基于单片机的超声波雷达测速系统.pdf

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 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 Microcomputer as the core,Ultrasonic transducer as the sending and receiving components,across the reasonable control of the timing,integrate Transit-time 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 Microcomputer 目录 第1章 绪论 1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文研究工作 3 1.4 小结 3 第2章 超声波测速系统硬件的设计 5 2.1 超声波测速总体设计方案 5 2.2 测速原理 7 2.3 超声波发射模块设计 9 2.4 超声波接收模块设计 12 2.5 单片机控制系统设计 16 2.6 小结 20 第3章 超声波测速系统软件的设计 21 3.1 程序流程图 21 3.2 小结 24 第 4 章 系统性能分析 25 4.1 系统功能分析25 4.2 系统误差分析26 4.2.3 影响回波时间t 测定的因素及减小误差的方法 26 4.2.2 测量环境对测量精度的影响分析 27 4.2.3 盲区28 4.3 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Airducer AR30 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Paul Langevin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 Christian Doppler 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20Hz20KHz之间能为人耳听到的机械波称为声波；频率低于20Hz的机械波称为次声波；高于20KHz的机械波称为超声波；而高于100MHz的机械波，则称之为特超声波。声波频率界限图如图2所示。通常声波有以下三种形式7：纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播；横波是质点振动方向垂直于振动方向的波，它只能在固体中传播；表面波是质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波。图2 声波频率界限图 超声波之所以能够得到广泛应用8910，是因为超声波具有以下几个特性：(1)超声波为直线传播，绕射能力弱，反射能力强；(2)超声波在液体、固体中传播衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度 次声 声波 超声 特超声 101 104 108 HZ -7-较慢；(3)超声波的频率越高，波束越窄，声波定向传播和反射能力也就越强，其 能量远远大于振幅相同的低频声波；(4)超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性；(5)超声波的辐射特性除了与其振动频率有关外，还与超声波传感器的辐射面积有关。超声波传感器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。要利用超声波进行测速，首先要研究超声波传感器的工作原理111213。超声波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，它是一种将其它形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其它形式的能的器件，又称超声换能器或超声波探头。总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：一类是使用电气方式产生超声波；另一类是使用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋等。传统的超声波传感器使用的是扬声器之类的动圈式转换器、电容式麦克风之类的可变电容式转换器或者磁滞伸缩器件，目前常用的超声波传感器为压电式超声波传感器。2 测速方法(1)时差法测速 该测速方法适用于低速运动物体，设第一次从超声波发射到接收的时间为t1,收到回波信号后再发一次超声波信号，第二次的收发间隔时间为t2。则第一次超声波信号到达物体时，发射探头与物体之间距离为s1,第二次超声波信号到达物体时，发射探头与物体之间距离为s2,则物体的运动速度如公式2.1所示:t2t1)21(2ssV （2.1）(2)多普勒测速 多普勒效应14是指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产-8-生变化，在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，在运动的波源后面，产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，波源的速度越高，所产生的效应越大，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度，恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应是本设计的理论依据，深入的考虑，可利用超声波多普勒效应推导出移动物体的速度15，具体公式如下,其中观察者速度为Vr，波源速度表示为Vs,声速表示为u：（1）当波源静止，观察者运动时 f0uVruf （2.2）（2）当波源运动，观察着静止时 0fVsuuf （2.3）（3）当两者同时运动时 0fVsuVruf （2.4）由于超声波的发生器和接收器是集中在一起的，所以当运动物体反射超声波时，应该把运动物体当做波源，而把超声波接收器作为观察者。这样，就可以结合上述公式求出运动物体的速度与多普勒频移之间的关系，如下：（1）当波源静止，观察者运动时 ufVrf1f0f10 （2.5）（2）当波源运动，观察者静止时 uffffVs1010 （2.6）（3）当两者相对运动时 -9-uVsffuffVsffffVru)10()01()01()01(2 （2.7）其中第（2.6）式的情况在实际情况中不会出现，但是注意到两者相对运动时的第（2.7）式中出现了波源的运动速度Vs，这时就需要用第（2.6）式先求出波源的运动速度，进而求出物体的运动速度。由上述推导公式可知，只要得到多普勒频移信号f-f0，即可求得物体的运动速度Vr。本次设计对超声波的多普勒频移是利用对运动物体反射回来的回波信号周期进行计时，从而得出回波信号频率。2.3 超声波发射模块设计 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了其工作原理是：经由驱动电路作用于换能器的发射头，使换能器发射超声波脉冲，此声波发射出去后被超声波接收换能器所接收16。若已知介质中的声速为C，换能器的接收头接收的波的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可由公式2.8计算出换能器与目标之 间的距离进而求出速度。-10-2CtS （2.8）超声波换能器可将适当频率的电能信号转换成超声波信号17，此超声波信号能被它本身或另外的超声波换能器所接收，从而使之产生一个非常小的电信号，该电信号经放大处理后，送给后面的数据处理部分。超声波测速等系统的性能及精度，尤其是测量范围在很大程度上取决于换能器及其驱动和接收电路的设计18。超声波传感器的中心频率是超声测速系统的主要技术参数，因为它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定超声波传感器的尺寸。空气中超声波的衰减系数与频率的平方成正比，所以空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波的中心频率。超声波传感器中心频率的选取主要基于以下几点考虑：(1)如果测距范围较大，则超声波在空气中传播时的损失就相对增加，由于 介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低超声波传感器的中心频率。(2)中心频率越高，传感器的方向性越尖锐，分辨率越高。因此从测量复杂 障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3)从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装 就越困难。综合以上几点考虑，本系统选择中心频率为40KHz的超声波传感器。本次设计的40KHz的信号由单片机内部的振荡电路产生，经过波形变换以及超声波换能器后发射出去，原理如图3所示，由于超声波换能器为压电陶瓷材料制造，单片机直接产生的方波不能直接加到换能器上，否则会对换能器造成损坏，缩短换能器的使用寿命。所以如图3所示原理图中从单片机产生的40KHZ方波先通过二阶的低通滤波器把方波信号转变为正弦波信 -11-图3 超声波发射模块原理图 号，然后经过功率放大后发射出去。图3中的功率放大利用集成芯片LM386来实现的，这是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8 脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386 可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V-12V，无作动时仅消耗4mA 电流，且失真低。LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V 电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386 特别适用于电池供电的场合。其引脚图如图4所示：图4中3引脚为同向输入端，电压信号从这输入，1管脚和8管脚之间为增益设定电路，经过放大后从5管脚输出加到超声波发射探头发送出去。-12-图4 LM386引脚图 2.4 超声波接收模块设计 超声波信号在空气中传播一段距离后碰到运动物体反射回来，接收部分的电路由放大电路、信号变换电路以及超声信号检测电路三部分组成组成。由于在空气中传播后会发生一定衰减，波形会发生失真，所以需要在接收到超声波信号应该对其进行整形放大。在经过整形放大后需要把正弦信号变换成方波信号以便进行电平分析。超声波接收电路原理图如图7所示：图5所示电路中超声波接收探头接收到信号后先经过整形放大电路对回波信号进行放大，然后将正弦波信号加入到由555定时器构成的施密特触发器对波形进行变换，变换为方波信号后加入到红外线检波接收专用芯片CX20106a，当 CX20106A 接收到方波信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。-13-图 5 超声波接受模块原理图 图 5 中收到的超声波信号通过一个放大倍数为 11 倍的同向比例放大器进行放大19，然后加入到施密特触发器进行波形变换。555 定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的变换与产生、测量与控制等领域中得到了应用。其引脚图 6 所示：-14-图 6 LM555CM 引脚图 将 555 定时器的管脚和管脚连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器。当输入正弦波信号，则脚的输出即为方波如图 7 所示：图 7 波形变换图 在经过波形变换后进入超声波检测电路，超声波检测电路由红外接收专用芯片 CX20106a 组成，引脚图如图 8 所示：LM555 -15-图 8 CX20106a 引脚图 各引脚功能如下所示：1 脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。2 脚：该脚与地之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性 3 脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4 脚：接地端。5 脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取 R=200k时，f042kHz，若取 R=220k，则中心频率 f038kHz。6 脚：该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为 22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。-16-8 脚：电源正极，4.55V。2.5 单片机控制系统设计 单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD 或 LED驱动电路），脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换及 A/D 转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。单片机按内部数据通道的宽度，可分为 4 位、8 位、16 位及 32 位单片机。它们被应用在不同领域里，8 位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。8 位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32 位单片机应用得到了长足发展。单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业-17-80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。它一共有40个引脚，引脚又分为四类。其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2。还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（IO）引脚。最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。综上所述，单片机的引脚特点是：1、单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。2、单片机具有四种总线形式：P0和P2组成的16位地址地址总线；P0分时复用为8位数据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。鉴于 89C52 所具备的功能可以实现本测速系统的要求，所以本系统主控芯片选择 89C52，然后在主芯片外围加上 12MHZ 的晶振，以及电源等电子元器件构成单片机最小系统，本设计要求按键控制超声波信号的发射，数码管显示，所以在最小系统的基础上再加以补充电路。物体的运动速度经过单片机的运算处理后送到数码管显示，数码管显示的电路连接图如图 10 所示，数码管显示所用的驱动为集成芯片74HC573，其引脚图如图9 所示：-18-图 9 74HC573 引脚图 图 9 为 74HC573 引脚图，74HC573 有三态总线驱动输出、置数全并行存取、使能输入以及有改善抗扰度的滞后作用等特点。74HC573 的八个锁存器都是透明的 D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。单片机系统设计完成后与前文所设计的超声波发射与接收电路进行连接，整体设计原理图见附录2。-19-图 10 数码管显示电路 本次设计的所使用的数码管为共阴极，图 10 所示的两个三位数码管，可以看到所有数码管的阳极，即标有 A、B、C、D、E、F、G、H 的引脚全部连接在一起，然后与上面的 U4 元件 74HC573 锁存器的数据输出端相连，锁存器的数据输入端连接单片机的 P0 口，P0 口同时加了上拉电阻。数码管中WE1，WE2，WE3，WE4，WE5，WE6 是它们的位选端，每一个数码对应一个位选端，与上面的 U5 元件 74HC573 的数据输出端的低 6 位相连，U5 的数据输入端也连接到单片机的 P0 口。两个锁存器的锁存端分别与单片机的 P2.6、P2.7 相连，因为单片机可以控制锁存器的锁存端，进而控制锁存器的数据输出，这种分时控制的方法便可以方便的控制数码管显示任意数字。-20-2.6 小结 本章对超声波测速雷达系统的硬件电路进行了设计，其中包括了超声波发射、超声波接收、单片机控制以及数码管显示几部分。其中超声波发射又包括低通滤波电路和超声波换能电路，超声波接收则包括整形放大电路、波形变换电路以及超声波检测接收电路。有了超声波发射与接收的硬件电路，为后续单片机控制软件编程打下了基础。-21-第 3 章 超声波测速系统软件的设计 3.1 主程序 由超声波超声波测速用C语言开发系统可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进和扩充。使用C语言进行8052系列单片机系统开发，编程者可以专注于应用软件部分的设计，不必将大量的精力花在内存分配等底层工作上，从而大大加快了软件开发的速度。因此，本系统采用C语言来进行系统的软件设计，本次设计软件调试的环境是Keil uVision4。本次设计的超声波雷达测速系统同时具有时差法以及多普勒测速功，对单片机进行初始化之后，调用发射子程序产生产生两个周期40KHZ的方波发射出去，同时定时器0开始计时，当超声波信号碰到物体反射回来后，当接收器收到回波信号时定时器0停止工作，同时启动定时器1，当下一个上升沿到来时，定时器1停止计时进入外部中断，同理再发射一次超声波信号，利用定时器0的时间记录得到两次物体与发射探头的距离进而求出物体运动速度，而利用定时器1的时间记录则可以得出回波信号的频率，进而利用多普勒原理求出物体速度。超声波雷达测速的主程序流程图如图12所示，超声波测速源程序见附录1。测速系统程序由按键s1控制单片机发送方波，方波的发射是靠单片机产生方波，由P2.5口发出，周期的控制由高低电平时间来实现，设计要求产生40KHZ的方波，所以控制方波的周期为25us，即高电平12.5us，低电平12.5us。由于要进行多普勒测速所以理论上至少要发射两个周期以上才能利用定时器捕捉回波信号的周期，以此来得出回波信号与所发40KHZ之间的频差来得到物体运动速度。当第一个高电平产生并发送出去后定时器 0开始计时。发出的的超声波在碰到运动物体反射回来进入超声波接收电路后，经波形变换以及整形放大后通过芯片CX20106a进入到单片机的P3.2口，其中CX20106a在没有高电平到时，其输出为高电平，当有信号到时其跳变为低-22-电平。所以可以根据P3.2口的电平跳转来判断回波，当收到第一个高电平时，即P3.2口跳变为低电平时定时器0的计时停止，存储T0的数据为num1，同时启动定时器1，当3.2电平跳变为高电平后下一个低电平到来时，T1定时停止，并存储T1数据为num2。等接受完毕后接着再发射一次，同时启动定时器0，当收到回波后停止，定时器0记录数据为num3。得到定时器数据后，分别利用时差法计算公式以及多普勒计算公式对速度进行计算。但测速系统在测速过程中还应该考虑干扰物体对测速的影响，应该考虑此次测速是否有效，本设计拟对5m以上物体的速度进行测量，所以利用软件编程设计对T0定时器的时间记录进行判断，即当num10.5m/s就应该提示测速失败重新测量。子程序流程图如图11所示。当系统判断测速数据有效时，需要对测量出来的数据进行显示，本次设计是针对速度在10m/s以下运动物体速度测量，显示保留两位小数，即利用3位显示。图11 测量结果判断流程图 开始 V0.02s 输出到显示 N N Y Y -23-图 12 测速系统流程图 开始 初始化 调发射子程序 定时器 0 开始计时 NY 定时器 0 停止计时 是否有上升沿 是否有回波 N Y 显示 结束 启动定时器 1 定时器 1 停止计时 调发射子程序 是否有回波 定时器 0 停止计时 计算速度 定时器 0 开始计时 Y N -24-主程序中对于定时器的控制由定时中断服务子程序以及外部中断子程序来实现，定时中断服务子程序以及外部中断子程序如图 13 和图 14 所示：图 13 定时中断服务子程序 图 14 外部中断服务子程序 3.2 小结 本章根据超声波测速系统的硬件电路设计，对系统软件进行了设计，从系统的算法入手，按照测速步骤对超声波测速系统软件编程进行了详细的介绍，画出了测速系统的主要流程，将软件和硬件充分结合，测速系统已初步形成。定时中断入口 定时器初始化 发射超声波 是否发射完 停止发射 返回 外部中断入口 关外部中断 读取时间值 计算速度 结果输出 开外部中断 返回 -25-第4章 系统性能分析 4.1 系统功能分析 本系统可以实现对变速物体的速度进行比较准确的测量，由于现有的超声波换能器最远的探测距离为35m，所以无法实现对更远距离的物体进行速度测量。对于时差法测速，是根据两次超声波发射与接收物体的运动位移与所用时间之间的关系得出的，本系统设计本着以最短测量周期实现对速度的测量，所以经过系统分析超声波探头的探测距离为10m,设在常温下，即 15下声波在空气中传播速度为 340m/s,则在这个基础上可以将测量周期控制在 0.1s 以内,在运动物体的速度不超过 10m/s 的情况下，根据系统的程序计算，测量误差不超过0.1m/s。对于时差法测速，在测速过程中物体的运动位移是一定的，但在时差上在程序中未能考虑到各部分电路的传输速度，导致测量结果出现误差，实际测速中应在回波接收完之后才发射第二次,但在程序计算中，是默认在第一次回波后直接发射第二次，所以由此造成对速度的计算中少加了50us的时间，这个时间对时差法测速测速的误差影响不足0.01m/s,40KHZ 的方波其波长为 25us，根据超声波雷达测速系统的要求，当测量距离在10m 以下时，设此时的声速为 340m/s，则对于时差法的两次发射与接收所耗时间可以控制在 0.09s 以内，可以实现测量周期不超过0.1s 的设计要求。对于多普勒测速，多普勒测速时捕捉回波信号的周期，其测量的精度损失主要来源于电路以及持续运行速度，再对测量精度影响的就是环境温度对测量的影响，但一般情况下温度相对恒定，所以测量精度相对较高，可以实现预期的精度要求 0.1m/s，多普勒测速是对回波信号的的周期进行测量进而得出速度的，理论上只需发射一次即可实现测速，其测量周期在测量距离不超过30m 的情况下，设声速为 340m/s，其测量周期小于 0.09s，符合测速系统的设计要求。无论是时差法测速还是多普勒测速，其速度最后都利用数码管进行显示，数码管显示可以保证测速结果精确到0.01m/s.-26-4.2 系统误差分析 本次设计的超声波雷达测速系统，按照系统设计要求把时差法测速以及多普勒测速在一套系统中得到了实现，由单片机为控制核心，C 语言为编程语言，实现了对系统的时序进行控制，利用单片机的定时/计数器实现对速度的测量。4.2.1 影响回波时间t 测定的因素及减小误差的方法 在测量过程中,为了防止其他信号的干扰,提高测量的可靠性,单片机开始计数时,超声传感器常常发射由多个方波组成的脉冲串作为测量的载体20。若接收电路中的比较器的阈值电压为一定值,由于粉尘及其它物质的影响,故实际测量时,不一定是第一个回波的过零触发。通过对超声波接收回波的观察分析,发现接收回波经包络检波后,其包络线前沿为按指数规律上升的曲线,大约在第九个波到包络线的峰顶,第三个波近似为峰顶的75%。故接收电路常设计为接收到第2个回波时,单片机停止计数。所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出2脉冲发送时间,从而造成了回波时间t 的测量误差。为了提高测时精度,必须准确地检测到第一回波脉冲沿到达的时间。用固定阈值的单比较器检测回波,由于声波在传输过程中存在吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大,而呈指数规律衰减,在量程范围内,最近目标和最远目标的回波幅度相差较大,可能导致越过门槛的时刻前后移动,从而影响计时的准确性。-27-图15 双比较器整形电路工作原理 解决这一问题的方法:采用双比器整形电路,这能较准确地对回波前沿到来的时刻进行测定。如图15所示,Vm 为峰值电压,设V 1 为比较器1 的门限电压,V 2 为比较器2 的门限电压,(其中(V 2 V 1,其值由实验设定),当超声波传感器发射超声波时,单片机定时器T 1 和T 0 同时开始计时,当比较器1 翻转时,T 0 停止计时,此时T 0 所计的时间为t 1,当较器2 翻转时,T 1 停止计时,此时T 1 所计时间为t 2,显然t 2 t 1,t 是回波前沿所对应的传播时间,则 ttttVV2