基于物联网智能交通- 雷达测速系统毕业设计，南京理工大学紫金学

南京理工大学紫金学院

毕业设计说明书(论文)

作 者: 系

：

学 号：

电子工程与光电技术系

电子信息工程 基于物联网智能交通- 雷达测速系统设计

专 业: 题 目:

高级硬件研发工程师 指导者：

(姓 名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓 名) (专业技术职务)

2013 年 5 月

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院

毕业设计（论文）评语

学生姓名： 班级、学号：

题 目： 基于物联网智能交通-雷达测速系统设计 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日 毕业设计（论文）评语

评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日 答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

现有雷达测速系统大部分采用多普勒法测速，当被测物体的移动速度变化幅度较大时，通过采集变化的多普勒频率并进行处理就可以得到速度。根据实际情况，统筹考虑，本文以STC89C52RC单片机与HB100微波传感器为核心组成控制系统。通过合理的时序控制，将采集到的微弱波形信号先通过一系列放大和滤波电路，然后再经过比较器转换成方波传输到单片机，实现对速度的测量。测试结果初步表明，该系统的测量误差相对较小，测量精度相对较高，同时验证了系统的可行性。研究成果有一定的理论价值和实际应用前景。 关键词 雷达 多普勒 单片机 测速

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Based On The Internet Of Things Intelligent Transportation – Radar Speed System Abstract The currently radar speed system mostly adopts the Doppler velocity measurement, when the speed of the movement of the measured object which varies in a large range , we can acquire the speed by capturing the Doppler frequency and processing .Based on the actual situation ,considering as a whole, this paper takes STC89C52RC microcontroller as the core ,using the HB100 microwave motion sensor for receiving element . Though controlling times reasonably , making the weak signal though the amplification and filtering circuit ,then converting the wave into Fang Bo by a comparator , then deduce to microcontroller in order to achieve the speed measurement .Analysis shows that the system measurement error is smaller, High measurement accuracy, Verify the feasibility of the system. The Research results have certain theoretical value and application prospect. Keywords radar Doppler Microcontroller Microwave motion sensor module

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目 录

1 引言 ................................................................ 1 1.1智能交通 ......................................................... 1 1.2雷达测速系统 ..................................................... 2 1.3雷达测速系统的应用现状与拓展应用 ................................. 7 1.4本文研究工作 ..................................................... 7 2 多普勒测速原理与应用 ................................................ 9

2.1

多普勒效应 ....................................................... 9

2.2 多普勒测速原理 ................................................. 11 2.3 测速雷达的整体设计方案 ......................................... 12 2.4本章小结 ....................................................... 13 3 雷达测速的硬件设计 ................................................. 14 3.1雷达测速的硬件设计方案 .......................................... 14 3.2 HB100模块 ...................................................... 14 3.3放大电路 ........................................................ 17 3.4 单片机控制系统设计 ............................................. 19

3.5 LM393

组成的比较电路 ........................................... 21 3.6显示部分 ........................................................ 22 3.7本章小结 ........................................................ 24 4 雷达测速系统的软件设计 ............................................. 25 4.1 软件设计的整体方案 ............................................. 25 4.2关键程序 ........................................................ 27 4.3本章小结 ........................................................ 27 5 系统的相关性能测试 ................................................. 28 5.1测试的相关要求 .................................................. 28 5.2测试 ............................................................ 28

5.3

本章小结 ........................................................ 31 结 论 ................................................................ 32 致 谢 ................................................................ 33 参 考 文 献 ........................................................... 34 附录程序代码 .......................................................... 35

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1 引言

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智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS) 它是将先进的电子信息技术、电子传感技术、数据传输技术、计算机技术及控制技术等有效地集成应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位作用的，高效、准确、实时的综合交通运输管理系统,是未来交通系统的主流发展方向。ITS可以更加有效地利用现有交通设施、减少环境污染和交通负荷、保证可靠地交通安全、进一步提高运输效率，因而，日益渐渐受到各国的重视。

1.1智能交通

21世纪公路交通将是更加智能化的世纪，人们将要采用的是一种先进的一体化交通综合管理智能交通系统。在这套系统中，车辆将更多的靠自己的智能在道路上行驶，减轻驾驶者的负担，公路将更多的靠自身的智能将交通流量调整至最佳状态，凭借这个系统，公路交通管理人员将对道路、车辆的行踪掌握得一清二楚，将更加利于管理。 1.1.1 智能交通的发展现状

随着科学技术越来越广泛地使用，科技成果的迅速发展，使我们的生活方便了许多。传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中,用于实现某些应用[1]。智能交通系统是通过先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术、计算器技术和系统综合技术有效的集成和应用，使人、车、路之间的相互作用关系以新的方式呈现，从而实现实时、准确、高效、安全、节能的目标。

当前，困扰国际交通领域的三大难题主要是交通安全、交通堵塞及环境污染，这其中最为严重的是交通安全问题。将智能交通技术运用到道路管理后，每年仅交通事故死亡人数就可减少三分之一以上，并能大幅度提高交通工具的使用效率。为此，世界各发达国家通过投入大量资金，人力和物力，对智能交通技术进行大规模的研究试验。目前，很多发达国家已从对该系统的研究与测试转入全面部署阶段。

在这个领域，美、欧、日是世界上智能交通系统开发应用比较好的国家，根据它们的发展现况来看，智能交通系统技术的发展，已不在仅仅局限于解决交通拥堵、交通污染、交通事故等问题。经30余年的发展，在ITS的开发应用构建方面已取得相当大的成就。美、欧、日等发达国家基本上完成了ITS体系框架，并且大规模应用到重点发展领域。可以说，科学技术的进步极大推动了交通的发展，而ITS的提出和发展，又为高新技术发展提供了广阔的发展空间。

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此外，随着电子通信技术、传感器技术、GIS技术（地理信息系统）、3S技术（遥感技术、全球定位系统、地理信息系统三种技术）和计算机技术的不断发展，交通信息的采集经历了从人工采集到单一的磁性检测器交通信息采集到多源的多种采集方式组合的交通信息采集的历史发展过程，同时国内外对交通信息处理研究的逐步深入，统计分析技术、人工智能技术、数据融合技术、并行计算技术等逐步被应用于交通信息的处理中，使得交通信息的处理得到不断的发展和革新，更加满足ITS各子系统管理者、用户的需求。

在我国智能交通也得到了进一步的发展和广泛的应用，以北京的发展为例。目前，北京市道路网络经过几十年的建设和完善，基本形成了环形加放射式的道路网络。此外，受益于公安部《道路交通安全“十二五”规划》、《道路交通科技发展十二五规划》等多项政策扶持，预计未来10年国内智能交通投入将在1820亿元之巨。截至2012年8月10日，全国共有19个省市公布了智能交通投资计划，涉及投资金额高达78.05亿元。其中，投资额度最大的是河北省，计划投入24亿元建设“道路动态科技防空工程、交通运输综合协调指挥与服务工程”。投资额度最少的厦门市，也计划1400万建设“仙岳高架桥智能交通管理系统”。无论是投资还是经验方面我国都处于初级阶段，但是探索发展的脚步从未停止。

1.2雷达测速系统

得益于智能交通的发展，使的雷达测速系统也得到了深入的发展和广泛的应用。在交通安全方面车速的测量是一个关键的手段，雷达测速是最常用的、最关键的技术之一。众所周知，雷达是利用电磁波对目标进行探测的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率即径向速度、高度、方位等信息。雷达测速主要是利用多普勒效应原理，当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。

另外，我们在一些文献中可以了解到，有一些简单的速度测量仪式利用超声波作为信号源的。它是利用两次发送和接受的时差来测出速度的。然而超声波受温度的影响较大，测量的作用距离大约在10米左右，而且工作不稳定，因此存在严重的不足。利用多普勒测速法可以避免上述的缺点，测量作用距离在20米以上，并且不受天气的影响。

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因而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，公安部分广泛使用的雷达测速仪等。随着社会的飞速发展，由于雷达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，接收器接收反射回来的光，在光速的发射和接受之间测量传播时间，另外由于光脉冲是以光速传播，所以接收器会先接受到前一个被反射回的脉冲，而不会与下一个即将发射的光之间产生干扰[2]，传播时间由于光速是已知的，通过公式即可被转换为对速度的测量。微波雷达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[3]，通过采集变化的频率就可以得到速度。最后，超声波是利用声波的发送和接受之间的时差来进行测量的。相比于激光和超声波，微波雷达的成本相对于激光要小，而且适应性较强，对于天气的影响变化不大；在高速和低速的情况下相对于超声波，微波的测量更加准确。所以微波雷达更具有可选性。 1.2.1 雷达测速应用中的先进技术

首先是最快速度跟踪技术，当雷达正在测量一辆目标车辆的速度时，有一辆更快的车驶来，最快速度跟踪技术的出现不但让操作者可以继续对目标车辆进行跟踪测量，同时雷达还将显示更快车的速度。其次是数字天线技术，数字天线通讯技术的出现大大地提高了雷达抗干扰的能力以及雷达测量的准确性。最后是方向感应技术，先进的方向感应技术将允许操作者去按照自己选择特定的交通监控方向。不论目标车是不是位于同一车道还是位于相反车道，也不论它是不是距离的最近的测量，雷达都可自动地对其进行速度测量并显示其相关信息。 1.2.2 雷达测速的国内外研究现状

目前，世界发达国家的测速装备发展和运用的相对完善，针对不同的地区、环境和地势，都配备有相应的测速产品装置。无论移动测量还是固定测量、自动测量还是

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手动测量，都有相当的普及度。例如在高速公路上，既有监测速度的固定地点，也有许多穿梭于公路间的巡逻车进行移动测量。再如在学校附近的路段，大多数都安装了速度显示牌对过往车辆进行监测以及对其进行提醒，从而进一步保证学生的安全。在过去30年里，ACI公司的工程技术人员创造了多普勒雷达测速领域的多项世界第一:第一台动态交通监测雷达，第一台固态电子警用雷达，第一台K波段测速雷达，第一台手持K波段测速雷达，第一台手持Ka波段测速雷达，第一台数字(DSP)测速雷达，第一台双向数字测速雷达。ACI公司在军用和电子对抗、加速度测试、数字天线通信、双平衡混频器天线等领域也一直保持领先地位。斯德克提供警用、加速度和体育测试全系列测速雷达。警用雷达系列从相对简单的手持静态应用到功能强大的车载动态应用一应俱全，可以自动探测巡逻车前、后和来往车辆的车速，超速车辆自动声音报警。使用三个显示窗同时显示巡逻车车速、来往车速、自动锁定最高车速，使用简便，探测准确，具有标准RS232串行接口，可以连接摄像机、计算机、打印机、远程显示器等外部设备。目前最典型的应用型雷达为，SPORT型警用测速雷达，BASIC型警用雷达，， LIDAR型测速雷达。同时，ACI首次引入数字信号处理和微波Ka频段。它生产的Stalker Dual的底面积仅为6x6平方英寸，高为1.5英寸，并且可以通过红外遥控器进行控制操作，可以固定在汽车的挡风玻璃上或者车头上，也可以安装在汽车的外面。路面实验表明，Stalker Dual的捕获速度快，所需时间短，控制在一秒以内，捕获距离也很远。

在欧洲，X频段的厘米波多普勒雷达经过了相当一段时间的使用，它可以在很远的距离上测量城市道路上和高速公路的行驶车辆。自从1982年以来，就有一种趋势，利用更高频率的雷达，可以得到更高的准确性，并且厂商可以将雷达做得更小。这期间出现了一种Ku(13.45GHz)频段的过渡性产品。后来在德国和瑞士首先应用了工作在34.5GHz频率的多普勒雷达作为测速仪的信号源，这种雷达使用更小的波束宽度，使能量更加的集中。这种雷达的设计就是利用原来的X频段雷达的应用经验设计而来的。在相对缺少雷达波对于运动汽车的反射知识的情况下，通常把整个汽车作为一个整体散射固定的雷达波。经过实验，汽车的最大反射位置在它的散热器、挡泥板以及前大灯上。多普勒雷达的反射波信号通常是由多个点反射的正弦波组成的，同时在传播过程中会有一定的衰减。频谱有带通的特性，频带范围在原来发射信号频率经过多普勒频移之后的频率周围。测量的结果会受到很多因素的影响并且发生相应的改变，例如: 波束宽度、天线极化、距离的变化、天线的高度、多径、反射角度的变化和信号的采样率，由于其它运动物体的反射和路面沥青散射都会产生多径效、应使得测量精度下

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降[4]。

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近年来，伴随着国内高速公路的快速发展，对于交通监控管理系统的要求越来越高。现阶段国内交管部门主要使用的有激光测速，在两次特定的时间间隔内，利用激光测距原理测试运动车辆在该段时间内移动的距离，得到被测物体的移动速度。还有视频测速，利用车辆的视频监控信号来测得车速。有些学者赞成根据微波多普勒效应,利用单片机技术测定运动物体(汽车等)速度的设计方法通过雷达进行车速、车距测量，这是汽车采用的安全预警系统中的关键技术[5]。另外，有些学者分析了车速、车距测量方案,并详细讨论了调频连续波(FM CW)测量系统的工作原理,给出了主要电路的设计方法。此系统可以在雾天或夜间准确监测前方车辆,并在车速、车距达到安全边界时给出警示信号,避免碰撞事故的发生[6]。

现在，国内生产和研究便携式雷达测速仪的机构相对比较少，使用在公路上的雷达测速仪大多是在需要测量的固定地点安装固定的雷达发射器，这样很容易被驾驶者发现，因而，控制超速车辆的效果不是太显著；另外由于大部分测速仪是基于相对传统的模拟滤波技术，不能很好的满足处理频率信号的稳定性和方法精度的技术要求，另外仪器体积又较大，不能很好的推动智能交通管理监测系统的数字化发展；除了采用单片机还可以采用DSP或者FPGA,包括：微波接收的前置放大电路；后端处理系统的硬件设计和程序框图；数字信号处理的算法主要就是分这三个部分[7]。国内许多学者针对交通雷达测速系统的原理及测试方法进行了深入分析,并且联系实际提出了有效改善其性能的方法。对提高国产的交通雷达测速系统的可靠性与精度并使其向多功能测试系统发展具有重要的现实意义[8]。

也有相对少部分雷达测速仪是利用数字信号处理技术，但是必须与上位机结合在一起使用，真正应用起来很不方便，但是对于进口产品来说价格又非常昂贵。有些学者提出了由数字存储示波器、计算机和LabView + Matlab软件组成的雷达信号采集与分析系统。有些机构运用多普勒效应,采用DSP设计雷达测速系统进行测速,并阐述了其工作原理与基本设计思想。给出了系统硬件的结构图、软件设计结构和原理图,改善了传统测速精度,提高了系统工作可靠性和稳定性,比如系统中的DSP采集板，它工作相对稳定,测速效果相对较好[9]。

另外，本课题采用的雷达测速传感器是X波段的，X 波段范围为：10.525 GHz +/- 50MHz；现采用的雷达形状为矩形，发射方式采用连续波发射，但 X 波段拦截式雷达在车阵中锁定车辆比较困难，所以车阵中的第一台通常都是可能被警方拦检。对于交

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通雷达中的警用雷达是采用发射连续波的雷达技术最直接的一种应用。此外，他们同时也受到电信局以及其他相关基站所采用的发射站，随处可见的高压电线，无线电移动通讯器，遥控器，各种无线电动门所采用的控制器，道路流量计数器等干扰。目前 X 波段雷达常常搭配照相系统一起使用，因为X 波段固定测速照相系统属于较成熟的照相系统。当测到违反车辆时，1秒钟间自动把像片传送到监测管理中心。同时，许多毫米波元件与微波同类元件的特性差别很大。这影响到毫米波雷达的设计方法。在某些情况可能没有与微波器件等效的毫米波器件(如铁氧体双工器),因此实现一个功能需采用不同的方法[10]。无论是在民用还是军用领域，利用多普勒原理进行测速都得到了广泛的应用和研究。在民用中，可用来进行测量运动汽车的驾驶速度；在机场中，用可以用来引导飞机在云雾和暴风雨条件下安全着陆。在军事上，可用于搜索和探测敌人的舰船、飞机和车辆，还可用于武器制导等等。X波段受阴雨天气的影响较小，适应性强，可全天候执行测速工作。因此，开展对X波段多普勒测速的研究，有着重要的现实意义。

1.2.3 雷达测速仪目前存在的主要问题

要准确的检测到车辆行驶的速度，获得准确的多普勒频率非常重要，因为频谱分辨率的精度会直接影响到车速检测的精度，另外由于雷达天线发射具是有一定宽度范围的微波波束，反射信号可能是周围建筑，树木防护林或其它移动车辆等多目标反射信号相混合的频率信息，这也就需要我们为了能够将检测的车辆的频率信号从混合信号中识别出来合理的采用一定的信号处理算法。此外，雷达测速系统目前大部分用于超速违法取证的执法工具，其本身的合法性以及拍摄作为证据图片的真实可靠性也非常重要。因此，不但要准确还要能实现快速、实时的检测。同时，进行信号的频谱分离时需要考虑采样速度和运算速度的问题。现根据实际情况以及本文的要求，在综合了多方面因素后采用STC89C52单片机进行数据处理。

在实际应用中也会遇到很多问题，比如公安部门使用的雷达测速系统，关键就是对车牌的识别率和超速车辆的捕获率的技术要求。由于测速雷达采用的是基于多普勒效应，所以在实际使用过程中会存在一些技术上的问题，例如：（1）相机区域内同时出现多个目标车辆时，很难对超速违章车辆进行捕捉；（2）道路周围的建筑物，植被，栅栏等都会反射雷达发射的波束，经过多次混合反射后，测出的结果也会出错；（3）由于雷达波束的照射面积较大，同时探测距离比相机拍摄距离相对远，如果安装位置放置不当，很容易就会出现车辆还没有进入相机的拍摄区域但是雷达已探测到其速度

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并触发相机进行拍照，结果无法捕捉到这其中的超速车辆；（4）由于无线电波也会对雷达波产生干扰使测量结果失真。此外，雷达测速系统是用于进行超速违法取证的执法工具，其本身的合法性以及拍摄作为证据图片的真实可靠性也是非常重要的。

1.3雷达测速系统的应用现状与拓展应用

在交通工程上，速度是计量与评估道路绩效和交通状况的重要数据之一。速度数据的搜集方法有许多种，包括人工测量固定距离行驶时间、压力皮管法、线圈法、影像处理法、雷达测速法与激光测速法等。其中后两者属于携带容易而且精确度高的方法，因此广受采用。超速行车在交通违规中占有极大比例，此一现象可从高速公路过去四年间违规告发项目中，超速案件比例均在三分之二左右看出端倪，而超速行车一直被认为是肇事之重要因素之一；因此从交通执法观点而言，取缔超速是比较具体的维护交通安全之手段。国内取缔违规超速一向以雷达测速枪当工具，径行举发案件则辅以照相设备；只是近年来，雷达侦测器盛行，价格普及化之后，即使法规明令禁止使用，一般民众仍趋之若鹜，因为其价格只需逃避一至两次取缔的机会即可完全回收成本。以交通工程观点来看，驾驶人若装有雷达侦测器，则路边定点所测得的车速即会因驾驶人感知受测速，误以为警察人员执行取缔而有普遍减速现象；除造成数据失真外，并因而有引起事故之可能。

本文主要研究的是雷达测速系统，除了警用外，对于交通领域的三大难题，本系统的应用可以解决交通安全这一难题。可以将这套雷达测速系统装在家用汽车或者公共汽车的前后两端，并且同时在前后左右四周安装超声波测距仪，这样前后的雷达测速系统和超声波测距仪可以在有效范围内测量前后车辆的速度和距离，获得速度和距离后，就可以算出时间，这个时间就是安全时间，用于提醒驾驶员能够根据实际情况做出相应的安全操作，减少危险发生的机率。左右的测距仪可以检测其他车道上行驶的车辆是否靠的太近，如果超过安全范围，就可以提醒车手做出相应的反应。总之，通过安装这些智能装置可以在车辆的附近形成一个安全框架用于提醒车手，进而有利于降低事故率。

1.4本文研究工作

本次设计准备建立一个以单片机为核心的雷达测速系统，根据多普勒效应所得的频率变化并带入到公式从而得到速度，在理论指导下，先将传感器所接受的微弱正弦

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信号通过放大滤波电路进行放大然后通过比较器转换成方波，利用单片机获得高低电平信号，通过下降沿触发计数一个周期内的脉冲数，此数就是频率，带入公式就可以得到速度。选择单片机是因为单片机自问世以来,因其小巧灵活、成本低、控制能力强、易于产品化等优势,在社会各领域中得到广泛的应用[11]。对于用单片机进行频率的处理，我们知道单片机对于矩形波，锯齿波，方波的处理比较容易些，但是对于正弦波的测量主要是参数的取值。所以目前考虑到将正弦波通过比较器转化为方波，波形的变化一开始是低电平，当一接触到传感器的信号就变成高电平，通过计算持续的时间来得到频率。

对于硬件部分的动态扫描只要写一段代码就可以解决，对于软件部分主要是处理传感器采集的数据，通过物理公式确定变量，然后通过编程进行调试，公式（1.1）如下：

Fd=（2Vr*Ft）/C； （1.1） 现在C是光速，Ft为发射频率，变换一下公式就可以得知速度与Fd成正比。另外，现有的雷达测速系统大都是利用窄波雷达进行测速，常见雷达的发射角一般都在12°以上，但是窄波雷达的发射角在7°以内，对于安装在道路上方龙门架的雷达测速系统，雷达不会探测到旁边车道的车辆。另外由于雷达波束较窄，其抗干扰能力强，其天线方向性较好，能够较准确地进行测量，可大大减小反雷达探测器的作用距离并能有效的减少反射波的干扰，进一步提高测量精度。

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2多普勒测速原理与应用

2.1多普勒效应

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多普勒效应[12]是为了纪念奥地利数学家及物理学家克里斯琴2约翰2多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于十九世纪中期首先提出了这一重要理论，主要内容为：物体辐射的波其波长会随着波源相对于观测者之间的运动而产生相应的变化。当运动的波源靠近观测者时，波长会被压缩，变得较短，频率变得相对较高，这种现象也被称作为蓝移；当运动在波源远离观测者时，波长会被扩展，频率变得相对较低，这种现象也被称作为红移；波源的运动速度越快，其产生的变化也会随之变大。依据波红移和蓝移的程度，波源与观测方向之间的相对运动的速度就可以计算出来。多普勒雷达的测速工作原理就是依据多普勒效应进行设计的，此外，多普勒效应也不仅仅适用于声波，他也适用于所有类型的波，包括光波，电磁波等[13]。

当无线电波在传播的过程中碰撞到物体时，该无线电波就会被反弹回来，而且反弹回来的波其频率和振幅会随着碰撞物体的运动状态的变化而变化。若发射的无线电波是固定不动的，那么反弹回来的无线电波频率也就不会发生相对的改变，然而，若物体是朝着无线电发射的方向前进，此时所反弹回来的电波会被压缩，反之，则会被压缩[14]。

根据多普勒效应，当波源向观察者靠近时波的接收频率会变高，反之，当波源相对于观察者远离时其接收频率会变低。现在假设原始波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：当波源移向观察者时，观察到的波源频率为（c+v）/λ，如果波源远离观察者时，观察到的波源频率为（c-v）/λ。举个例子，火车的汽笛鸣笛时，当火车接近于观察者时，其鸣笛声会比平常刺耳。你可以在火车经过时感受到刺耳声的变化。同样的情况还有：赛车高昂的发动机声以及警车的警报声。

如果把波视为有规律间隔发射的脉冲，你可以想象每走一步，它便会发射一个脉冲，那么在你之前发射的每一个脉冲都会比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时变得更加远了。换句话说，在你之前的脉冲频率相对于平常会变高，反之，你之后的脉冲频率会比平常变低了。

产生的原因，波源在完成一次全振动后，它就会向外发出一定波长的波，此

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时，频率就是单位时间内完成的全振动的次数。当波源相对于观察者靠近时，此时传输到观察者的频率就会发生相应的改变。在单位时间内，接收到的频率会随着观察者接收到的完全波的个数的增多而逐渐变大。反之，当波源相对于观察者远离时，在单位时间内，接收到的频率会随着观察者接收到的完全波的个数的减少而逐渐变小。

此外，关于雷达波的多普勒，一直到20世纪30年代，多普勒效应才开始运用到电磁波的范围中，随着雷达应用的日益广泛，雷达的性能和要求也在不断提高，这样就推动了通过改进多普勒效应来进一步改善雷达的工作质量，并使多普勒效应在雷达中更加广泛应用起来。

根据前面的多普勒原理，我们将它运用到雷达测速上，当雷达的电磁波在行进的过程中碰到物体时，该雷达波就会被反弹，并且其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而发生相应的改变，即增大或者减小。若雷达波所碰到的物体是固定不动的，那么所反弹回来的雷达波其频率及振幅也是不会改变的，实际的应用如图2.1。

图2.1 雷达波的多普勒现象

由于本设计的理论依据是多普勒效应，深入的考虑，因此，利用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, 电磁波速表示为u：

（1）当波源静止，观察者运动时 f?[u?Vr]f0 （2.1） u（2）当波源运动，观察着静止时 f?[u]f0 （2.2） u?Vs（3）当两者同时运动时

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f?[第 11 页 共 38 页

u?Vr]f0 （2.3） u?Vs由上述地数学分析可知，若波源与接收物体之间存在相对运动时，接受的频率就不同与发射的频率。即两者之间的距离缩短（相对运动时），接收频率高于发射频率。两者之间的距离增大(反向运动时)，接收频率低于发射频率。

2.2 多普勒测速原理

假设现有一个运动物体，并且在天线场的有效范围内利用多普勒效应进行速度测量，运动信号模型如图2.2所示:

图2.2多普勒运动信号模型

天线1是用来发射雷达电磁波到运动物体上，其发射频率为速度为光速C，物体运动的速度为

，电磁波的传播

，则运动物体实际接收到天线1发射的频率为:

（2.4）

同理，根据多普勒效应可知，当电磁波碰到运动物体后反射回来，其天线2所接收到返回的实际频率为:

（2.5）

所以，天线2接收到的频率与发射频率之间的关系可以推导如下:

（2.6）

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式(2.6)说明:通过发射天线1发射频率为

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做

的电磁波，相对于天线以径向速度

径向运动，根据多普勒效应，接收天线2接收到的电磁波的频率将是发生两次多普勒效应后的频率，即变为

[16]

。最后将相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的频

表示，则:

率差就称之为多普勒频率，用

(2.7)

由式(2.7)分析得知，多普勒频率与相对天线的径向速度就可以求出

，这就是多普勒雷达测速的基本原理[17][18]。

成正比，只要能测出

根据前面的分析与推导，可以对多普勒频率这样进行定义:

（2.8）

其中：

为多普勒频率 为运动物体的速度 为光速，3?108m/s

为发射波频率 由式（2.8）得知：

（2.9）

根据式(2.9)可以看到其它变量都是己知的，只要我们测出频率测物体的运动速度。

，就可以计算出被

2.3 测速雷达的整体设计方案

根据上文的理论分析，可以制定出整体的设计方案。首先进行需求分析,本次课题的具体要求就是：

(1)利用雷达测量行驶车辆的速度。 (2)支持LED显示； 主要性能包括： 1.探测范围超过1米；

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2.不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响。

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主要器件是：51单片机和微波传感器及其外围电路。方案的制定，先画出了整体的方案框图如图2.3，并将框图进行模块化设计，同时对模块进一步细化，分析各个模块需要完成的任务以及各个模块所需要的器件，在完成各个模块后将整个系统组合起来进行调试，最后总结经验和思考拓展。方案的实施，在硬件上就是了解51芯片和外围电路，外围电路主要就是放大电路和比较电路，在软件上就是利用Proteus和Keil进行仿真，由于Proteus中有器件不能仿真或者没有，可以选用其他的器件代替。工作计划，从开始接受到课题就开始制定分工和计划，总体计划就是先仿真，后连接实物。元器件的采购：画出需要的外围电路并且确定多种方案，根据仿真的可行性，选购元器件。最后就是焊接电路板和调试。信号处理的链路图如下图2.3：

HB微波模块Lm324组成的放大电路Lm393组成的比较电路图2.3 信号处理链路图

单片机显示 根据信号链路图分析可知， HB100微波模块是收发元件，并且经过示波器测得模块的输出是低能量的正弦波信号，必须进行放大和滤波后才能使用。LM324组成的放大电路就是对正弦波形的小信号进行放大和滤波。LM393就是将放大后的正弦波形信号通过比较器将正弦波转换成方波。最后输入到单片机进行处理，软件部分主要就是写入单片机内部的程序，该程序主要实现的功能就是计数，并将所记的个数转换为频率，变量就是模块输入的下降沿信号，最后通过数码管显示。

2.4本章小结

本章主要对多普勒原理有了更为深入的介绍，比如它的由来与公式推导，以及怎样应用到实际生活中。通过理解多普勒原理进而就可以理解雷达测速系统是如何工作的，这样就为雷达测速的整体思路的设计有了理论依据。同时，我们根据多普勒原理制定了整体的设计方案，主要包括硬件和软件部分，并且将整体工体工作细化，分时完成，总体按照先仿真后实物的顺序将任务完成。具体的步骤就是在完成好仿真后在进行硬件电路的搭建。

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3 雷达测速的硬件设计

3.1雷达测速的硬件设计方案

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根据整体方案首先设计出硬件部分，以HB100微波模块作为首发元件，主要功能就是采集频率信号。LM324运放芯片的功能就是进行滤波和放大，它主要是由两级放大电路组成。LM393运放芯片主要是用来作为比较器使用，先规定一个参考电压，将放大后的电压输入进来参考电压比较，高于参考电压的部分是高电平，低于参考电压的部分是低电平，即转换成方波。最后将方波输入到单片机进行处理并且显示出来。整体框图3.1如下：

HB微波模块Lm324组成的放大电路Lm393组成的比较电路图3.1 整体框图

单片机显示 3.2 HB100模块

HB100微波传感器模块

[19]

：又称多谱勒雷达，是一种多普勒收发模块。它是通过

发射连续微波并接受反射波从而探测移动目标的组件。它的特点是：低功耗，操作模式为连续/脉冲波，对各种可以反射微波的物体都很敏感，而且不受温度的影响。

微波传感器的种类：

（1） 平面微带介质谐振传感器（planar Microstrip)：它由三部分组成，传感器

模块，多谱勒信号调理电路，决策控制部分。

（2） 波导谐振型（waveguide),谐振体是金属空腔，腔体尺寸与微波波长相关。 （3） 同轴谐振型（coaxial),谐振体也是金属空腔。

HB100微波移动传感器是X波段移动传感多谱勒模块，其能耗低，灵敏度高，体积小，是理想的低成本移动检测器。GAS FET介质产生基波振动，另外谐振振动器（DRO）不会产生辐射谐波。模块大部分采用表面安装组件，体积小，可靠性高，本模块与红外传感器组成比检测，通常主要用于防盗系统中，同时可以有效地减少误报。原理及结构框图如图3.2，应用举例如图3.3

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图3.2 原理及结构框图

图3.3 应用举例

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模块主要参数如表3.1：

表3.1 模块主要参数:

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参数 中心频率 辐射功率 杂波抑制 建立时间 接收信号强度 噪声输出 注释 1 1 1 2 3 最小值 10.520 12 4.75 10 -15 典型值 10.525 15 3 200 80 40 5.00 30 2 8 最大值 10.530 20 -7.3 6 5 5.25 40 55 单位 GHz dBm dBm uSec uVp-p uVrms ° ° VDC mA KHz uSec ° gm 3db天线方向图-方位 3db天线方向图-俯仰 电源电压 电源电流 脉冲重复频率 脉冲宽度 操作温度 重量 4 4 通过原理和结构框图可知，该模块有一个正电源端，两个地端，一个信号输出端，晶振是用来产生发射信号的并通过发射天线发出，然后通过接受天线接收信号，最后

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通过一个混频器从信号输出端输出。根据上述参数图可以得到以下参数：由脉冲重复频率得到一个周期的时间为0.5ms。脉冲宽度为10μs。这里的概念包括，周期脉冲序列的频谱对应到它的离散频谱，一是一条谱线，二是sinc函数，脉冲宽度决定了频谱图的第一个零点，脉冲频率决定了频谱间隔。

3.3放大电路

3.3.1 LM324运放芯片简介

LM324是包含四组运放的集成电路,采用14脚直插双列塑料封装。它的内部集成了四组功能完全相同但又相对独立的运算放大器,除了共用电源外,四组运放之间相互独立，互不影响。其中单一的运算放大器原理图可用图3.4所示的符号来表示,它包括引出脚5个,其中“+”、“-”分别表示两个信号输入端,“V+” 为正电源端、“V-”为负电源端,“Vo”为信号输出端。在两个信号输入端中, 反相输入端为Vi-（-）,表示该输入端的信号电位与运放输出端Vo的信号相反; 同相输入端为Vi+（+）,表示该输入端的信号相位与运放输出端Vo的信号相同。LM324的引脚排列见图3.5。通过一个lm324里面的两组或者两个lm324中的一组，进行连接和放大。

图3.4 放大器符号 图3.5 引脚排列图

3.3.2 LM324组成的放大电路

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图3.6 放大电路

传感器上电源附近的0.1μF的电容起滤波作用，前置电路是一个高通滤波器，这里C1起到在交流信号中短路，同时又起到滤波的作用。在前置电路中有个点位的抬高，抬高2.5V。反应物体移动的低频信号先经过一个RC滤波电路，然后进入LM324A、B及周围元件组成的放大电路，如图3.6所示。最后通过一个由LM393组成的比较电路输出到单片机进行处理。

滤波后的信号进入由U1A及周围元件组成的第一级放大电路，将200mv的电压放

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大到2.6v左右，其增益为A1A≈R4/R8=100k/10k=10。然后在进行滤波进入由U1B及周围的元件组成的第二级放大电路，其增益为A1B≈R5/R3=100k/8.2k=12.195。最后两级放大电路的增益为：A=A1A*A1B=10*12.195=120.195，即41.59db。在将放大后的信号通过一个由LM324组成的比较器（由于LM393不能进行仿真所以用LM324代替），如图3.7所示。选择参考电压为3.5v,高于3.5v的就是高电平，低于3.5v的就是低电平，最后将比较后的脉冲信号输入到单片机进行处理。

3.4 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（如逻辑运算、算术运算、中断处理、数据传送）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，脉宽调制电路(PWM)，显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），串行通信口（SCI），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小并且很完善的小型计算机系统。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，在单片机的发展方向上最具代表性，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着网络技术、移动通讯技术、娱乐多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机的应用得到了更加深入的发展[20]。

单片机有微处理器所不具备的功能，它可以相对独立地处理和完成现代工业中控制所要求的智能化功能，这也是单片机的最大特点。然而单片机不同于单板机的主要区别在于，芯片在没有开发和处理之前，它是具备控制功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便能构成一个最小的、完整的微机控制系统。并且同时与个人电脑也有着本质的区别，单片机是属于芯片级的开发应用，这也就需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统、程序设计语言以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的基本理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备智能控制功能。

STC89C52是一种高性能、低功耗的8位CMOS微控制器，具有 8K Flash 存

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储器。在单芯片上拥有灵巧的8 位CPU 和在系统上拥有可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供的解决方案更加灵活和有效。基本功能以下：8k字节的可编程Flash，512字节RAM，32 位输入输出I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，2个16位计数器/定时器，一个6向量2级中断结构以及全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持软件可选择节电模式。在空闲模式下，CPU 停止工作后，允许RAM、定时器/计数器、中断、串口继续工作。在掉电保护模式下，会自动保存RAM内容被，自动冻结振荡器，单片机一切工作也会停止，一直到下一个中断程序或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选STC89C52具有以下基本功能：他是增强型8051 单片机，有6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，其指令代码完全兼容传统8051。工作电压为5.5V～3.3V（5V 单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）。工作频率的变化范围为0～40MHz，与普通的8051 相比，其频率相当于0～80MHz，并且实际工作频率可达48MHz。8K字节应用程序空间供用户选择。片上集成512 字节的RAM。通用I/O 口（32个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是弱上拉口/准双向口，P0口是漏极开路输出，在作为总用作线扩展时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口使用时，需加上拉电阻。IAP（在应用可编程）/ISP（在系统可编程），不需要专用仿真器，不需要专用编程器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户所编写的程序，在极短的时间内即可完成。具有EEPROM 功能，具有看门狗功能。3个16 位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2。4 路外部中断，低电平触发或下降沿中断电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。通用异步串行口（UART），当然也可用定时器通过软件实现多个UART。工作温度范围为-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

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（I\\O）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：单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。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

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组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。 第 21 页 共 38 页

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。单片机的功能图如下图3.7：

图3.7单片机结构图

3.5 LM393组成的比较电路

LM393是由两个相对独立的、高精度的电压比较器组成的集成电路，失调电压较低，最大失调电压为2.0毫伏。它专为获得单电源供电、宽电压范围而设计，也可以以双电源供电；而且电源消耗的电流无论电源电压大小都很低。它还有其他的特性：即使是单电源供电的情况下，比较器的共模输入电压范围也是接近于地电平。其内部结构图如下图3.8：

图3.8 LM393的内部结构图

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在本系统中选用B组得运放电路，将比较电压接到负端设定为3.5V，3.5V的设定是由一个正电源和一个滑动变阻器构成。再将第二级放大电路的输出接到正端，然后经过输出端口输出到单片机进行处理。具体连接图如下图3.9：

图3.9 比较器具体连接图

3.6显示部分

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，此电路采用的是四位七段数码管与单片机P1相连，数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP分别与单片机的P1.0-P1.7相连，第二位小数点长亮，用来显示速度。7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管。

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图3.10 数码管引脚图

发光二极管（LED）,如图3.10。是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为5～10mA；正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V不等。7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。（1）静态显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；不足之处是位数较多时，所需I/O口太多，硬件占用太大，因此常采用另外一种显示方式：动态扫描显示。（2）动态显示：所谓动态显示就是按位依次扫描点亮各位显示器，对于显示器的每一位数码管而言，每间隔一段时间就会被点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器被点亮，但利用熄灭时发光二极管的余辉效应以及人眼的本身所具有的视觉暂留效应，看到的却是不同的字符同时显示。显示器亮度与点亮时的通过的电流有关，也与点亮时间得时间间隔比例有关。调整导通电流和时间间隔，可实现亮度相对较高、较稳定的显示。假设显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8

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位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。动态显示器可以节省硬件资源，成本较低，但在系统的控制运行过程中，要保证显示器能正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。

3.7本章小结

本章对雷达测速系统的硬件电路进行了设计，根据本课题的综合考虑，选择使用89C52系列单片机作为核心元件，用于处理信号和显示数据。系统包括了HB100模块的使用、波的发送和接受、LM324对正弦波的放大和滤波处理、LM393比较电路，单片机控制以及数码管显示等几部分。其中雷达测得的微弱信号经过放大电路进行放大和比较在连接到单片机进行处理。有了雷达测速的硬件电路，为后续单片机控制软件编程打下基础。

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4 雷达测速系统的软件设计

4.1 软件设计的整体方案

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该系统的软件的设计主要包括五个模块：显示模块、定时器模块、中断模块、延时模块主程序。显示模块主要就是写一段四位的动态扫描代码；定时器模块主要是用来计数；中断模块主要是用来等待下降沿触发然后使定时器开始计数，等到下一个下降沿到来时停止计数；延时模块主要是用来对于动态显示进行延时，使动态显示的数据看起来比较清晰；主程序除了一般的定义以外，主要就是根据前面返回的数据计算出速度。具体流程图如图4.1所示。

开始 外部中断INT0停止计数 初始化 定时器0停止工作 是否有下降沿 Y 启动外部中断INT0 N返回脉冲个数 计算速度 显示 启动定时器T0 结束是否有下降沿 Y N

图4.1 软件设计主流程图

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由于系统是用C语言开发的，开发周期短，程序的可读性明显增强，便于扩充和改进。使用C语言进行8052系列单片机系统开发，编程者无需将大量的精力花在内存分配等底层工作上，可以专注于应用软件部分的设计，从而大大加快了系统开发的速度。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 μVision4。另外，系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。本次设计的雷达测速系统是多普勒测速，对单片机进行初始化之后，等待下降沿触发，只要等到放大器输出的方波脉冲的下降沿到来，就打开定时器T0开始计数，另外由于模块是连续波工作方式所以现在只判断是否有下降沿到来，这样做的好处是，无论外部速度变化的快慢，程序只受一个变量的影响，在获得脉冲个数后，将此个数换算就可得到频率，然后传输到计算公式进行计算，就可测得结果，最后通过数码管显示出来。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。要说明的是：定时器T0之所以是65 ms溢出是因为它是16位定时／计数器(65 535)。在使用12MHz的晶振时，由于周期T=1/f=1／[(123106)／12]=1μs，则一个机器周期是1μs，计数器每65 ms计数器溢出。主程序框图，如图4.1.定时中断服务子程序以及外部中断子程序如图4.2和图4.3所示：

外部中断入口启动定时中断启动外部中断计数完整小脉冲个数读取所计的数值返回返回主程序计算是否有下降沿NY停止

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4.2关键程序

系统的关键程序就是中断和定时部分，程序如下： void int0(void) interrupt 0 using 1 {

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图4.2 定时器服务程序 图4.3 外部中断程序

num1=TH0*256+TL0+num*65536;//用小脉冲的个数推出大脉冲的个数 TH0 = 0; TL0 = 0;

num = 0; }

void time0() interrupt 1 using 2 { }

本段代码的主要意思就是等待下降沿触发，然后计数，等到下一个下降沿到来时就停止计数，并将上次所计的数返回到主程序。INT0中断模块主要就是用于等待下降沿，定时器T0主要是用于进行计数。

num++;//完整小脉冲的个数 TH0 = 0; TL0 = 0;

4.3本章小结

本章对微波雷达测速系统基于硬件电路的软件程序进行了设计，首先对系统软件进行了整体设计，并且按照模块化进行设计，比如用到的两个中断，它们所起到的功能就是计数，然后将所计的数转换成频率，带入到主程序的公式就可以得到结果，然后显示出来。同时画出了整体的流程图，可以对整个系统的工作情况一目了然，也有益于程序算法的编写。其次从系统的算法入手，按照测速步骤对雷达测速系统软件编程进行了详细的介绍，画出了系统的关键程序的主要流程图，到目前该测速系统已初步完成。

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5系统的相关性能测试

5.1测试的相关要求

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我们要想做成产品必须要做到以下基本要求，可以根据《中华人民共和国国家计量检定规程 JJG 528-2004》的相关现行规定。 5.1.1 微波发射频率的最大允许误差

X 波段：（F±25）MHz；F为测速仪微波发射频率标称值，MHz。 5.1.2 测速的最大允许误差

静态测速仪：±1㎞/h；

动态测速仪：±1㎞/h(自身测速)；±2㎞/h（目标测速）。 5.1.3 测速仪正常工作环境条件

温度：（-20-60）℃； 湿度：（5-90）%RH（50℃）； 5.1.4 测速仪环境适应实验

包括：湿度试验，温度试验，振动试验，冲击试验。

5.2测试

5.2.1 仿真结果

1.雷达测速系统的整体仿真图如下图5.1所示

图5.1整体系统仿真图

2.放大滤波电路仿真图如下图5.2所示

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图5.2放大滤波仿真图

黄色线代表微波模块的输出只有几十毫伏；蓝色代表第一级放大电路的输出达到2.67毫伏；绿色代表第二级放大电路的输出达到4.35毫伏。

3.比较器的输出波形如下图5.3所示

图5.3.比较器的输出波形

蓝色就是输出波形，最高电压为4.35毫伏达到高电平的要求，最低电压低于1

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伏达到低电平的要求。

4.动态显示的仿真图如下图5.4所示

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图5.4动态显示的仿真图

5.2.2测试数据

现在选择1米以内，速度选取5㎞/h、10㎞/h、15km/h、20km/h四个范围进行测量。测得如下三组数据：

1.选择1米范围内，如表5.1

表5.1 1米范围以内 第一组 第二组 第三组 标准速度 5㎞/h 10㎞/h 20㎞/h 测得速度 4.98㎞/h 9.96㎞/h 19.91㎞/h 表5.2 1米范围以内

误差 0.02 0.04 0.09 2.选择1米范围内，如表5.2 第一组 第二组 第三组

标准速度 10㎞/h 15㎞/h 25㎞/h 测得速度 9.93㎞/h 14.90㎞/h 24.89㎞/h 误差 0.07 0.10 0.11 3.选择0.5米范围内，如表5.3

表5.3 0.5米范围以内

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第一组 第二组 第三组 标准速度 10㎞/h 15㎞/h 25㎞/h 测得速度 9.96㎞/h 14.93㎞/h 24.91㎞/h 第 31 页 共 38 页 误差 0.04 0.07 0.09

通过测得数据可得：被测物速度越快，测得的误差越大；被测物距离越远，测得的误差越大。 5.2.3结果与分析展望

通过测得的结果可知，如果想要做成产品，需要进一步扩大与被测物的距离，以及提高测速的范围。首先我们得改变放大电路，采用更高放大倍数的放大电路，或者选用其他放大倍数较高的放大电路，能够进一步提高放大功率。其次关于提高测速的范围，根据前面的介绍我们可以了解，由于单片机的执行时间比较慢，所以可以改用DSP或者FPGA进行设计，采用更加快速的芯片，可以提高反应时间，增加测速的范围。这样就可以进一步提高测速的范围与距离。

5.3本章小结

本章对雷达测速系统可能存在的误差进行了系统性的分析，当然有些误差是可以通过一些措施进行减小，但这些误差在测速过程中必然存在无法避免。了解这些测量误差的存在，对于将来搭建电路后进行调试时出现的一些误差可以进行处理，从而减少调试难度。再者对于系统进行误差分析是为以后的系统开发养成良好的习惯，无论任何系统必须要包括对误差的来源分析，只有这样搭建的系统才是完整的系统。

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结 论

本次毕业设计的主要研究内容和所做工作如下：

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1 通过阅读大量有关雷达测速的文献资料，深入理解基于单片机的雷达测速系统的工

作原理,掌握目前常用雷达测速的实现方法及其最新发展动向。

2 对基于单片机的雷达测速系统的各个组成部分进行细化理解和设计，主要包括微波

雷达的信号经处理、整形放大以及单片机控制的原理及实现方法。 3 设计基于单片机的雷达测速系统系统软件编程,并利用keil4进行程序调试。 4 设计在理论上达到了预期的多普勒测速的要求。

由于水平有限，时间仓促，研究过程中尚有一些地方需要进一步改进和解决。具体如下：

1、 单片机的数据处理速度不能满足现有的需要，可以用FPGA或者DSP进行处理。

现在目前能测到的最高速度在84㎞/h左右，因为单片机的最小指令周期为1M即1us。而DSP的最小指令周期的时间为20ns以下，并且DSP它是处理数字信号的期间，他可以将接受的模拟信号自动转换为所需的数字信号进行处理，提高精度，节约成本，可靠性变高。

2、关于放大电路的应用，首先是关于op07运放的使用，要注意的是需要加负电源，在没有负电源的情况下，可以通过max232电路产生。关于lm386放大电路，它只能放大直流电压，如果要处理交流信号，可以先将电位抬高，举例：现在要求处理的是5v电压，可以一级运放先放大到2.5v,在二级运放的时候将2.5v的电位降低就好。关于放大交流信号，可以用两级lm324组成。

3、 微波模块的输出能量很小，属于高频小信号部分，普通的示波器不好监测波形， 可以使用逻辑分析仪。对于此小信号的放大电路的选择比较复杂。

4、 在实际应用中会遇到各种各样的误差，根据模块的资料，天线的方向误差在6°-12°之间，在程序中怎样矫正这些误差。

5、 关于放大电路，要注意理论上我平时遇到的都是零电平的比较电路，关于直流电平的比较电路要注意这种类型电路的画法。

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致 谢

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在论文完成之际，感谢在我最需要帮助的时候给与我关怀和鼓励的导师、同学、亲人和朋友们。

从论文题目的确定、按照企业项目的要求进行分析，资料的搜集，方案的确定，软件的方针和模拟，到初稿的修改再到论文的最后定稿，每一阶段都倾注着导师大量的心血和汗水。尤其在放大电路部分，我遇到了不少难题，老师都细心地加以指导，在保证自主性的情况下解决问题。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识和丰富的项目实践经验，也学到了严谨的治学态度和朴实的工作作风，不管多难，我们都要保持信心和乐观的态度。在此向我的导师张景彬老师、杨晓伟老师表示最真挚的谢意和深深的敬意，感谢导师这一个月来对我的培养、指导、支持和无私的帮助。在此还要感谢中科泛联的各位领导和工程师对我大力支持、鼓励和帮助，以及团队的其他成员：颜丙升，孙政，宋长明，石翔。在我最困难的时候给我鼓励和帮助，让我的毕业设计课题顺利完成。这些都将成为我人生的宝贵财富，激励我在今后踏踏实实地工作、不断努力的学习、拼搏奋进，将使我终身受益。同时还要感谢在学习期间给过我帮助的同学，给了我很多有益的启迪和美好回忆。

最后，向审阅论文的老师致以深深的谢意和崇高的敬意，感谢各位老师在百忙之中对论文进行认真的审阅.

本科毕业设计说明书（论文）

参 考 文 献

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[1]杨卓静,孙宏志,任晨虹.无线传感器网络应用技术综述[J],中国科技信息,2010，07，01:1-3.

[2]戴永江.激光雷达技术[M].电子工业出版社,2011-11-1.16-55.

[3]路斌.多普勒测速系统及收发干扰问题分析[J].科协论坛.湖北.2011年第4期（下）.99-100.

[4]刘丽华.多普勒雷达测速系统研究[J].华中科技大学.2007-03-01.

[5]李之果,张宇波,任军霞.基于DSP的交通雷达测速仪设计[J].电子技术应用.2009,04,06:4-6.

[6]张大彪,王艳菊.微波测速、测距系统的设计[J].仪表技术与传感器.2004,04,25:18-20.

[7]陈亮.数字便携式雷达测速仪[J].大连理工大学测试计算技术及仪器，2003,03,10:23-25. [8]王陕平.智能化微波速度测定仪的设计[J].传感器技术.1994,08,30:9-13.

[9]唐伟,孙志芳,陈全.基于DSP的车载雷达测速系统设计[J].自动化技术与应用.2006(07):23-25.

[10]王鑫.X波段多普勒测速接收机关键技术研究[C].南京理工大

学.2007,06,01:9-12.

[11]李道京,赵雷,肖秋,吕杨. 雷达信号的采集与分析[J].国外电子测量技

术.1999(02):33-35.

[12]百度百科. http://baike.http://www.wodefanwen.com//view/1805.htm.

[13]谢处方,饶克谨编；赵家升,袁敬阂修订.电磁场与电磁波(第三版)[M].北京:

高等教育出版社，1999.11-125 [14]林宝玺，胡志英.多普勒雷达[M].北京:国防工业出版社,1982.11-25 . [15]陈国强，邓明长.基于多普勒效应的超声波安防系统.韶关学院学报2自然科学[J],

第29卷第六期 2008-06.

[16]毛士艺.脉冲多普勒雷达[M],北京.国防工业出版社，1990.02.20-52

[17]高烽.多普勒雷达导引头信号处理技术出版发行[M].北京:国防工业出版社，2001. 5-42

[18]贾兴泉.连续波雷达数据处理.北京:国防工业出版社[M]，2005.90-169 [19]HB100 Miniature Microwave Motion Sensor[N].Agilent .2012.

[20]周婧.基于单片机的油封自动生产装置控制系统的研制[J].河北工业大

学.2010.15-32.

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附录程序代码

#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uint num; sbit blue=P3^3; sbit red=P3^4; sbit green=P3^5; sbit speaker=P2^0; uint num1,n,m; double Fd,v,Ft=10.525; uchar code table1[]={

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0X02,0X9e,0X24,0X0c,0X98, 0X48,0X40,0X1e,0X00,0X08

}; //共阴数码管0~9，小数点长亮。

void delayms(uint z) //延时毫秒函数 { }

bijiao(uint c)

uint x,y; for(x=z;x>0;x--)

for(y=50;y>0;y--);

{

if(c>=1&c<=9)

{

if(c>0&c<=6) {

blue=1;

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}

void int0(void) interrupt 0 using 1 {

green=0; } else { red=1; } } else { }

green=1; red=0; blue=0; speaker=0; blue=0; green=0; red=0; speaker=0;

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num1=TH0*256+TL0+num*65536; //用小脉冲的个数推出大脉冲的个数 TH0 = 0; TL0 = 0;

num = 0; }

void time0() interrupt 1 using 2 {

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}

void display(uint date){ //四位数码管显示函数

num++;//计数完整小脉冲的个数

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uint a,b,c,d; a=date/1000; P2=0x71; P0=table[a]; delayms(5); bijiao(a); b=date00/100; P2=0xe1; P0=table1[b]; delayms(5); c=date0/10; P2=0xd1; P0=table[c]; delayms(5); d=date; P2=0xb1; P0=table[d]; delayms(5); }

void main()//主函数 {

TMOD=0x01;

TH0=0;

TL0=0;

//中断初始化

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IT0=1;

EA=1; EX0=1; ET0=1; TR0=1; green=0; red=0; speaker=0;

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while(1)

{

Fd=num1;

v=(Fd*0.3)/(2*Ft);//计算公式 display(v);//显示子函数

}

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