毕业设计（论文）-基于物联网智能交通-雷达测速系统.doc

南京理工大学紫金学院 毕业设计说明书(论文) 作作 者者: 学学 号：号： 系系：电子工程与光电技术系 专专 业业: 电子信息工程 题题 目目:基于物联网智能交通- 雷达测速系统设计 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 5 月 高级硬件研发工程师 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 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 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 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 i 页 共 i 页 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 .8 2 多普勒测速原理与应用 .8 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 16 3.4 单片机控制系统设计 18 3.5 lm393 组成的比较电路20 3.6 显示部分 21 3.7 本章小结 23 4 雷达测速系统的软件设计 24 4.1 软件设计的整体方案 24 4.2 关键程序 25 4.3 本章小结 26 5 系统的相关性能测试 27 5.1 测试的相关要求 27 5.2 测试 27 5.3 本章小结 30 结 论 .31 致 谢 .32 参 考 文 献 33 附录程序代码 .34 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 38 页 1 1 引言引言 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。 1.11.1 智能交通智能交通 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 38 页 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。 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。 1.21.2 雷达测速系统雷达测速系统 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 38 页 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。 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 38 页 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， 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 38 页 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、应使得测量精度下降4。 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 38 页 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 38 页 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。 1.31.3 雷达测速系统的应用现状与拓展应用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。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 38 页 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。 1.41.4 本文研究工作本文研究工作 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 38 页 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。 2 2 多普勒测速原理与应用多普勒测速原理与应用 2.12.1 多普勒效应多普勒效应 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约翰多普 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 38 页 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 ， 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）/，如果波源远离观察者时，观察到的波源频率为（ c-v）/。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。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 38 页 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 （2.1） f0 u vru f （2）当波源运动，观察着静止时 （2.2） 0f vsu u f （3）当两者同时运动时 （2.3） 0f vsu vru f 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。 2.22.2 多普勒测速原理多普勒测速原理 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: 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 38 页 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，电磁波的传播 速度为光速 c，物体运动的速度为，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） 式(2.6)说明:通过发射天线 1 发射频率为的电磁波，相对于天线以径向速度做 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 的频率差就称之为多普勒频率，用表示，则: (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成正比，只要能测出 就可以求出，这就是多普勒雷达测速的基本原理1718。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 38 页 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，m/s 8 103 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，就可以计算出被 测物体的运动速度。 2.32.3 测速雷达的整体设计方案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； 2.不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响。 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 38 页 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 单片机显示 图 2.3 信号处理链路图 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 2. .4 4 本本章章小小结结 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。 3 3 雷达测速的硬件设计雷达测速的硬件设计 3.13.1 雷达测速的硬件设计方案雷达测速的硬件设计方案 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 38 页 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 单片机显示 图 3.1 整体框图 3.23.2 hb100hb100 模块模块 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 图 3.2 原理及结构框图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 38 页 图 3.3 应用举例 模块主要参数如表 3.1： 表 3.1 模块主要参数: 参数注释最小值典型值最大值单位 中心频率 110.52010.52510.530ghz 辐射功率 1121520dbm 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 38 页 杂波抑制 1-7.3dbm 建立时间 36usec 接收信号强度 2200uvp-p 噪声输出 35uvrms 3db 天线方向图-方位 80 3db 天线方向图-俯仰 40 电源电压 4.755.005.25vdc 电源电流 3040ma 脉冲重复频率 42khz 脉冲宽度 410usec 操作温度 -1555 重量 8gm 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 10s。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。 3.33.3 放大电路放大电路 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 38 页 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 38 页 图 3.6 放大电路 传感器上电源附近的 0.1f 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 放大到 2.6v 左右，其增益为 a1ar4/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 a1br5/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。 3.43.4 单片机控制系统设计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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 38 页 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 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