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毕业设计（论文）题目超声波测速雷达系统的研究专业班级学号308学生指导教师二○一二年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TheStudyofUltrasonicVelocityRadarSystemABSTRACTIntheexistingultrasonicspeedradarsystem,mostusethesingleusetimeintervalvelocimetry,othersingleusetheDopplereffectvelocimetry.However,whenthemovementspeedchangesinawiderange.SinglevelocitymeasurementwillbeIncreasethemeasurementerror,SousetheSingleChipMicrocomputerasthecore,Ultrasonictransducerasthesendingandreceivingcomponents,acrossthereasonablecontrolofthetiming,integrateTransit-timevelocimetryandDopplervelocimetryinonesystem,realiseusethetwomethodtakemeasurementatthesametime.Accordingtothetheoreticalanalysis,thissystemhasalowmeasurementerror、highaccuracy,Verifythefeasibilityofthesystem,Theresearchhassometheoreticalvalueandapplicationprospect.KEYWORDS:Ultrasonicwave、Doppler、SingleChipMicrocomputer目录第1章绪论……………………………………………………………11.1课题研究背景及意义……………………………………………11.2国内外研究现状…………………………………………………21.3本文研究工作……………………………………………………31.4小结…………………………………………………………3第2章超声波测速系统硬件的设计…………………………………52.1超声波测速总体设计方案………………………………………52.2测速原理…………………………………………………………72.3超声波发射模块设计……………………………………………92.4超声波接收模块设计……………………………………………122.5单片机控制系统设计……………………………………………162.6小结…………………………………………………………20第3章超声波测速系统软件的设计…………………………………213.1程序流程图………………………………………………………213.2小结…………………………………………………………………24第4章系统性能分析………………………………………………254.1系统功能分析………………………………………………………254.2系统误差分析………………………………………………………264.2.3影响回波时间t测定的因素及减小误差的方法…………264.2.2测量环境对测量精度的影响分析…………………………274.2.3盲区……………………………………………………………284.3小结……………………………………………………………28第5章总结……………………………………………………………30致谢………………………………………………………………………31参考文献…………………………………………………………………32附录………………………………………………………………………34-1-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。-2-1.2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-3-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-4-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。-5-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PC机单片机显示模块超声波发射模块kukuaikuai块模块超声波接收模块-6-1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