【正文】 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 Radar System ABSTRACT In the existing ultrasonic speed radar system, most use the single use time interval velocimetry, 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, So use the Single Chip Microputer as the core ,Ultrasonic transducer as the sending and receiving ponents, across the reasonable control of the timing , integrate Transittime velocimetry and Doppler velocimetry in one system, realise use the two method take measurement at the same time .According to the theoretical 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 Microputer 目錄 第 1章 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 第 2章 超聲波測(cè)速系統(tǒng) 硬件 的設(shè)計(jì) ………………………………… 5 超聲波測(cè)速總體設(shè)計(jì)方案 ……………………………………… 5 測(cè)速原理 ………………………………………………………… 7 超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì) …………………………………………… 9 超聲波接收模塊設(shè)計(jì) …………………………………………… 12 單片機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………… 16 小結(jié) ………………………………………………………… 20 第 3章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件的 設(shè)計(jì) ………………………………… 21 程序 流程圖……………………………………………………… 21 小結(jié)………………………………………………………………… 24 第 4 章 系統(tǒng) 性能 分析 ……………………………………………… 25 系統(tǒng) 功 能分析……………………………………………………… 25 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 ………………………… 27 盲區(qū) …………………………………………………………… 28 小結(jié)…………………………………………………………… 28 第 5 章 總結(jié) …………………………………………………………… 30 致謝 ……………………………………………………………………… 31 參考文獻(xiàn) ……………… ………………………………………………… 32 附錄 ……………………………………………………………………… 34 1 第 1 章 緒論 研究 背景 及意義 在現(xiàn)在這個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代中，各類測(cè)速雷達(dá)在其中扮演了不可或缺的作用。從人 們 日常生活到各類工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究，測(cè)速雷達(dá)為人類社會(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 各類測(cè)速雷達(dá)的 波長(zhǎng)可以分為三大類，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 。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) ,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 。 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 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 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%。 2022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 3 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 ,當(dāng)火車接近觀察者時(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， 2022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 LSH101 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)，使其 同時(shí)具有時(shí)差測(cè)速和多普勒測(cè)速 功能 。 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。 小結(jié) 本章對(duì)超聲波雷達(dá)以及各類測(cè)速雷達(dá)的工作原理進(jìn)行了深入調(diào)研，了 4 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。 5 第 2 章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 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 。 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。 測(cè)速原理 PC機(jī) 單 片 機(jī) 顯示模塊 超聲波發(fā)射模塊kukuaikuai 塊 模塊 超聲波接收模塊 6 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)