基于单片机的超声波雷达测速系统.docx

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基于单片机的超声波雷达测速系统

超声波测速雷达系统的研究

摘要

现有超声波雷达测速系统多采用单一的时差法测速或多普勒法测速，然而当被测物体的移动速度大范围变化时，单一的测速方法会引入较大的测量误差。

鉴于此，本文以单片机为核心，以超声波换能器为收发元件，通过合理的时序控制，将时差法测速和多普勒法测速集成在一套系统中,实现了两种方法的同时测量。

理论分析表明，该系统的测量误差小，测量精度高，验证了系统的可行性。

研究成果有一定的理论价值和应用前景。

关键词：

超声波、多普勒、单片机

TheStudyofUltrasonicVelocityRadarSystem

ABSTRACT

Intheexistingultrasonicspeedradarsystem,mostusethesingleusetimeintervalvelocimetry,othersingleusetheDopplereffectvelocimetry.However,whenthemovementspeedchangesinawiderange.SinglevelocitymeasurementwillbeIncreasethemeasurementerror,SousetheSingleChipMicrocomputerasthecore,Ultrasonictransducerasthesendingandreceivingcomponents,acrossthereasonablecontrolofthetiming,integrateTransit-timevelocimetryandDopplervelocimetryinonesystem,realiseusethetwomethodtakemeasurementatthesametime.Accordingtothetheoreticalanalysis,thissystemhasalowmeasurementerror、highaccuracy,Verifythefeasibilityofthesystem,Theresearchhassometheoreticalvalueandapplicationprospect.

KEYWORDS:

Ultrasonicwave、Doppler、SingleChipMicrocomputer

第1章绪论……………………………………………………………1

1.1课题研究背景及意义……………………………………………1

1.2国内外研究现状…………………………………………………2

1.3本文研究工作……………………………………………………3

1.4小结…………………………………………………………3

第2章超声波测速系统硬件的设计…………………………………5

2.1超声波测速总体设计方案………………………………………5

2.2测速原理…………………………………………………………7

2.3超声波发射模块设计……………………………………………9

2.4超声波接收模块设计……………………………………………12

2.5单片机控制系统设计……………………………………………16

2.6小结…………………………………………………………20

第3章超声波测速系统软件的设计…………………………………21

3.1程序流程图………………………………………………………21

3.2小结…………………………………………………………………24

第4章系统性能分析………………………………………………25

4.1系统功能分析………………………………………………………25

4.2系统误差分析………………………………………………………26

4.2.3影响回波时间t测定的因素及减小误差的方法…………26

4.2.2测量环境对测量精度的影响分析…………………………27

4.2.3盲区……………………………………………………………28

4.3小结……………………………………………………………28

第5章总结……………………………………………………………30

致谢………………………………………………………………………31

参考文献…………………………………………………………………32

附录………………………………………………………………………34

第1章绪论

1.1研究背景及意义

在现在这个高速发展的时代中，各类测速雷达在其中扮演了不可或缺的作用。

从人们日常生活到各类工业生产以及科学研究，测速雷达为人类社会的发展立下了汗马功劳。

比如在铁路系统中对火车速度测量，生产线上对机床速度测量等。

随着社会的飞速发展，由于超声技术能够有效的提高生产效率，保障生产安全，降低生产成本，其应用日益广泛。

在当今时代下随着人们对外太空的开发逐渐加速，测速雷达在未来的空间开发会有更大作用，所以对于测速雷达的研究前景相当广泛。

在现代雷达测速系统中，按照各类测速雷达的波长可以分为三大类，一是激光雷达，其波长一般介于405nm到670nm之间，二是微波雷达其波长为7cm到25cm之间，最后一个是超声波雷达其波长一般小于1.7cm。

其中激光雷达测速是利用激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来最终被接收器所接收，接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间，因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲[1]，鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对速度的测量。

而微波雷达则是利用多普勒效应进行速度测量，即无线电波在传播过程中碰到物体时会反弹，而且反弹回来的电波频率以及振幅会随碰撞物体的运动情况而变化[2]。

但微波雷达易受到其他电磁信号的干扰、低速情况下误差太大[3]。

超声波测速则分为时差法和利用多普勒效应两种方法进行对速度的测量，时差法多用于低速测量，而利用多普勒效应测速则多用于对高速的测量。

超声波雷达测速与其他两种相比较就是超声波雷达对雨、雾、雪的穿透能力比微波更强,可以在更加恶劣的气候条件下工作,并且系统制作简便,成本低，以其节约性而更适用于大众生活。

而在现有的超声波雷达测速系统中，要么是单一的时差法测速，或者是单一的利用多普勒效应测速，无法考虑到速度变动很大时应采取不同方法测速而导致的测量误差增加，所以应该把两种测速方法集成在一个测速系统中去。

1.2国内外研究现状

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。

1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利，从而展开了超声波在人们生活中应用的序幕，现在利用利用时差法测速的技术已经成熟，目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m以外的物体，美国AIRMAR公司生产的AirducerAR30超声波传感器的作用距离可达30m,但价格较高。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩应制成各种机电传感器。

1917年，法国物理学家PaulLangevin用天然压电石英制成了夹心式超声换能器[4]，并成功地应用于水下探测潜艇。

随着军事和国民经济各部门中超声波应用的不断发展，又出现更大功率的超声波磁致伸缩传感器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声传感器。

我国亦于1956年将超声学研究列入了12年科学规划，由此超声研究与应用开始广泛的开展，1965年开始研究了表面波换能器，而随着超声清洗、超声焊接、超声加工、超声医疗、超声乳化等逐渐投入应用，标志着我国超声学面向实际应用的成熟。

作为一门交叉学科，电力电子技术的飞速发展、电力电子器件的不断更新换代也大大促进了超声技术的发展。

目前，我国的超声学研究取得了巨大的发展，有些方面已接近或达到国际先进水平。

潘仲明等[15]对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为24.5kHz的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m，测量误差小于2%。

2008年廖一等提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m，从而对利用时差法测速提供了探测时间上的优势。

超声技术的发展与应用为我们提供了一个充分认识客观事物的有利工具，呈现给我们一个更加多元化、精彩纷呈的世界。

多普勒效应是为纪念ChristianDoppler而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。

他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。

一个常被使用的例子是火车,当火车接近观察者时,其汽鸣声会比平常更刺耳.你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。

国外在利用超声波多普勒效应在20世纪40年代开始逐渐兴起，开始主要是应用于医学治疗，1950年人们研制出第一代多普勒雷达，这对飞行器自备式导航提供了广阔的前景，将其真正应用于测速是在20世纪末才发展起来的，2009年澳大利亚生产的仪Model6520超声波多谱勒流速仪，是对多普勒测速的成功利用，而国产的LSH10-1型超声波多普勒流速仪由北京戴美克科技有限公司生产的以其不惧泥沙、漂浮物等而受市场欢迎，目前人们对于超声波多普勒测速随着控制系统的逐渐提升而不断改进提升，在未来反侵略战争和空间技术开发中都将用到，相信多普勒测速技术在未来会有更加广阔的发展前景。

现在虽然时差法测速和多普勒测速在实际生活中都已有所应用，由于对于低速物体测速利用时差法误差小，而对高速运动物体则应利用多普勒测速。

但现今没有一套超声波雷达测速系统同时具备两种测速功能，因此而导致对变速物体速度测量误差增大，测速复杂。

所以本次设计准备设计一套基于单片机的超声波雷达测速系统，使其同时具有时差测速和多普勒测速功能。

1.3本文研究工作

本次设计准备建立一个以单片机为核心的超声波雷达测速系统，把时差法测速以及多普勒测速集成到这套系统中，使其同时具备时差法和多普勒测速的功能。

在现有的时差法和多普勒测速的基础上，把两种方法用同一套系统来实现。

利用单片机产生方波信号，通过超声波换能器转换为超声波信号利用超声波发射探头发射出去，利用超声波接收模块对回波信号的时间以及频率进行记录,通过单片机的运算，进而得出物体的运动速度。

1.4小结

本章对超声波雷达以及各类测速雷达的工作原理进行了深入调研，了解了超声波测速雷达的发展史以及研究现状。

针对现有的超声波测速雷达系统对变速物体的速度测量误差大这一现状，本文提出了在同一套系统中同时用两种测速方法实现对运动物体速度的测量，即在同一套系统中实现时差法以及多普勒测速。

第2章超声波测速系统硬件的设计

2.1超声波测速总体设计方案

按照系统设计的功能要求，初步确定设计系统以单片机为主控模块，加上超声波发射模块、超声波接收模块以及显示模块这几个模块组成。

系统框图如图1所示：

图1所示测速原理图中，超声波发射模块是由单片机内部振荡电路产生40KHZ的方波信号，由单片机控制超声波发射模块发射超声波信号，接收模块则是负责对回波信号进行检测分析然后传输给单片机进行运算处理，单片机运算完毕后，将数据传输给显示模块进行显示。

图1超声波测速原理框图

超声波测速的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序、物体运动速度程序以及显示子程序几部分组成。

超声波测速的程序既有较复杂的计算，又要求精细计算程序运行时间，所以控制程序拟采用C语言编程。

2.2测速原理

1超声波理论

在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波。

按线性声学的观点，对声波产生的物理过程做如下定性描述：

连续弹性媒质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，当弹性媒质中的质点受到某种扰动时，此质点便产生偏离其平衡位置的运动，这一点运动势必推动与其相邻质点也丌始运动。

随后，由于媒质的反弹作用，该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置，但因质点的运动惯性，它们又在相反方向产生上述过程。

这样，媒质中质点相继在各自的平衡位置附近往返运动，便将扰动以波的形式传播到周围更远的媒质中去，形成波动[6]。

频率在20Hz～20KHz之间能为人耳听到的机械波称为声波；频率低于20Hz的机械波称为次声波；高于20KHz的机械波称为超声波；而高于100MHz的机械波，则称之为特超声波。

声波频率界限图如图2所示。

通常声波有以下三种形式[7]：

纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播；横波是质点振动方向垂直于振动方向的波，它只能在固体中传播；表面波是质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波。

图2声波频率界限图

超声波之所以能够得到广泛应用[8][9][10]，是因为超声波具有以下几个特性：

（1）超声波为直线传播，绕射能力弱，反射能力强；

（2）超声波在液体、固体中传播衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度

较慢；

（3）超声波的频率越高，波束越窄，声波定向传播和反射能力也就越强，其

能量远远大于振幅相同的低频声波；

（4）超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，

在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性；

（5）超声波的辐射特性除了与其振动频率有关外，还与超声波传感器的辐射面积有关。

超声波传感器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。

要利用超声波进行测速，首先要研究超声波传感器的工作原理[11][12][13]。

超声波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，它是一种将其它形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其它形式的能的器件，又称超声换能器或超声波探头。

总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：

一类是使用电气方式产生超声波；另一类是使用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋等。

传统的超声波传感器使用的是扬声器之类的动圈式转换器、电容式麦克风之类的可变电容式转换器或者磁滞伸缩器件，目前常用的超声波传感器为压电式超声波传感器。

2测速方法

（1）时差法测速

该测速方法适用于低速运动物体，设第一次从超声波发射到接收的时间为Δt1,收到回波信号后再发一次超声波信号，第二次的收发间隔时间为Δt2。

则第一次超声波信号到达物体时，发射探头与物体之间距离为s1,第二次超声波信号到达物体时，发射探头与物体之间距离为s2,则物体的运动速度如公式2.1所示:

（2.1）

（2）多普勒测速

多普勒效应[14]是指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化，在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，在运动的波源后面，产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，波源的速度越高，所产生的效应越大，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度，恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，这种现象称为多普勒效应。

多普勒效应是本设计的理论依据，深入的考虑，可利用超声波多普勒效应推导出移动物体的速度[15]，具体公式如下,其中观察者速度为Vr，波源速度表示为Vs,声速表示为u：

（1）当波源静止，观察者运动时

（2.2）

（2）当波源运动，观察着静止时

（2.3）

（3）当两者同时运动时

（2.4）

由于超声波的发生器和接收器是集中在一起的，所以当运动物体反射超声波时，应该把运动物体当做波源，而把超声波接收器作为观察者。

这样，就可以结合上述公式求出运动物体的速度与多普勒频移之间的关系，如下：

（1）当波源静止，观察者运动时

（2.5）

（2）当波源运动，观察者静止时

（2.6）

（3）当两者相对运动时

（2.7）

其中第（2.6）式的情况在实际情况中不会出现，但是注意到两者相对运动时的第（2.7）式中出现了波源的运动速度Vs，这时就需要用第（2.6）式先求出波源的运动速度，进而求出物体的运动速度。

由上述推导公式可知，只要得到多普勒频移信号f-f0，即可求得物体的运动速度Vr。

本次设计对超声波的多普勒频移是利用对运动物体反射回来的回波信号周期进行计时，从而得出回波信号频率。

2.3超声波发射模块设计

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了其工作原理是：

经由驱动电路作用于换能器的发射头，使换能器发射超声波脉冲，此声波发射出去后被超声波接收换能器所接收[16]。

若已知介质中的声速为C，换能器的接收头接收的波的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可由公式2.8计算出换能器与目标之

间的距离进而求出速度。

（2.8）

超声波换能器可将适当频率的电能信号转换成超声波信号[17]，此超声波信号能被它本身或另外的超声波换能器所接收，从而使之产生一个非常小的电信号，该电信号经放大处理后，送给后面的数据处理部分。

超声波测速等系统的性能及精度，尤其是测量范围在很大程度上取决于换能器及其驱动和接收电路的设计[18]。

超声波传感器的中心频率是超声测速系统的主要技术参数，因为它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定超声波传感器的尺寸。

空气中超声波的衰减系数与频率的平方成正比，所以空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波的中心频率。

超声波传感器中心频率的选取主要基于以下几点考虑：

（1）如果测距范围较大，则超声波在空气中传播时的损失就相对增加，由于

介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低超声波传感器的中心频率。

（2）中心频率越高，传感器的方向性越尖锐，分辨率越高。

因此从测量复杂

障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

（3）从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装

就越困难。

综合以上几点考虑，本系统选择中心频率为40KHz的超声波传感器。

本次设计的40KHz的信号由单片机内部的振荡电路产生，经过波形变换以及超声波换能器后发射出去，原理如图3所示，由于超声波换能器为压电陶瓷材料制造，单片机直接产生的方波不能直接加到换能器上，否则会对换能器造成损坏，缩短换能器的使用寿命。

所以如图3所示原理图中从单片机产生的40KHZ方波先通过二阶的低通滤波器把方波信号转变为正弦波信

图3超声波发射模块原理图

号，然后经过功率放大后发射出去。

图3中的功率放大利用集成芯片LM386来实现的，这是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。

它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。

LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V-12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少，电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。

其引脚图如图4所示：

图4中3引脚为同向输入端，电压信号从这输入，1管脚和8管脚之间为增益设定电路，经过放大后从5管脚输出加到超声波发射探头发送出去。

图4LM386引脚图

2.4超声波接收模块设计

超声波信号在空气中传播一段距离后碰到运动物体反射回来，接收部分的电路由放大电路、信号变换电路以及超声信号检测电路三部分组成组成。

由于在空气中传播后会发生一定衰减，波形会发生失真，所以需要在接收到超声波信号应该对其进行整形放大。

在经过整形放大后需要把正弦信号变换成方波信号以便进行电平分析。

超声波接收电路原理图如图7所示：

图5所示电路中超声波接收探头接收到信号后先经过整形放大电路对回波信号进行放大，然后将正弦波信号加入到由555定时器构成的施密特触发器对波形进行变换，变换为方波信号后加入到红外线检波接收专用芯片CX20106a，当CX20106A接收到方波信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。

图5超声波接受模块原理图

图5中收到的超声波信号通过一个放大倍数为11倍的同向比例放大器进行放大[19]，然后加入到施密特触发器进行波形变换。

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的变换与产生、测量与控制等领域中得到了应用。

其引脚图6所示：

图6LM555CM引脚图

将555定时器的２管脚和６管脚连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器。

当输入正弦波信号，则３脚的输出即为方波如图7所示：

图7波形变换图

在经过波形变换后进入超声波检测电路，超声波检测电路由红外接收专用芯片CX20106a组成，引脚图如图8所示：

图8CX20106a引脚图

各引脚功能如下所示：

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：

该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性

3脚：

该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4脚：

接地端。

5脚：

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚：

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：

电源正极，4.5～5V。

2.5单片机控制系统设计

单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先