【正文】 效應(yīng)的超聲波安防系統(tǒng) 韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)我在畢設(shè)中的每一點(diǎn)進(jìn)步，都離不開導(dǎo)師的關(guān)心和幫助。具體如下： 文章僅針對超聲波測速系統(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)償電路以減少測量誤差。2 對基于單片機(jī)的超聲波測速雷達(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。 小結(jié) 本章對超聲波測速系統(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一些措施進(jìn)行減小，但這些誤差在測速過程中必然存在無法避免。因此在余振未消失以前, 還不能啟動系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。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)的測出車外溫度，根據(jù)公式（）來修正聲速；另一種是利用查表法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，常用的溫度與對應(yīng)的超聲波速度關(guān)系表如表所示： 超聲波速度與溫度關(guān)系表溫度（℃）4030201001020304050聲速（m/s）307313319325332338344349355361(2)聲波的衰減程度受濕度的影響聲波傳播過程中，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)。此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。聲波的頻率越高衰減得越厲害，傳播距離也越短。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響；液體的深度、溫度等因素會引起密度變化；固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大。如圖15所示,Vm 為峰值電壓,設(shè)V 1 為比較器1 的門限電壓, V 2 為比較器2 的門限電壓,( 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 是回波前沿所對應(yīng)的傳播時(shí)間, 則 （） ∴ （）用t 計(jì)算距離比圖tt2 精確度要高。所以最終測得的時(shí)間比實(shí)際距離所對應(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 的測量誤差。 影響回波時(shí)間t 測定的因素及減小誤差的方法在測量過程中, 為了防止其他信號的干擾, 提高測量的可靠性, 單片機(jī)開始計(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量的載體[20]。對于時(shí)差法測速，是根據(jù)兩次超聲波發(fā)射與接收物體的運(yùn)動位移與所用時(shí)間之間的關(guān)系得出的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著以最短測量周期實(shí)現(xiàn)對速度的測量，所以經(jīng)過系統(tǒng)分析超聲波探頭的探測距離為10m,設(shè)在常溫下，即15℃下聲波在空氣中傳播速度為340m/s,在運(yùn)動物體的速度不超過10m/s的情況下，根據(jù)系統(tǒng)的程序計(jì)算。子程序流程圖如圖11所示。等接受完畢后接著再發(fā)射一次，同時(shí)啟動定時(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。由于要進(jìn)行多普勒測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)器捕捉回波信號的周期，以此來得出回波信號與所發(fā)40KHZ之間的頻差來得到物體運(yùn)動速度。因此，本系統(tǒng)采用C語言來進(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。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接收電路。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。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。 鑒于89C52所具備的功能可以實(shí)現(xiàn)本測速系統(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。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。它一共有40個(gè)引腳，引腳又分為四類。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級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。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 存儲器。隨著移動通訊、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)用得到了長足發(fā)展?？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。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，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，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時(shí)則產(chǎn)生下降。 4腳：接地端。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、測量與控制等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。在經(jīng)過整形放大后需要把正弦信號變換成方波信號以便進(jìn)行電平分析。輸入端以地位參考，同時(shí)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。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(shí)僅消耗4mA 電流，且失真低。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。(2)中心頻率越高，傳感器的方向性越尖銳，分辨率越高。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]。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(shí)，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。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。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(shí)，從而得出回波信號頻率。則第一次超聲波信號到達(dá)物體時(shí)，發(fā)射探頭與物體之間距離為s1,第二次超聲波信號到達(dá)物體時(shí)，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)。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。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頻率有關(guān)外，還與超聲波傳感器的輻射面積有關(guān)。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]。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(shí)間，所以控制程序擬采用C語言編程。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(shí)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(shí)差法以及多普勒測速。 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)測速系統(tǒng)，把時(shí)差法測速以及多普勒測速集成到這套系統(tǒng)中，使其同時(shí)具備時(shí)差法和多普勒測速的功能。國外在利用超聲波多普勒效應(yīng)在20世紀(jì)40年代開始逐漸興起，開始主要是應(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)用于測速是在20世紀(jì)末才發(fā)展起來的，2009年澳大利亞生產(chǎn)的儀Model6520超聲波多譜勒流速儀，是對多普勒測速的成功利用，而國產(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、漂浮物等而受市場歡迎，目前人們對于超聲波多普勒測速隨著控制系統(tǒng)的逐漸提升而不斷改進(jìn)提升，在未來反侵略戰(zhàn)爭和空間技術(shù)開發(fā)中都將用到，相信多普勒測速技術(shù)在未來會有更加廣闊的發(fā)展前景。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。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。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。超聲波雷達(dá)測速與其他兩種相比較就是超聲波雷達(dá)對雨、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)制作簡便,成本低，以其節(jié)約性而更適用于大眾生活。其中激光雷達(dá)測速是利用激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來最終被接收器所接收，接收器準(zhǔn)確地測量光脈沖從發(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)換為對速度的測量。比如在鐵路系統(tǒng)中對火車速度測量，生產(chǎn)線上對機(jī)床速度測量等。理論分析表明，該系統(tǒng)的測量誤差小，測量精度高，驗(yàn)證