【正文】 工作原理進(jìn)行了深入調(diào)研，了解了超聲波測速雷達(dá)的發(fā)展史以及研究現(xiàn)狀。針對現(xiàn)有的超聲波測速雷達(dá)系統(tǒng)對變速物體的速度測量誤差大這一現(xiàn)狀，本文提出了在同一套系統(tǒng)中同時用兩種測速方法實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動物體速度的測量，即在同一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時差法以及多普勒測速。第2章 超聲波測速系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 超聲波測速總體設(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模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示：圖1所示測速原理圖中，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，由單片機(jī)控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波信號，接收模塊則是負(fù)責(zé)對回波信號進(jìn)行檢測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kukuaikuai塊模塊PC機(jī)超聲波接收模塊圖1 超聲波測速原理框圖超聲波測速的軟件設(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)動速度程序以及顯示子程序幾部分組成。超聲波測速的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時間，所以控制程序擬采用C語言編程。 測速原理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)，對聲波產(chǎn)生的物理過程做如下定性描述：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)受到某種擾動時，此質(zhì)點(diǎn)便產(chǎn)生偏離其平衡位置的運(yùn)動，這一點(diǎn)運(yùn)動勢必推動與其相鄰質(zhì)點(diǎn)也丌始運(yùn)動。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)動慣性，它們又在相反方向產(chǎn)生上述過程。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，便將擾動以波的形式傳播到周圍更遠(yuǎn)的媒質(zhì)中去，形成波動[6]。頻率在20Hz～20KHz之間能為人耳聽到的機(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，則稱之為特超聲波。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)振動方向垂直于振動方向的波，它只能在固體中傳播；表面波是質(zhì)點(diǎn)的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深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[8][9][10]，是因?yàn)槌暡ň哂幸韵聨讉€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。總體上講，超聲波傳感器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是使用機(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)聲器之類的動圈式轉(zhuǎn)換器、電容式麥克風(fēng)之類的可變電容式轉(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 測速方法(1)時差法測速該測速方法適用于低速運(yùn)動物體，設(shè)第一次從超聲波發(fā)射到接收的時間為Δt1,收到回波信號后再發(fā)一次超聲波信號，第二次的收發(fā)間隔時間為Δt2。則第一次超聲波信號到達(dá)物體時，發(fā)射探頭與物體之間距離為s1,第二次超聲波信號到達(dá)物體時，發(fā)射探頭與物體之間距離為s2,: （） (2)多普勒測速多普勒效應(yīng)[14]是指物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化，在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，在運(yùn)動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長變得較長，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)算出波源循著觀測方向運(yùn)動的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運(yùn)動的速度，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)動時 （） （2）當(dāng)波源運(yùn)動，觀察著靜止時 （） （3）當(dāng)兩者同時運(yùn)動時 （） 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)動物體反射超聲波時，應(yīng)該把運(yùn)動物體當(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)動時 （） （2）當(dāng)波源運(yùn)動，觀察者靜止時 （） （3）當(dāng)兩者相對運(yùn)動時 （） 其中第（）式的情況在實(shí)際情況中不會出現(xiàn)，但是注意到兩者相對運(yùn)動時的第（）式中出現(xiàn)了波源的運(yùn)動速度Vs，這時就需要用第（）式先求出波源的運(yùn)動速度，進(jìn)而求出物體的運(yùn)動速度。由上述推導(dǎo)公式可知，只要得到多普勒頻移信號ff0，即可求得物體的運(yùn)動速度Vr。本次設(shè)計(jì)對超聲波的多普勒頻移是利用對運(yùn)動物體反射回來的回波信號周期進(jìn)行計(jì)時，從而得出回波信號頻率。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：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(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工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了其工作原理是：經(jīng)由驅(qū)動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]。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刻與發(fā)射脈沖時刻的時間差為t，間的距離進(jìn)而求出速度。 （）超聲波換能器可將適當(dāng)頻率的電能信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號[17]，此超聲波信號能被它本身或另外的超聲波換能器所接收，從而使之產(chǎn)生一個非常小的電信號，該電信號經(jīng)放大處理后，送給后面的數(shù)據(jù)處理部分。超聲波測速等系統(tǒng)的性能及精度，尤其是測量范圍在很大程度上取決于換能器及其驅(qū)動和接收電路的設(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。空氣中超聲波的衰減系數(shù)與頻率的平方成正比，所以空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，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)如果測距范圍較大，則超聲波在空氣中傳播時的損失就相對增加，由于介質(zhì)對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。因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，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的信號由單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路產(chǎn)生，經(jīng)過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，否則會對換能器造成損壞，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方波先通過二階的低通濾波器把方波信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ艌D3 超聲波發(fā)射模塊原理圖號，然后經(jīng)過功率放大后發(fā)射出去。圖3中的功率放大利用集成芯片LM386來實(shí)現(xiàn)的，這是專為低損耗電源所設(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，輸入電壓范圍可由4V12V，無作動時僅消耗4mA 電流，且失真低。LM386 是美國國家半導(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，同時輸出端被自動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，電壓信號從這輸入，1管腳和8管腳之間為增益設(shè)定電路，經(jīng)過放大后從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 超聲波