实验器材的便携性。更好地辅助学生加深对多普勒效应本质的认识和理解，更好地掌握该部分知识内容。研究内容具体如下：（1）基于数字/模拟电路通过换能器将超声波信号发射到空间中，并将接收到反馈信号与发射信号形成混频信号。采用C51单片机系统及外围电路形成40KHz方波信号，该信号分为两路，一路形成探测信号，另一路接混频器以待混频之用。探测信号经信号放大和整形、滤波，送入混频器形成混频信号。（2）对接收到的混频信号进行信号处理和实时结果显示。接收超声波在混频器中该信号和单片机产生的另一路信号（波源信号）进行混频，混频的原理是把输入的两路余弦信号相乘，相乘的结果会产生两种频率的余弦信号，分别是混频的两路信号的频率之和与频率之差，其中形成差频的余弦信号就是我们所需要的。由混频器混频后输出的信号经过一个低通滤波器滤除高频信号后，剩下的即为包含多普勒频移信号的余弦信号，再经过A/D转换把模拟信号转变为单片机可以处理的数字信号，然后利用单片机的定时/计数器的定时功能取出多普勒频移信号，通过数据处理显示出波源与物体之间因相对运动而出现的频率变化，最终由数字显示电路显示出来，可以做到实时监测和显示；（3）开发自动测量和显示控制系统。该系统具有如下功能：①提示操作过程中超声波信号的发射频率与接收频率；②能提示实验操作人员当前超声波信号在空气中的传播速度；③采集数据时，该系统能根据频率的变化自动进行记录和存储，可进行多普勒效应模式和测速模式的转换和演示；④该系统能通过数据的适当处理后准确显示于液晶屏上。（4）对系统所获数据作进一步的处理，可开发为超声声速测定和超声多普勒效应防盗报警装置等应用性的辅助教学演示仪器，做到一机多用。研究内容的设计思路参见图1所示。拟解决的关键问题：（1）超声波40KHz信号的稳定发射和超声波信号的稳定接收。（2）自动测量和显示控制系统的设计与开发。5图1电路设计原理流程图可行性分析：（1）我院开设有超声声速测定实验和多普勒效应演示实验，通过实验中不断反复实验和调节，已对其相关设计结构和缺陷有了详细的掌握和了解。（2）以单片机为控制核心外加少量的数字和模拟电路，通过编程技术将处理后测量数据或相应的实验操作提示传给计算机或液晶屏上显示，都是成熟技术，在技术上是可行的。（3）长江大学物理科学与技术学院具有相关专业的指导教师，能够给予我们指导。三、项目实施方案（包括1.项目人员组成及分工；2．项目研究进度安排：包括查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广；3.配套条件要求：包括仪器设备、场地、材料、资料、实验课时及指导教师要求等）1．项目成员分工：项目组由黎琦、王启恒、连超等3位同学组成。其中：黎琦：负责系统的总体设计，自动测量和显示控制系统的开发，采购实验器材、论文撰写。王启恒：负责超声波发射系统和接收系统的安装与驱动的接口设计、调试，完成相关驱动程序开发。连超：负责液晶屏显示系统的接口设计、调试，完成相关驱动程序的开发，整个控制系统的外形设计和成形。2．项目研究进度安排：（1）2011.11～2011.12:查阅资料，完成系统的总体设计。（2）2012.1～2012.2:采购电路模块和元器件，熟悉各模块相关资料，绘制系统电路图。（3）2012.3～2012.5:安装超声波发射和接收系统，组装自动测量和显示控制系统，并调试。显示89C51单片机超声波发生器超声波接收探头整形放大器带通滤波器混频电路低通滤波器A/D转换6（4）2012.6～2012.7:完成超声波多普勒系统数据采集自动化的调试。（5）2012.8～2012.9:完成液晶屏显示系统和全部模块的组装调试。（6）2012.9～2012.10:系统现场调试，准备结题材料。（7）2012.10～2012.11:完成结题报告，进行结题答辩。3．配套条件要求：（1）仪器设备、场地：计算机、常用测试仪器（万用表、示波器、信号发生器、直流可调稳压电源等）和开放实验室。（2）实验材料：系列常规电子元器件，单片机、锂离子电池、信号放大器、A/D转换器、液晶屏等。四、项目经费预算（包括大概支出科目、金额、计算根据及理由）序号支出科目预算金额(万元)计算根据及理由1调研0.04差旅费、调研费2资料、复印0.02相关材料复印、书籍购买等3实验材料0.15购买电子元件、相关模块等4加工测试0.15电路板制作，仪器成型等5上机机时费0.02程序开发、调试6发表论文0.12版面费合计0.5五、预期成果（研究论文、专著、调研报告、设计方案、专利、软件、产品、成果鉴定等）（1）完整的自动测量和显示控制系统一套。该系统能实现对实验数据采集和计算处理自动化，能实现超声波多普勒效应和测速应用的实时演示。（2）提交设计报告。包括详细的理论分析、方案论证，完整的设计方案，实施的电路图，相关的程序源代码等。（3）发表学术论文2～3篇。（4）在可能的条件下，联系相关企业将该系统开发成批量产品。六、本项目的创新之处（1）采用可编程数字电路设计和高容量锂离子电池供电技术，在保证良好的稳定性和准确测量条件下具有好的便携性。（2）开发自动测量和实时显示控制系统，提供出人性化的实验操作提示，提高实验的成功率和完成效率。7（3）数据采集和处理自动化，节省测量和计算时间，减少了人为因素而带来的测量误差，提高了测量精度；实时的数据处理可以辅助教学演示工作的进行，增加学生对相关知识内容的学习兴趣