畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于單片機(jī)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)308學(xué)生指導(dǎo)教師二一二 年超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的研究摘要現(xiàn)有超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)多采用單一的時(shí)差法測(cè)速或多普勒法測(cè)速，然而當(dāng)被測(cè)物體的移動(dòng)速度大范圍變化時(shí)，單一的測(cè)速方法會(huì)引入較大的測(cè)量誤差。鑒于此，本文以單片機(jī)為核心，以超聲波換能器為收發(fā)元件，通過(guò)合理的時(shí)序控制，將時(shí)差法測(cè)速和多普勒法測(cè)速集成在一套系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了兩種方法的同時(shí)測(cè)量。理論分析表明，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差小，測(cè)量精度高，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。研究成果有一定的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：超聲波、多普勒、單片機(jī)The Study of Ultrasonic Velocity Rad

2、ar SystemABSTRACTIn the existing ultrasonicspeed radar system,most use the single use time intervalvelocimetry,other single use the Doppler effect velocimetry.However, when the movement speed changes in a wide range.Single velocity measurement will be Increase the measurement error, Souse the Single

3、 Chip Microcomputeras the core ,Ultrasonic transducer asthe sending and receiving components, across the reasonable control of the timing, integrateTransit-time velocimetry and Doppler velocimetry in one system,realise use the two method take measurement at the same time .According to thetheoretical

4、 analysis, this system has a low measurement error、high accuracy, Verify the feasibility of the system, The research has some theoretical value and application prospect.KEYWORDS:Ultrasonic wave、Doppler、Single Chip Microcomputer目錄第1章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本文研究工作31.4 小結(jié)3第2章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)52.1

5、 超聲波測(cè)速總體設(shè)計(jì)方案52.2 測(cè)速原理72.3 超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)92.4 超聲波接收模塊設(shè)計(jì)122.5單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)16 2.6小結(jié)20第3章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)213.1 程序流程圖213.2 小結(jié)24第4章 系統(tǒng)性能分析254.1 系統(tǒng)功能分析25 4.2 系統(tǒng)誤差分析26影響回波時(shí)間t 測(cè)定的因素及減小誤差的方法26測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響分析274.2.3 盲區(qū)28 4.3小結(jié)28第5章 總結(jié)30致謝31參考文獻(xiàn) 32附錄34第1章 緒論1.1研究背景及意義在現(xiàn)在這個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代中，各類(lèi)測(cè)速雷達(dá)在其中扮演了不可或缺的作用。從人們?nèi)粘Ｉ畹礁黝?lèi)工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究，測(cè)速

6、雷達(dá)為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展立下了汗馬功勞。比如在鐵路系統(tǒng)中對(duì)火車(chē)速度測(cè)量，生產(chǎn)線上對(duì)機(jī)床速度測(cè)量等。隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，由于超聲技術(shù)能夠有效的提高生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)安全，降低生產(chǎn)成本，其應(yīng)用日益廣泛。在當(dāng)今時(shí)代下隨著人們對(duì)外太空的開(kāi)發(fā)逐漸加速，測(cè)速雷達(dá)在未來(lái)的空間開(kāi)發(fā)會(huì)有更大作用，所以對(duì)于測(cè)速雷達(dá)的研究前景相當(dāng)廣泛。在現(xiàn)代雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)中，按照各類(lèi)測(cè)速雷達(dá)的波長(zhǎng)可以分為三大類(lèi)，一是激光雷達(dá)，其波長(zhǎng)一般介于405nm到670nm之間，二是微波雷達(dá)其波長(zhǎng)為7cm到25cm之間，最后一個(gè)是超聲波雷達(dá)其波長(zhǎng)一般小于1.7cm。其中激光雷達(dá)測(cè)速是利用激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來(lái)最終被接收器所

7、接收，接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間，因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖1，鑒于光速是已知的，傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)速度的測(cè)量。而微波雷達(dá)則是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行速度測(cè)量，即無(wú)線電波在傳播過(guò)程中碰到物體時(shí)會(huì)反彈，而且反彈回來(lái)的電波頻率以及振幅會(huì)隨碰撞物體的運(yùn)動(dòng)情況而變化2。但微波雷達(dá)易受到其他電磁信號(hào)的干擾、低速情況下誤差太大3。超聲波測(cè)速則分為時(shí)差法和利用多普勒效應(yīng)兩種方法進(jìn)行對(duì)速度的測(cè)量，時(shí)差法多用于低速測(cè)量，而利用多普勒效應(yīng)測(cè)速則多用于對(duì)高速的測(cè)量。超聲波雷達(dá)測(cè)速與其他兩種相比較就是超聲波雷達(dá)對(duì)雨、霧、雪的穿透能力比微波更強(qiáng),

8、可以在更加惡劣的氣候條件下工作,并且系統(tǒng)制作簡(jiǎn)便,成本低，以其節(jié)約性而更適用于大眾生活。而在現(xiàn)有的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)中，要么是單一的時(shí)差法測(cè)速，或者是單一的利用多普勒效應(yīng)測(cè)速，無(wú)法考慮到速度變動(dòng)很大時(shí)應(yīng)采取不同方法測(cè)速而導(dǎo)致的測(cè)量誤差增加，所以應(yīng)該把兩種測(cè)速方法集成在一個(gè)測(cè)速系統(tǒng)中去。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。1922年，德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專(zhuān)利，從而展開(kāi)了超聲波在人們生活中應(yīng)用的序幕，現(xiàn)在利用利用時(shí)差法測(cè)速的技術(shù)已經(jīng)成熟，目前國(guó)產(chǎn)低功率

9、超聲波探頭，一般不能用于探測(cè)15m 以外的物體，美國(guó)AIRMAR 公司生產(chǎn)的Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達(dá)30m,但價(jià)格較高。20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮應(yīng)制成各種機(jī)電傳感器。1917年，法國(guó)物理學(xué)家Paul Langevin用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器4，并成功地應(yīng)用于水下探測(cè)潛艇。隨著軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中超聲波應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大功率的超聲波磁致伸縮傳感器，以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲傳感器。我國(guó)亦于1956年將超聲學(xué)研究列入了12年科學(xué)規(guī)劃，由此超聲研究與應(yīng)用開(kāi)始廣泛的開(kāi)展，1965年開(kāi)始

10、研究了表面波換能器，而隨著超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲醫(yī)療、超聲乳化等逐漸投入應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)超聲學(xué)面向?qū)嶋H應(yīng)用的成熟。作為一門(mén)交叉學(xué)科，電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展、電力電子器件的不斷更新?lián)Q代也大大促進(jìn)了超聲技術(shù)的發(fā)展。目前，我國(guó)的超聲學(xué)研究取得了巨大的發(fā)展，有些方面已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。潘仲明等15對(duì)大作用距離超聲波傳感技術(shù)進(jìn)行研究，研制了諧振頻率為24.5kHz 的新型超聲波傳感器，其作用距離超過(guò)了32m，測(cè)量誤差小于2%。2008年廖一等提出利用彎曲振動(dòng)換能器改善聲匹配，將氣介超聲波換能器的最大探測(cè)距離提高到35m，從而對(duì)利用時(shí)差法測(cè)速提供了探測(cè)時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)。超聲技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為

11、我們提供了一個(gè)充分認(rèn)識(shí)客觀事物的有利工具，呈現(xiàn)給我們一個(gè)更加多元化、精彩紛呈的世界。多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念Christian Doppler而命名的,他于1842年首先提出了這一理論。他認(rèn)為聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高,而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低。一個(gè)常被使用的例子是火車(chē),當(dāng)火車(chē)接近觀察者時(shí),其汽鳴聲會(huì)比平常更刺耳.你可以在火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)聽(tīng)出刺耳聲的變化。國(guó)外在利用超聲波多普勒效應(yīng)在20世紀(jì)40年代開(kāi)始逐漸興起，開(kāi)始主要是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療，1950年人們研制出第一代多普勒雷達(dá)，這對(duì)飛行器自備式導(dǎo)航提供了廣闊的前景，將其真正應(yīng)用于測(cè)速是在20世紀(jì)末才發(fā)展起來(lái)的，2009年澳大利亞生產(chǎn)的儀Model6520

12、超聲波多譜勒流速儀，是對(duì)多普勒測(cè)速的成功利用，而國(guó)產(chǎn)的LSH10-1型超聲波多普勒流速儀由北京戴美克科技有限公司生產(chǎn)的以其不懼泥沙、漂浮物等而受市場(chǎng)歡迎，目前人們對(duì)于超聲波多普勒測(cè)速隨著控制系統(tǒng)的逐漸提升而不斷改進(jìn)提升，在未來(lái)反侵略戰(zhàn)爭(zhēng)和空間技術(shù)開(kāi)發(fā)中都將用到，相信多普勒測(cè)速技術(shù)在未來(lái)會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)在雖然時(shí)差法測(cè)速和多普勒測(cè)速在實(shí)際生活中都已有所應(yīng)用，由于對(duì)于低速物體測(cè)速利用時(shí)差法誤差小，而對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體則應(yīng)利用多普勒測(cè)速。但現(xiàn)今沒(méi)有一套超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)同時(shí)具備兩種測(cè)速功能，因此而導(dǎo)致對(duì)變速物體速度測(cè)量誤差增大，測(cè)速?gòu)?fù)雜。所以本次設(shè)計(jì)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)，使

13、其同時(shí)具有時(shí)差測(cè)速和多普勒測(cè)速功能。1.3本文研究工作 本次設(shè)計(jì)準(zhǔn)備建立一個(gè)以單片機(jī)為核心的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)，把時(shí)差法測(cè)速以及多普勒測(cè)速集成到這套系統(tǒng)中，使其同時(shí)具備時(shí)差法和多普勒測(cè)速的功能。在現(xiàn)有的時(shí)差法和多普勒測(cè)速的基礎(chǔ)上，把兩種方法用同一套系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用單片機(jī)產(chǎn)生方波信號(hào)，通過(guò)超聲波換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)利用超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出去，利用超聲波接收模塊對(duì)回波信號(hào)的時(shí)間以及頻率進(jìn)行記錄,通過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算，進(jìn)而得出物體的運(yùn)動(dòng)速度。1.4小結(jié)本章對(duì)超聲波雷達(dá)以及各類(lèi)測(cè)速雷達(dá)的工作原理進(jìn)行了深入調(diào)研，了解了超聲波測(cè)速雷達(dá)的發(fā)展史以及研究現(xiàn)狀。針對(duì)現(xiàn)有的超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)變速物體的速度測(cè)量誤差

14、大這一現(xiàn)狀，本文提出了在同一套系統(tǒng)中同時(shí)用兩種測(cè)速方法實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體速度的測(cè)量，即在同一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)差法以及多普勒測(cè)速。第2章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)2.1 超聲波測(cè)速總體設(shè)計(jì)方案按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控模塊，加上超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊以及顯示模塊這幾個(gè)模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示：圖1所示測(cè)速原理圖中，超聲波發(fā)射模塊是由單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生40KHZ的方波信號(hào)，由單片機(jī)控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波信號(hào)，接收模塊則是負(fù)責(zé)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析然后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，單片機(jī)運(yùn)算完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊進(jìn)行顯示。顯示模塊單 片 機(jī)超聲波發(fā)射模塊

15、kukuaikuai塊模塊PC機(jī)超聲波接收模塊圖1 超聲波測(cè)速原理框圖超聲波測(cè)速的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、物體運(yùn)動(dòng)速度程序以及顯示子程序幾部分組成。超聲波測(cè)速的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間，所以控制程序擬采用C語(yǔ)言編程。2.2 測(cè)速原理1 超聲波理論在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械縱波，一般統(tǒng)稱(chēng)為聲波。按線性聲學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)聲波產(chǎn)生的物理過(guò)程做如下定性描述：連續(xù)彈性媒質(zhì)可以看作是由許多彼此緊密相連的質(zhì)點(diǎn)組成，當(dāng)彈性媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)受到某種擾動(dòng)時(shí)，此質(zhì)點(diǎn)便產(chǎn)生偏離其平衡位置的運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)勢(shì)必推動(dòng)與其相鄰質(zhì)點(diǎn)也丌始運(yùn)動(dòng)。隨后，由于媒質(zhì)的反彈作用，該質(zhì)點(diǎn)及相鄰

16、質(zhì)點(diǎn)又相繼返回其平衡位置，但因質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)慣性，它們又在相反方向產(chǎn)生上述過(guò)程。這樣，媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)相繼在各自的平衡位置附近往返運(yùn)動(dòng)，便將擾動(dòng)以波的形式傳播到周?chē)h(yuǎn)的媒質(zhì)中去，形成波動(dòng)6。頻率在20Hz20KHz之間能為人耳聽(tīng)到的機(jī)械波稱(chēng)為聲波；頻率低于20Hz的機(jī)械波稱(chēng)為次聲波；高于20KHz的機(jī)械波稱(chēng)為超聲波；而高于100MHz的機(jī)械波，則稱(chēng)之為特超聲波。聲波頻率界限圖如圖2所示。通常聲波有以下三種形式7：縱波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播；橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于振動(dòng)方向的波，它只能在固體中傳播；表面波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深

17、度的增加而迅速衰減的波。次聲聲波超聲特超聲101104108HZ圖2聲波頻率界限圖超聲波之所以能夠得到廣泛應(yīng)用8910，是因?yàn)槌暡ň哂幸韵聨讉€(gè)特性：(1)超聲波為直線傳播，繞射能力弱，反射能力強(qiáng)；(2)超聲波在液體、固體中傳播衰減很小，穿透能力強(qiáng)，在空氣中傳播速度較慢；(3)超聲波的頻率越高，波束越窄，聲波定向傳播和反射能力也就越強(qiáng)，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的低頻聲波；(4)超聲波通常以縱波的形式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量的傳播形式，在一定距離內(nèi)沿直線傳播且具有良好的束射性和方向性；(5)超聲波的輻射特性除了與其振動(dòng)頻率有關(guān)外，還與超聲波傳感器的輻射面積有關(guān)。超聲波傳感器的輻射面積越大，超聲

18、波的波束角就越小。要利用超聲波進(jìn)行測(cè)速，首先要研究超聲波傳感器的工作原理111213。超聲波傳感器是利用超聲波作為信息傳遞媒介的傳感器，它是一種將其它形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其它形式的能的器件，又稱(chēng)超聲換能器或超聲波探頭?？傮w上講，超聲波傳感器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類(lèi)是使用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋等。傳統(tǒng)的超聲波傳感器使用的是揚(yáng)聲器之類(lèi)的動(dòng)圈式轉(zhuǎn)換器、電容式麥克風(fēng)之類(lèi)的可變電容式轉(zhuǎn)換器或者磁滯伸縮器件，目前常用的超聲波傳感器為壓電式超聲波傳感器。2 測(cè)速方法(1)時(shí)

19、差法測(cè)速該測(cè)速方法適用于低速運(yùn)動(dòng)物體，設(shè)第一次從超聲波發(fā)射到接收的時(shí)間為t1,收到回波信號(hào)后再發(fā)一次超聲波信號(hào)，第二次的收發(fā)間隔時(shí)間為t2。則第一次超聲波信號(hào)到達(dá)物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為s1,第二次超聲波信號(hào)到達(dá)物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為s2,則物體的運(yùn)動(dòng)速度如公式2.1所示:（2.1）(2)多普勒測(cè)速多普勒效應(yīng)14是指物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高，在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大，根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度

20、，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是本設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，深入的考慮，可利用超聲波多普勒效應(yīng)推導(dǎo)出移動(dòng)物體的速度15，具體公式如下,其中觀察者速度為Vr，波源速度表示為Vs,聲速表示為u：（1）當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)（2.2）（2）當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)，觀察著靜止時(shí)（2.3）（3）當(dāng)兩者同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)（2.4）由于超聲波的發(fā)生器和接收器是集中在一起的，所以當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波時(shí)，應(yīng)該把運(yùn)動(dòng)物體當(dāng)做波源，而把超聲波接收器作為觀察者。這樣，就可以結(jié)合上述公式求出運(yùn)動(dòng)物體的速度與多普勒頻移之間的關(guān)系，如下：（1）當(dāng)波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)（2.5）（2）當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)，觀

21、察者靜止時(shí)（2.6）（3）當(dāng)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)（2.7）其中第（2.6）式的情況在實(shí)際情況中不會(huì)出現(xiàn)，但是注意到兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的第（2.7）式中出現(xiàn)了波源的運(yùn)動(dòng)速度Vs，這時(shí)就需要用第（2.6）式先求出波源的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而求出物體的運(yùn)動(dòng)速度。由上述推導(dǎo)公式可知，只要得到多普勒頻移信號(hào)f-f0，即可求得物體的運(yùn)動(dòng)速度Vr。本次設(shè)計(jì)對(duì)超聲波的多普勒頻移是利用對(duì)運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)的回波信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)時(shí)，從而得出回波信號(hào)頻率。2.3超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方

22、式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了其工作原理是：經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路作用于換能器的發(fā)射頭，使換能器發(fā)射超聲波脈沖，此聲波

23、發(fā)射出去后被超聲波接收換能器所接收16。若已知介質(zhì)中的聲速為C，換能器的接收頭接收的波的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差為t，那么即可由公式2.8計(jì)算出換能器與目標(biāo)之間的距離進(jìn)而求出速度。 （2.8）超聲波換能器可將適當(dāng)頻率的電能信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)17，此超聲波信號(hào)能被它本身或另外的超聲波換能器所接收，從而使之產(chǎn)生一個(gè)非常小的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)放大處理后，送給后面的數(shù)據(jù)處理部分。超聲波測(cè)速等系統(tǒng)的性能及精度，尤其是測(cè)量范圍在很大程度上取決于換能器及其驅(qū)動(dòng)和接收電路的設(shè)計(jì)18。超聲波傳感器的中心頻率是超聲測(cè)速系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊懗暡ǖ臄U(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決

24、定超聲波傳感器的尺寸?？諝庵谐暡ǖ乃p系數(shù)與頻率的平方成正比，所以空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，要求合理選擇超聲波的中心頻率。超聲波傳感器中心頻率的選取主要基于以下幾點(diǎn)考慮：(1)如果測(cè)距范圍較大，則超聲波在空氣中傳播時(shí)的損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低超聲波傳感器的中心頻率。(2)中心頻率越高，傳感器的方向性越尖銳，分辨率越高。因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。(3)從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜合以上幾點(diǎn)考慮，本系統(tǒng)選擇中心頻率為40KHz的超聲波傳感器。本次

25、設(shè)計(jì)的40KHz的信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)波形變換以及超聲波換能器后發(fā)射出去，原理如圖3所示，由于超聲波換能器為壓電陶瓷材料制造，單片機(jī)直接產(chǎn)生的方波不能直接加到換能器上，否則會(huì)對(duì)換能器造成損壞，縮短換能器的使用壽命。所以如圖3所示原理圖中從單片機(jī)產(chǎn)生的40KHZ方波先通過(guò)二階的低通濾波器把方波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ艌D3 超聲波發(fā)射模塊原理圖號(hào)，然后經(jīng)過(guò)功率放大后發(fā)射出去。圖3中的功率放大利用集成芯片LM386來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是專(zhuān)為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路。它的內(nèi)建增益為20，透過(guò)pin 1 和pin8 腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá)200。LM386 可使用電池為供應(yīng)電源，輸

26、入電壓范圍可由4V-12V，無(wú)作動(dòng)時(shí)僅消耗4mA 電流，且失真低。LM386 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6V 電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386 特別適用于電池供電的場(chǎng)合。其引腳圖如圖4所示：圖4中3引腳為同向輸入端，電壓信號(hào)從這輸入，1管腳和8管腳之間為增益設(shè)定電路，經(jīng)過(guò)放大后從5管腳輸出加到超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去。圖4 LM386引腳圖2.4 超聲波接收模

27、塊設(shè)計(jì)超聲波信號(hào)在空氣中傳播一段距離后碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)，接收部分的電路由放大電路、信號(hào)變換電路以及超聲信號(hào)檢測(cè)電路三部分組成組成。由于在空氣中傳播后會(huì)發(fā)生一定衰減，波形會(huì)發(fā)生失真，所以需要在接收到超聲波信號(hào)應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行整形放大。在經(jīng)過(guò)整形放大后需要把正弦信號(hào)變換成方波信號(hào)以便進(jìn)行電平分析。超聲波接收電路原理圖如圖7所示：圖5所示電路中超聲波接收探頭接收到信號(hào)后先經(jīng)過(guò)整形放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，然后將正弦波信號(hào)加入到由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器對(duì)波形進(jìn)行變換，變換為方波信號(hào)后加入到紅外線檢波接收專(zhuān)用芯片CX20106a，當(dāng) CX20106A接收到方波信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下

28、降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。圖5 超聲波接受模塊原理圖圖5中收到的超聲波信號(hào)通過(guò)一個(gè)放大倍數(shù)為11倍的同向比例放大器進(jìn)行放大19，然后加入到施密特觸發(fā)器進(jìn)行波形變換。555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器在波形的變換與產(chǎn)生、測(cè)量與控制等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。其引腳圖6所示：圖6LM555CM引腳圖將555定時(shí)器的管腳和管腳連在一起作為信號(hào)輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。當(dāng)輸入正弦波信號(hào)，則腳的輸出即為方波如圖7所示：LM555圖7波形變換圖在經(jīng)過(guò)波形變換后進(jìn)入

29、超聲波檢測(cè)電路，超聲波檢測(cè)電路由紅外接收專(zhuān)用芯片CX20106a組成，引腳圖如圖8所示：圖8 CX20106a引腳圖各引腳功能如下所示：1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。 2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3f。 4腳：接地端。 5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=

30、200k時(shí)，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。 6腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 8腳：電源正極，4.55V。 2.5 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運(yùn)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）,隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），只讀程序存儲(chǔ)器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），還包括定時(shí)

31、計(jì)數(shù)器，串行通信口（SCI），顯示驅(qū)動(dòng)電路（LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路），脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)最小然而很完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)?？偟亩詥纹瑱C(jī)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：集成度高、存儲(chǔ)容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價(jià)格比高、可靠性高這幾個(gè)方面。單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為4位、8位、16位及32位單片機(jī)。它們被應(yīng)用在不同領(lǐng)域里，8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個(gè)領(lǐng)域。8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地

32、位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可以獨(dú)立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機(jī)的最大特點(diǎn)。然而單片機(jī)又不同于單板機(jī)，芯片在沒(méi)有開(kāi)發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個(gè)最小的、完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。它與單板機(jī)或個(gè)人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)屬于芯片級(jí)應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定

33、的智能。AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S

34、52 可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。它一共有40個(gè)引腳，引腳又分為四類(lèi)。其中有四個(gè)電源引腳，用來(lái)接入單片機(jī)的工作電源。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有兩個(gè)時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2。還有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引腳構(gòu)成的單片機(jī)的輸入/輸出（IO）引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復(fù)位功能。綜上所述，單片機(jī)的引腳特點(diǎn)是：1、單片機(jī)多功能，少引腳，使得引

35、腳復(fù)用現(xiàn)象較多。2、單片機(jī)具有四種總線形式：P0和P2組成的16位地址地址總線；P0分時(shí)復(fù)用為8位數(shù)據(jù)總線；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX組成控制總線；而P3口的RXD、TXD組成串行通信總線。鑒于89C52所具備的功能可以實(shí)現(xiàn)本測(cè)速系統(tǒng)的要求，所以本系統(tǒng)主控芯片選擇89C52，然后在主芯片外圍加上12MHZ的晶振，以及電源等電子元器件構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)要求按鍵控制超聲波信號(hào)的發(fā)射，數(shù)碼管顯示，所以在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加以補(bǔ)充電路。物體的運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算處理后送到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示的電路連接圖如圖

36、10所示，數(shù)碼管顯示所用的驅(qū)動(dòng)為集成芯片74HC573，其引腳圖如圖9所示：圖9 74HC573引腳圖圖9為74HC573引腳圖，74HC573有三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出、置數(shù)全并行存取、使能輸入以及有改善抗擾度的滯后作用等特點(diǎn)。74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時(shí)，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工

37、作寄存器。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后與前文所設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射與接收電路進(jìn)行連接，整體設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄2。圖10 數(shù)碼管顯示電路本次設(shè)計(jì)的所使用的數(shù)碼管為共陰極，圖10所示的兩個(gè)三位數(shù)碼管，可以看到所有數(shù)碼管的陽(yáng)極，即標(biāo)有A、B、C、D、E、F、G、H的引腳全部連接在一起，然后與上面的U4 元件74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端連接單片機(jī)的P0口，P0口同時(shí)加了上拉電阻。數(shù)碼管中WE1，WE2，WE3，WE4，WE5，WE6是它們的位選端，每一個(gè)數(shù)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)位選端，與上面的U5元件74HC573的數(shù)據(jù)輸出端的低6位相連，U5的數(shù)據(jù)輸入端也連接到單片機(jī)的P0口。兩個(gè)鎖存器的鎖存端

38、分別與單片機(jī)的P2.6、P2.7相連，因?yàn)閱纹瑱C(jī)可以控制鎖存器的鎖存端，進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，這種分時(shí)控制的方法便可以方便的控制數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。2.6小結(jié)本章對(duì)超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括了超聲波發(fā)射、超聲波接收、單片機(jī)控制以及數(shù)碼管顯示幾部分。其中超聲波發(fā)射又包括低通濾波電路和超聲波換能電路，超聲波接收則包括整形放大電路、波形變換電路以及超聲波檢測(cè)接收電路。有了超聲波發(fā)射與接收的硬件電路，為后續(xù)單片機(jī)控制軟件編程打下了基礎(chǔ)。第3章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)3.1 主程序由超聲波超聲波測(cè)速用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，明顯增強(qiáng)程序的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。使

39、用C語(yǔ)言進(jìn)行8052系列單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，編程者可以專(zhuān)注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大加快了軟件開(kāi)發(fā)的速度。因此，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)軟件調(diào)試的環(huán)境是Keil uVision4。本次設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)同時(shí)具有時(shí)差法以及多普勒測(cè)速功，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化之后，調(diào)用發(fā)射子程序產(chǎn)生產(chǎn)生兩個(gè)周期40KHZ的方波發(fā)射出去，同時(shí)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)碰到物體反射回來(lái)后，當(dāng)接收器收到回波信號(hào)時(shí)定時(shí)器0停止工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器1停止計(jì)時(shí)進(jìn)入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號(hào)，利用定時(shí)器0的時(shí)間記錄得到

40、兩次物體與發(fā)射探頭的距離進(jìn)而求出物體運(yùn)動(dòng)速度，而利用定時(shí)器1的時(shí)間記錄則可以得出回波信號(hào)的頻率，進(jìn)而利用多普勒原理求出物體速度。超聲波雷達(dá)測(cè)速的主程序流程圖如圖12所示，超聲波測(cè)速源程序見(jiàn)附錄1。測(cè)速系統(tǒng)程序由按鍵s1控制單片機(jī)發(fā)送方波，方波的發(fā)射是靠單片機(jī)產(chǎn)生方波，由P2.5口發(fā)出，周期的控制由高低電平時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生40KHZ的方波，所以控制方波的周期為25us，即高電平12.5us，低電平12.5us。由于要進(jìn)行多普勒測(cè)速所以理論上至少要發(fā)射兩個(gè)周期以上才能利用定時(shí)器捕捉回波信號(hào)的周期，以此來(lái)得出回波信號(hào)與所發(fā)40KHZ之間的頻差來(lái)得到物體運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高電平產(chǎn)生并發(fā)送出去后

41、定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)。發(fā)出的的超聲波在碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)進(jìn)入超聲波接收電路后，經(jīng)波形變換以及整形放大后通過(guò)芯片CX20106a進(jìn)入到單片機(jī)的P3.2口，其中CX20106a在沒(méi)有高電平到時(shí)，其輸出為高電平，當(dāng)有信號(hào)到時(shí)其跳變?yōu)榈碗娖?。所以可以根?jù)P3.2口的電平跳轉(zhuǎn)來(lái)判斷回波，當(dāng)收到第一個(gè)高電平時(shí)，即P3.2口跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)定時(shí)器0的計(jì)時(shí)停止，存儲(chǔ)T0的數(shù)據(jù)為num1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1，當(dāng)3.2電平跳變?yōu)楦唠娖胶笙乱粋€(gè)低電平到來(lái)時(shí)，T1定時(shí)停止，并存儲(chǔ)T1數(shù)據(jù)為num2。等接受完畢后接著再發(fā)射一次，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0，當(dāng)收到回波后停止，定時(shí)器0記錄數(shù)據(jù)為num3。得到定時(shí)器數(shù)據(jù)后，分別利用時(shí)差法計(jì)

42、算公式以及多普勒計(jì)算公式對(duì)速度進(jìn)行計(jì)算。但測(cè)速系統(tǒng)在測(cè)速過(guò)程中還應(yīng)該考慮干擾物體對(duì)測(cè)速的影響，應(yīng)該考慮此次測(cè)速是否有效，本設(shè)計(jì)擬對(duì)5m以上物體的速度進(jìn)行測(cè)量，所以利用軟件編程設(shè)計(jì)對(duì)T0定時(shí)器的時(shí)間記錄進(jìn)行判斷，即當(dāng)num1<0.02s時(shí)表示此次測(cè)速失敗，應(yīng)該重新測(cè)量。其次就是對(duì)兩種方法測(cè)速結(jié)果進(jìn)行比較如果二者測(cè)速結(jié)果相差0.5m/s以上，即V>0.5m/s就應(yīng)該提示測(cè)速失敗重新測(cè)量。子程序流程圖如圖11所示。YYNN開(kāi)始輸出到顯示num1>0.02s輸出到顯示開(kāi)始輸出到顯示V<0.5m/s當(dāng)系統(tǒng)判斷測(cè)速數(shù)據(jù)有效時(shí)，需要對(duì)測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，本次設(shè)計(jì)是針對(duì)速度在10m

43、/s以下運(yùn)動(dòng)物體速度測(cè)量，顯示保留兩位小數(shù)，即利用3位顯示。圖11 測(cè)量結(jié)果判斷流程圖N開(kāi)始初始化調(diào)發(fā)射子程序定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)N到Y(jié)定時(shí)器0停止計(jì)時(shí)是否有上升沿是否有回波NY顯示結(jié)束啟動(dòng)定時(shí)器1定時(shí)器1停止計(jì)時(shí)調(diào)發(fā)射子程序是否有回波定時(shí)器0停止計(jì)時(shí)計(jì)算速度定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)Y圖12 測(cè)速系統(tǒng)流程圖主程序中對(duì)于定時(shí)器的控制由定時(shí)中斷服務(wù)子程序以及外部中斷子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，定時(shí)中斷服務(wù)子程序以及外部中斷子程序如圖13和圖14所示：定時(shí)中斷入口定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波是否發(fā)射完停止發(fā)射返回外部中斷入口關(guān)外部中斷讀取時(shí)間值計(jì)算速度結(jié)果輸出開(kāi)外部中斷返回圖13 定時(shí)中斷服務(wù)子程序 圖14 外部中斷服務(wù)子程序3.

44、2 小結(jié)本章根據(jù)超聲波測(cè)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)的算法入手，按照測(cè)速步驟對(duì)超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件編程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，畫(huà)出了測(cè)速系統(tǒng)的主要流程，將軟件和硬件充分結(jié)合，測(cè)速系統(tǒng)已初步形成。第4章 系統(tǒng)性能分析4.1系統(tǒng)功能分析本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變速物體的速度進(jìn)行比較準(zhǔn)確的測(cè)量，由于現(xiàn)有的超聲波換能器最遠(yuǎn)的探測(cè)距離為35m，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)距離的物體進(jìn)行速度測(cè)量。對(duì)于時(shí)差法測(cè)速，是根據(jù)兩次超聲波發(fā)射與接收物體的運(yùn)動(dòng)位移與所用時(shí)間之間的關(guān)系得出的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著以最短測(cè)量周期實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的測(cè)量，所以經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析超聲波探頭的探測(cè)距離為10m,設(shè)在常溫下，即15下聲波在空氣中傳播速度

45、為340m/s,則在這個(gè)基礎(chǔ)上可以將測(cè)量周期控制在0.1s以內(nèi),在運(yùn)動(dòng)物體的速度不超過(guò)10m/s的情況下，根據(jù)系統(tǒng)的程序計(jì)算，測(cè)量誤差不超過(guò)0.1m/s。對(duì)于時(shí)差法測(cè)速，在測(cè)速過(guò)程中物體的運(yùn)動(dòng)位移是一定的，但在時(shí)差上在程序中未能考慮到各部分電路的傳輸速度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，實(shí)際測(cè)速中應(yīng)在回波接收完之后才發(fā)射第二次,但在程序計(jì)算中，是默認(rèn)在第一次回波后直接發(fā)射第二次，所以由此造成對(duì)速度的計(jì)算中少加了50us的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間對(duì)時(shí)差法測(cè)速測(cè)速的誤差影響不足0.01m/s,40KHZ的方波其波長(zhǎng)為25us，根據(jù)超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)的要求，當(dāng)測(cè)量距離在10m以下時(shí)，設(shè)此時(shí)的聲速為340m/s，則對(duì)于時(shí)

46、差法的兩次發(fā)射與接收所耗時(shí)間可以控制在0.09s以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期不超過(guò)0.1s的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于多普勒測(cè)速，多普勒測(cè)速時(shí)捕捉回波信號(hào)的周期，其測(cè)量的精度損失主要來(lái)源于電路以及持續(xù)運(yùn)行速度，再對(duì)測(cè)量精度影響的就是環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響，但一般情況下溫度相對(duì)恒定，所以測(cè)量精度相對(duì)較高，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的精度要求0.1m/s，多普勒測(cè)速是對(duì)回波信號(hào)的的周期進(jìn)行測(cè)量進(jìn)而得出速度的，理論上只需發(fā)射一次即可實(shí)現(xiàn)測(cè)速，其測(cè)量周期在測(cè)量距離不超過(guò)30m的情況下，設(shè)聲速為340m/s，其測(cè)量周期小于0.09s，符合測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。無(wú)論是時(shí)差法測(cè)速還是多普勒測(cè)速，其速度最后都利用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，數(shù)碼管顯示可以保

47、證測(cè)速結(jié)果精確到0.01m/s.4.2 系統(tǒng)誤差分析本次設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求把時(shí)差法測(cè)速以及多普勒測(cè)速在一套系統(tǒng)中得到了實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)為控制核心，C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序進(jìn)行控制，利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的測(cè)量。4.2.1影響回波時(shí)間t 測(cè)定的因素及減小誤差的方法在測(cè)量過(guò)程中, 為了防止其他信號(hào)的干擾, 提高測(cè)量的可靠性, 單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí), 超聲傳感器常常發(fā)射由多個(gè)方波組成的脈沖串作為測(cè)量的載體20。若接收電路中的比較器的閾值電壓為一定值,由于粉塵及其它物質(zhì)的影響, 故實(shí)際測(cè)量時(shí), 不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零觸發(fā)。通過(guò)對(duì)超聲波接收回波的觀察分析, 發(fā)

48、現(xiàn)接收回波經(jīng)包絡(luò)檢波后, 其包絡(luò)線前沿為按指數(shù)規(guī)律上升的曲線, 大約在第九個(gè)波到包絡(luò)線的峰頂, 第三個(gè)波近似為峰頂?shù)?5%。故接收電路常設(shè)計(jì)為接收到第2個(gè)回波時(shí), 單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。所以最終測(cè)得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出2脈沖發(fā)送時(shí)間, 從而造成了回波時(shí)間t 的測(cè)量誤差。為了提高測(cè)時(shí)精度, 必須準(zhǔn)確地檢測(cè)到第一回波脈沖沿到達(dá)的時(shí)間。用固定閾值的單比較器檢測(cè)回波, 由于聲波在傳輸過(guò)程中存在吸收衰減和擴(kuò)散損失, 聲強(qiáng)隨目標(biāo)距離增大, 而呈指數(shù)規(guī)律衰減, 在量程范圍內(nèi), 最近目標(biāo)和最遠(yuǎn)目標(biāo)的回波幅度相差較大, 可能導(dǎo)致越過(guò)門(mén)檻的時(shí)刻前后移動(dòng), 從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。圖15雙比較器整形電路工作原理

49、解決這一問(wèn)題的方法:采用雙比器整形電路, 這能較準(zhǔn)確地對(duì)回波前沿到來(lái)的時(shí)刻進(jìn)行測(cè)定。如圖15所示,Vm 為峰值電壓,設(shè)V 1 為比較器1 的門(mén)限電壓, V 2 為比較器2 的門(mén)限電壓,( 其中( V 2> V 1, 其值由實(shí)驗(yàn)設(shè)定) ,當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時(shí), 單片機(jī)定時(shí)器T 1 和T 0 同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí), 當(dāng)比較器1 翻轉(zhuǎn)時(shí), T 0 停止計(jì)時(shí), 此時(shí)T 0 所計(jì)的時(shí)間為t 1, 當(dāng)較器2 翻轉(zhuǎn)時(shí), T 1 停止計(jì)時(shí), 此時(shí)T 1 所計(jì)時(shí)間為t 2, 顯然t 2> t 1, t 是回波前沿所對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間, 則 （4.1） （4.2）用t計(jì)算距離比圖t1、t2精確度要高。4.2

50、.2測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響分析測(cè)量環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。由前文可知超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)21。因此，利用超聲波測(cè)量距離，就要考慮這些因素對(duì)聲速的影響。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響；液體的深度、溫度等因素會(huì)引起密度變化；固體中彈性模量對(duì)聲速影響較密度影響更大。一般超聲波在固體中傳播速度最快、液體中次之、在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度的影響最大。聲波擾動(dòng)是機(jī)械的，聲波在傳播中帶有機(jī)械能量，聲能傳播的途中逐漸轉(zhuǎn)變成熱，從而出現(xiàn)隨距離增加而逐漸衰減的現(xiàn)象，稱(chēng)為聲吸收。聲波的頻率越高衰減得越厲害

51、，傳播距離也越短。在給定的頻率下，衰減是濕度的函數(shù)。(1)聲速受溫度的影響工程上常用的由氣溫估算聲速的公式如下：C=C0 （4.3）式中C。=331ms，T為絕對(duì)溫度，單位為K。此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際情況下，溫度每升高或下降1K，聲速將增加或減少0607ms，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的聲速。實(shí)際中，如果溫度變化不大，則可以認(rèn)為聲速基本不變，但如果要求測(cè)距精度比較高，則需要通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)聲速進(jìn)行修正。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：一種是使用溫度傳感器，實(shí)時(shí)的測(cè)出車(chē)外溫度，根據(jù)公式（4.3）來(lái)修正聲速；另一種是利用

52、查表法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，常用的溫度與對(duì)應(yīng)的超聲波速度關(guān)系表如表所示：表4.1 超聲波速度與溫度關(guān)系表溫度（）-40-30-20-1001020304050聲速（m/s）307313319325332338344349355361(2)聲波的衰減程度受濕度的影響聲波傳播過(guò)程中，聲壓的幅度由于媒質(zhì)中聲吸收而衰減，聲強(qiáng)隨頻率增高衰減增加，在給定的頻率時(shí)衰減是濕度的函數(shù)。產(chǎn)生最大衰減時(shí)的濕度值視頻率而不同，例如：頻率大于125 kHz時(shí)，最大衰減發(fā)生在濕度為100RH處，而在頻率40 kHz時(shí)，最大衰減發(fā)生在濕度50RH處。4.2.3 盲區(qū)在測(cè)速時(shí), 傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波來(lái)作為測(cè)量的載體, 因此

53、只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收, 設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為t , 則在t 時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無(wú)法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性, 即有一個(gè)從受迫振動(dòng)到平衡振動(dòng)再到阻尼振動(dòng)的過(guò)程, 故發(fā)送結(jié)束后還有一定的余振, 這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào), 這種電壓信號(hào)疊加到回波信號(hào)上, 使電路鑒別不出真正的回波, 從而擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)工作。因此在余振未消失以前, 還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。以上兩個(gè)原因造成了超聲波傳感器具有一定的測(cè)量范圍, 即存在所謂的盲區(qū)22。過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，所以發(fā)射脈沖不能太寬，以保證測(cè)量正常進(jìn)行。此外, 引起測(cè)量誤差的還有很多, 如指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間

54、, 而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大, 時(shí)基脈沖頻率的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性, 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中其它物質(zhì)干擾等。4.3小結(jié)本章對(duì)超聲波測(cè)速系統(tǒng)可能存在的誤差進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，當(dāng)然有些誤差是可以通過(guò)一些措施進(jìn)行減小，但這些誤差在測(cè)速過(guò)程中必然存在無(wú)法避免。了解這些測(cè)量誤差的存在，對(duì)于將來(lái)搭建電路后進(jìn)行調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的一些誤差可以進(jìn)行處理，從而減少調(diào)試難度。再者對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析是為以后的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)養(yǎng)成良好的習(xí)慣，無(wú)論任何系統(tǒng)必須要包括對(duì)誤差的來(lái)源分析，只有這樣搭建的系統(tǒng)才是完整的系統(tǒng)。第5章 總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和所做工作如下1通過(guò)閱讀大量有關(guān)超聲波測(cè)距、測(cè)速的文獻(xiàn)資料，深入理解基于單片機(jī)的超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的工

55、作原理,掌握目前常用超聲波換能器電路及其最新發(fā)展動(dòng)向。2 對(duì)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行細(xì)化理解和設(shè)計(jì)，主要包括超聲波發(fā)射、波形變換、整形放大、超聲波接收以及單片機(jī)控制的原理及實(shí)現(xiàn)方法。3設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)速系統(tǒng)系統(tǒng)軟件編程,并利用keil4進(jìn)行程序調(diào)試。4設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的在同一套系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)差法以及多普勒測(cè)速的要求。由于水平有限，時(shí)間倉(cāng)促，研究過(guò)程中尚有一些地方需要進(jìn)一步改進(jìn)和解決。具體如下：1、 文章僅針對(duì)超聲波測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行理論研究分析，尚未考慮結(jié)合實(shí)際硬件進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證最終所設(shè)計(jì)的電路2、 設(shè)計(jì)中采用的電路默認(rèn)在恒溫下工作，應(yīng)該增加溫度補(bǔ)償電路以減少測(cè)量誤差。3、系統(tǒng)現(xiàn)在