基于單片機(jī)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)

畢業(yè)設(shè)論題目超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的研究專(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。理論分析說(shuō)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)TheStudyofUltrasonicVelocityRadarSystemABSTRACTIntheexistingultrasonicspeedradarsystem,mostusethesingleusetimeintervalvelocimetry,othersingleusetheDopplereffectvelocimetry.However,whenthemovementspeedchangesinawiderange.SinglevelocitymeasurementwillbeIncreasethemeasurementerror,SousetheSingleChipMicrocomputerasthecore,Ultrasonictransducerasthesendingandreceivingcomponents,acrossthereasonablecontrolofthetiming,integrateTransit-timevelocimetryandDopplervelocimetryinonesystem,realiseusethetwomethodtakemeasurementatthesametime.Accordingtothetheoreticalanalysis,thissystemhasalowmeasurementerror、highaccuracy,Verifythefeasibilityofthesystem,Theresearchhassometheoreticalvalueandapplicationprospect.KEYWORDS:Ultrasonicwave、Doppler、SingleChipMicrocomputer目錄緒論……………1課題研究背景及意義……………1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………2本文研究工作……………………3小結(jié)…………3超聲波測(cè)速系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)…………………52.1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)……………162.6小結(jié)…………20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………254.2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)……………284.3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)高速開(kāi)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)速雷達(dá)為人類(lèi)社會(huì)的開(kāi)展立下了汗馬功績(jī)。比方在鐵路系統(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)的飛速開(kāi)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)平安，降低生產(chǎn)本錢(qián)，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)那么是利用多普勒效應(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)速那么分為時(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)速那么多用于對(duì)高速的測(cè)量。超聲波雷達(dá)測(cè)速與其他兩種相比擬就是超聲波雷達(dá)對(duì)雨、霧、雪的穿透能力比微波更強(qiáng),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,本錢(qián)低，以其節(jié)約性而更適用于群眾生活。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)生超聲波的方法，從此迅速揭開(kāi)了開(kāi)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創(chuàng)造專(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AirducerAR30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)的開(kāi)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PaulLangevin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)用的不斷開(kāi)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)始研究了外表波換能器，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)的飛速開(kāi)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)的開(kāi)展。目前，我國(guó)的超聲學(xué)研究取得了巨大的開(kāi)展，有些方面已接近或到達(dá)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%。2023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)的開(kāi)展與應(yīng)用為我們提供了一個(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ChristianDoppler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)末才開(kāi)展起來(lái)的，2023年澳大利亞生產(chǎn)的儀Model6520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生產(chǎn)的以其不懼泥沙、漂浮物等而受市場(chǎng)歡送，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良提升，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)有更加廣闊的開(kāi)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)物體那么應(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)速的根底上，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)的開(kāi)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)，接收模塊那么是負(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。顯示模塊顯示模塊單片機(jī)單片機(jī)超聲波發(fā)射模塊kukuaikuai塊超聲波發(fā)射模塊kukuaikuai塊模塊PC機(jī)PC機(jī)超聲波接收模塊超聲波接收模塊圖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局部組成。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20Hz～20KHz之間能為人耳聽(tīng)到的機(jī)械波稱為聲波；頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波；高于20KHz的機(jī)械波稱為超聲波；而高于100MHz的機(jī)械波，那么稱之為特超聲波。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；外表波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著外表傳播，振幅隨深度的增加而迅速衰減的波。次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[8][9][10]，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[11][12][13]。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)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Δt1,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Δt2。那么第一次超聲波信號(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,那么物體的運(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，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，此聲波發(fā)射出去后被超聲波接收換能器所接收[16]。假設(shè)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)處理局部。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，那么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，傳感器的方向性越鋒利，分辨率越高。因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物外表和測(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，否那么會(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)pin1和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá)200。LM386可使用電池為供給電源，輸入電壓范圍可由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4LM386引腳圖2.4超聲波接收模塊設(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)，接收局部的電路由放大電路、信號(hào)變換電路以及超聲信號(hào)檢測(cè)電路三局部組成組成。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)參加到由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)后參加到紅外線檢波接收專(zhuān)用芯片CX20236a，當(dāng)CX20236A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]，然后參加到施密特觸發(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２管腳和６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)，那么３腳的輸出即為方波如圖7所示：LM555LM555圖7波形變換圖在經(jīng)過(guò)波形變換后進(jìn)入超聲波檢測(cè)電路，超聲波檢測(cè)電路由紅外接收專(zhuān)用芯片CX20236a組成，引腳圖如圖8所示：圖8CX20236a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40kΩ。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反應(yīng)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成局部，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；假設(shè)容量小，那么為峰值檢波，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3.3μf。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=200kΩ時(shí)，f0≈42kHz，假設(shè)取R=220kΩ，那么中心頻率f0≈38kHz。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22kΩ，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)那么產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.5～5V。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)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)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的開(kāi)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)足開(kāi)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，AT89S52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〔I\O〕引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，局部引腳具有復(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)的根底上再加以補(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974HC573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。特別適用于緩沖存放器，I/O通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作存放器。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)碼管顯示幾局部。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，超聲波接收那么包括整形放大電路、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根底。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，便于改良和擴(kuò)充。使用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)用軟件局部的設(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KeiluVision4。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)間記錄那么可以得出回波信號(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，周期的控制由上下電平時(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CX20236a進(jìn)入到單片機(jī)的P3.2口，其中CX20236a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)榈碗娖健Ｋ钥梢愿鶕?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)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)行比擬如果二者測(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/s以下運(yùn)動(dòng)物體速度測(cè)量，顯示保存兩位小數(shù)，即利用3位顯示。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圖11測(cè)量結(jié)果判斷流程圖N開(kāi)始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)中斷效勞子程序以及外部中斷子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，定時(shí)中斷效勞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)中斷效勞子程序圖14外部中斷效勞子程序3.2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。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)行比擬準(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為340m/s,那么在這個(gè)根底上可以將測(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局部電路的傳輸速度，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)速的誤差影響缺乏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，那么對(duì)于時(shí)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]。假設(shè)接收電路中的比擬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)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。用固定閾值的單比擬器檢測(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雙比擬器整形電路工作原理解決這一問(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)V1為比擬器1的門(mén)限電壓,V2為比擬器2的門(mén)限電壓,(其中(V2>V1,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T1和T0同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)比擬器1翻轉(zhuǎn)時(shí),T0停止計(jì)時(shí),此時(shí)T0所計(jì)的時(shí)間為t1,當(dāng)較器2翻轉(zhuǎn)時(shí),T1停止計(jì)時(shí),此時(shí)T1所計(jì)時(shí)間為t2,顯然t2>t1,t是回波前沿所對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間,那么〔4.1〕∴〔4.2〕用t計(jì)算距離比圖t1、t2精確度要高。4.2.2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，稱為聲吸收。聲波的頻率越高衰減得越厲害，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。=331m／s，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0．607m／s，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，那么可以認(rèn)為聲速根本不變，但如果要求測(cè)距精度比擬高，那么需要通過(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125kHz時(shí)，最大衰減發(fā)生在濕度為100％RH處，而在頻率40kHz時(shí)，最大衰減發(fā)生在濕度50％RH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,那么在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,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)法防止。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)的工作原理,掌握目前常用超聲波換能器電路及其最新開(kāi)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)組成局部進(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)到達(dá)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)一步改良和解決。具體如下：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)在只是單個(gè)發(fā)射接收探頭，要想實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量要利用多探頭進(jìn)行測(cè)量。致謝本次設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師xxx老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)心下完成的。在我這半年的本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，x老師都自始至終給予我極大的關(guān)心和幫助。我在畢設(shè)中的每一點(diǎn)進(jìn)步，都離不開(kāi)導(dǎo)師的關(guān)心和幫助。x老師在這一學(xué)期中在教給了我如何思考問(wèn)題和解決問(wèn)題方法的同時(shí)也教給了我許多做人的道理，這些對(duì)于即將步入社會(huì)的我是一筆珍貴的財(cái)富。在此謹(jǐn)致以我最誠(chéng)摯的敬意和由衷的感謝！此外，在半年的畢設(shè)學(xué)習(xí)中，同組的同學(xué)們也給予了我許多幫助和鼓勵(lì)，同時(shí)要感謝我的班里同學(xué)以及舍友等，從電路設(shè)計(jì)到軟件編程以及最后的論文撰寫(xiě)都得到了他們的幫助！在此，也向你們表示感謝！最后，衷心感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加辯論的各位老師！參考文獻(xiàn)【1】戴永江.激光雷達(dá)原理.國(guó)防工業(yè)出版社2002【2】路斌.多普勒測(cè)速系統(tǒng)及收發(fā)干擾問(wèn)題分析.科協(xié)論壇.2023年第4期〔下〕【3】張大彪、王艷菊.微波測(cè)速、測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器.2004【4】JackBlitz．Ultrasonicsmethodsandapplications[J】．1963【5】廖一，崔慧海，曾迎生，唐璐．基于彎曲振動(dòng)超聲換能器的遠(yuǎn)距離測(cè)量[J]．機(jī)器人技術(shù)，2023，〔10-2〕．【6】超聲波探傷編寫(xiě)組．基于超盧波的輕軌在役錨同螺桿檢測(cè)研究．北京：機(jī)械1：業(yè)出版社，1980【7】《超盧波探傷技術(shù)及探傷儀》編寫(xiě)組．超盧波探傷技術(shù)及探傷儀【M】．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1977【8】吳瓊，汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究，南京林業(yè)大學(xué)，2023【9】H·RuserayandV·IvEigorib．Highlysensitivemotiondetectionwithacombinedmicrowaveultrasonicsensor．SensorsandActuators，1998【10】WUChia—JuandTsaiChing-Chih．Localizationofanautonomousmobilerobotbasedonultrasonicsensoryinformation[J]．JournalofIntelligentandRoboticSystems：TheoryandApplications，2001【11】Aalen，Germany．SensorsfordistanceMeasurementandTheirApplicationsinAutomobiles[J]．UniversityforAppliedSciences【12】松井邦彥．傳感器實(shí)用電路設(shè)計(jì)與制作【M】．北京：科學(xué)出版社，2005【13】何希才．傳感器及其應(yīng)用實(shí)例[M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004【14】余仕成,劉培姣,胡亞聯(lián)關(guān)于多普勒效應(yīng)的進(jìn)一步討論孝感學(xué)院學(xué)報(bào)第29卷第六期2023年11月【15】陳國(guó)強(qiáng)，鄧明長(zhǎng)基于多普勒效應(yīng)的超聲波安防系統(tǒng)韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)·自然科學(xué)第29卷第六期2023年6月【16】羅本成，原魁，劉晉東，等．機(jī)器人多路超聲波環(huán)境探測(cè)器的研制[J]．中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2002．19(2)：173—176．【17】翁黎朗、楊立，超聲波換能器驅(qū)動(dòng)和接收電路的研究，集美水產(chǎn)學(xué)校，廈門(mén)361004海洋儀囂研究【18】吳曉．超聲波傳感器應(yīng)用探討．計(jì)量技求1993【19】童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)根底[M].北京:高等教育出版社.1988:237-249【20】祝敏超聲波測(cè)距誤差分析及修正方法，湖南永州職院，2023【21】劉琴濤，超聲波測(cè)距的誤差分析與改良方法，江漢大學(xué)文理學(xué)院，2023【22】曹建海,路長(zhǎng)厚,韓旭東.基于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)[J]儀表技術(shù)與傳感器.2004.39-40.附錄超聲波測(cè)速系統(tǒng)C語(yǔ)言程序:#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};sbitSquareWave=P2^5;sbitKey_Start=P3^6;sbitKey_Stop=P3^7;sbitdula=P2^6;sbitwela=P2^7;uintnum,num1,num2,num3,fl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