【正文】 的測量。而在現(xiàn)有的超聲波雷達測速系統(tǒng)中，要么是單一的時差法測速，或者是單一的利用多普勒效應測速，無法考慮到速度變動很大時應采取不同方法測速而導致的測量誤差增加，所以應該把兩種測速方法集成在一個測速系統(tǒng)中去。1922年，德國出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利，從而展開了超聲波在人們生活中應用的序幕，現(xiàn)在利用利用時差法測速的技術已經(jīng)成熟，目前國產(chǎn)低功率超聲波探頭，一般不能用于探測15m 以外的物體，美國AIRMAR 公司生產(chǎn)的Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達30m,但價格較高。1917年，法國物理學家Paul Langevin用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器[4]，并成功地應用于水下探測潛艇。我國亦于1956年將超聲學研究列入了12年科學規(guī)劃，由此超聲研究與應用開始廣泛的開展，1965年開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用，標志著我國超聲學面向實際應用的成熟。目前，我國的超聲學研究取得了巨大的發(fā)展，有些方面已接近或達到國際先進水平。2008年廖一等提出利用彎曲振動換能器改善聲匹配，將氣介超聲波換能器的最大探測距離提高到35m，從而對利用時差法測速提供了探測時間上的優(yōu)勢。 多普勒效應是為紀念Christian Doppler而命名的,他于1842年首先提出了這一理論。一個常被使用的例子是火車,當火車接近觀察者時,?，F(xiàn)在雖然時差法測速和多普勒測速在實際生活中都已有所應用，由于對于低速物體測速利用時差法誤差小，而對高速運動物體則應利用多普勒測速。所以本次設計準備設計一套基于單片機的超聲波雷達測速系統(tǒng)，使其同時具有時差測速和多普勒測速功能。在現(xiàn)有的時差法和多普勒測速的基礎上，把兩種方法用同一套系統(tǒng)來實現(xiàn)。本章對超聲波雷達以及各類測速雷達的工作原理進行了深入調研，了解了超聲波測速雷達的發(fā)展史以及研究現(xiàn)狀。第2章 超聲波測速系統(tǒng)硬件的設計 超聲波測速總體設計方案按照系統(tǒng)設計的功能要求，初步確定設計系統(tǒng)以單片機為主控模塊，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。顯示模塊單 片 機超聲波發(fā)射模塊kukuaikuai塊模塊PC機超聲波接收模塊圖1 超聲波測速原理框圖超聲波測速的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、物體運動速度程序以及顯示子程序幾部分組成。 測速原理1 超聲波理論 在彈性介質中傳播的機械縱波，一般統(tǒng)稱為聲波。隨后，由于媒質的反彈作用，該質點及相鄰質點又相繼返回其平衡位置，但因質點的運動慣性，它們又在相反方向產(chǎn)生上述過程。頻率在20Hz～20KHz之間能為人耳聽到的機械波稱為聲波；頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波；高于20KHz的機械波稱為超聲波；而高于100MHz的機械波，則稱之為特超聲波。通常聲波有以下三種形式[7]：縱波是質點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；橫波是質點振動方向垂直于振動方向的波，它只能在固體中傳播；表面波是質點的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度的增加而迅速衰減的波。超聲波傳感器的輻射面積越大，超聲波的波束角就越小。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變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?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。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋等。2 測速方法(1)時差法測速該測速方法適用于低速運動物體，設第一次從超聲波發(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。多普勒效應是本設計的理論依據(jù)，深入的考慮，可利用超聲波多普勒效應推導出移動物體的速度[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）當波源靜止，觀察者運動時 （） （2）當波源運動，觀察著靜止時 （） （3）當兩者同時運動時 （） 由于超聲波的發(fā)生器和接收器是集中在一起的，所以當運動物體反射超聲波時，應該把運動物體當做波源，而把超聲波接收器作為觀察者。由上述推導公式可知，只要得到多普勒頻移信號ff0，即可求得物體的運動速度Vr。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，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]。 （）超聲波換能器可將適當頻率的電能信號轉換成超聲波信號[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。超聲波傳感器的中心頻率是超聲測速系統(tǒng)的主要技術參數(shù)，因為它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，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。超聲波傳感器中心頻率的選取主要基于以下幾點考慮：(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。因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。 綜合以上幾點考慮，本系統(tǒng)選擇中心頻率為40KHz的超聲波傳感器。所以如圖3所示原理圖中從單片機產(chǎn)生的40KHZ方波先通過二階的低通濾波器把方波信號轉變?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。它的內建增益為20，透過pin 1 和pin8 腳位間電容的搭配，增益最高可達200。LM386 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產(chǎn)品。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。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。由于在空氣中傳播后會發(fā)生一定衰減，波形會發(fā)生失真，所以需要在接收到超聲波信號應該對其進行整形放大。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后先經(jīng)過整形放大電路對回波信號進行放大，然后將正弦波信號加入到由555定時器構成的施密特觸發(fā)器對波形進行變換，變換為方波信號后加入到紅外線檢波接收專用芯片CX20106a，當 CX20106A 接收到方波信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。555定時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成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。其引腳圖6所示：圖6 LM555CM引腳圖將555定時器的２管腳和６管腳連在一起作為信號輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。 2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，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，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作。 5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。 6腳： 該腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 8腳：電源正極，～5V。這些電路能在軟件的控制下準確快速的完成程序設計者事先規(guī)定的任務。單片機按內部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為4位、8位、16位及32位單片機。8位單片機在中、小規(guī)模應用場合仍占主流地位，代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應用領域發(fā)揮越來越大的作用。單片機有著微處理器所不具備的功能，它可以獨立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機的最大特點。它與單板機或個人電腦有著本質的區(qū)別，單片機屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結構和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應用技術和系統(tǒng)設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使芯片具備特定的智能。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。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。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。其中有四個電源引腳，用來接入單片機的工作電源。還有兩個時鐘引腳XTALXTAL2。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復位功能。單片機具有四種總線形式：P0和P2組成的16位地址地址總線；P0分時復用為8位數(shù)據(jù)總線；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INTT0、TWR、RD以及P1口的TT2EX組成控制總線；而P3口的RXD、TXD組成串行通信總線。 物體的運動速度經(jīng)過單片機的運算處理后送到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示的電路連接圖如圖10所示，數(shù)碼管顯示所用的驅動為集成芯片74HC573，其引腳圖如圖9所示：圖9 74HC573引腳圖圖9為74HC573引腳圖，74HC573有三態(tài)總線驅動輸出、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。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅動總線，而不需要外接口。 單片機系統(tǒng)設計完成后與