基于单片机的无线测速仪

南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作者:学号：系：电子工程与光电技术系专业: 电子信息工程题目: 基于MCS-51单片机的无线测速仪的设计与制作指导者：(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MCS-51单片机的无线测速仪的设计与制作综合成绩：毕业设计（论文）评语毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页目次1 引言 (1)1.1 课题背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)2 雷达 (2)2.1 雷达的基本组成 (2)2.2 雷达的任务 (3)2.3 雷达测速原理 (3)2.4 雷达测速的特点 (4)3 单片机简述 (5)3.1 单片机的基本概念 (5)3.2 芯片AT89C52介绍 (6)3.3 定时器/计数器组成及工作原理 (9)3.4 中断概述 (11)4 LCD液晶显示器 (11)4.1 LCD液晶显示器分类 (12)4.2 1602字符式LCD的基础知识 (12)5 设计方案 (16)5.1 方案一使用测频和测周法 (16)5.2 方案二使用测周法 (18)5.3 方案分析 (20)5.4 误差分析计算 (24)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录1 (29)附录2 (36)1 引言随着雷达技术的快速发展，雷达广泛应用于飞机、导弹、人造卫星、各种舰艇、车辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等等，都可能作为雷达的探测目标，这要根据雷达的用途而定[1，2]。

1.1 课题背景和意义随着我国在经济方面的高速发展，人民生活的不断提高，道路上各式各样的车辆数目也在快速上升，这就使得交通违章不断增加，给道路交通和人民的生活带来了极大的威胁。

由于汽车工业的不断进步,行驶在道路上的车辆速度越来越快,交通事故发生的频率也不断增加。

众所周知，交通事故的发生大部分是由驾驶员的超速驾驶造成的。

为提高汽车运行的安全性，减少交通事故的发生以及快速检测车辆行驶中的速度，所以有了测速仪的问世。

随着科技的进步，由雷达传感器制作的测速仪已经广泛应用于车辆测速的行业中，实现对车辆速度准确，快速的测量。

该测速仪结构简单，可靠性高，操作方便，可广泛应用于摩托车、汽车等机动车辆的速度测量中。

测速仪的发展动向是把测速仪的准确性，稳定性和可靠性作为重要的质量指标。

1.2 国内外研究现状我国测速仪的应用和研究起源于八十年代，伴随着我国经济发展，由最初的简单雷达测速仪发展到现在的超声波，激光等多种测速仪，同时在误差补偿，超速报警，便捷等多个方面的研究和发展取得了长足的进步，由以前的单一，简单，笨重的测速仪演变为如今的多样，复杂，小巧，为我国的交通做出了巨大贡献，同时涌现了广州科能，西安光伟等一大批骨干测速仪制造企业，基本上形成了中国测速仪目前的发展格局。

雷达测速仪是根据接收到反射波频移量的计算而得出物体的运动速度，雷达测速易于捕捉目标，无须精确瞄准，可以采用手持的方式，在车辆的运动中进行测速。

在中国的雷达测速仪发展中，雷达测速仪越来越向着高精度，高智能，高便捷的方向快速发展。

面对风起云涌的国内外市场及日新月异的中国经济，我国测速仪的发展和应用依然存在着非常严峻的问题。

在2010年的国家测速仪调查报告中，我们可以看到我国的测速仪采用国外进口的测速仪占很大的比例，其中居多来自美国，日本。

主要是因为我国的测速仪在质量，测量误差，报警设计方面离国外的测速仪还有一定的差距，但在近年的研究中，我国的测速仪发展还是取得了好大的进步。

2 雷达利用电磁波探测目标的电子设备。

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（径向速度）、方位、高度等信息[3]。

2.1 雷达的基本组成雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。

如图2.1所示。

图2.1 雷达基本组成框图2.1.1 雷达基本组成的作用雷达天线是收发共用的，这需要高速开关装置，在接收时，天线与接收机接通，并与发射机断开，以免微弱的接收功率因发射机的影响而减弱。

反之，天线与发射机接通，并与接收机断开，以免很大的反射功率进入接收机把接收机高放的混频部分烧毁[4,5]。

接收机多为超外差式，由高频放大、混频、中频放大、检波、视频放大等电路组成[5]。

它的主要作用就是将接收到的微弱的回波信号进行放大以便进行信号处理。

信号处理的目的是滤掉不需要的信号（一般是杂波）及干扰而增大由目标产生的回波信号。

2.2 雷达的任务雷达为利用无线电回波以探测目标方向和距离的一种装置。

雷达是英文Radar 的音译，源于Radio Detection and Ranging 的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置[1,6]。

因此雷达也称为“无线电定位”。

随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息[1，6，7]。

雷达广泛应用于飞机、导弹、人造卫星、各种舰艇、车辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等等，都可能作为雷达的探测目标，这要根据雷达的用途而定[1，7]。

2.3 雷达测速原理雷达是利用目标对电磁波的反射（或称为二次散射）现象来发现目标并测定其位置的[1]。

本论文中测量差频d f 就是利用雷达发射一个连续的信号0cos2f t π，当发射的信号接触到目标，目标车辆就将对电磁波产生一个反射，反射回来的信号会发生变化，此时雷达接收到的频率变为0cos[2()]d r f f t πϕ±+。

通过相位检波器可得到多普勒信号0cos(2)d f t πϕ+，即多普勒频率为d f 。

如果目标车辆与雷达之间的距离减小，那么多普勒频率就为正值，即接收到的信号频率大于发射信号的频率。

如果目标车辆与雷达之间的距离增大，那么多普勒频率就为负值，即接收到的信号频率小于发射信号的频率。

根据多普勒原理，即多普勒频率d f 与运动的车辆的相对速度r v 成正比，与发射信号的工作波长0λ成反比，即02rd v f λ=。

由于0λ是已知的，根据d f 就可求出经向速度。

如图2.2画出了连续波多普勒雷达的原理性框图。

图2.2 连续波多普勒雷达原理性组成方框图2.4 雷达测速的特点雷达测速的原理是应用多谱勒效应，即移动物体对所接收的电磁波有频移的效应，雷达测速仪是根据接收到的反射波频移量的计算而得出被测物体的运动速度[8]。

因此，具有以下特点：1)雷达波束较激光光束（射线）的照射面大，因此雷达测速易于捕捉目标，无须精确瞄准[8,9,10]。

2)雷达测速设备可安装在巡逻车上，在运动中的实现检测车速，是“流动电子警察”非常重要的组成部分[9，10]。

3)雷达发射的电磁波波束有一定的张角，故有效测速距离相对于激光测速较近，最远测速距离为800m（针对大车）[9，10，11]。

4)雷达测速仪因技术成熟，价格适中。

因此，广受欢迎[11]。

5)雷达测速仪发射波束的张角是一个很重要的技术指标。

张角越大，测速准确率越易受影响；反之，则影响较小[11]。

f，接下来的任务就是由频率计本课题中雷达部分的功用就是为了得到一个差频d来完成，频率计是由单片机和显示模块来完成的，单片机部分主要就是为了接收所得到的频率，由于得到的信号一般都是正弦信号或余弦信号，所以要通过一个过零比较器（如图2.3（a）画出了过零比较器法求相位的电路；（b）画出了过零比较器整形过程）将正弦信号或余弦信号变为方波，再将此方波通过不同的端口和CPU处理其频率，也就是单片机通过设定的时间，对频率实现计数，再将其换算为频率，送入输出口P0端口，此端口与显示模块LCD相连，由此显示出车辆速度，在下节中将详细介绍这两个模块。

如图2.4画出了频率计的原理框图。

(a) 过零比较器法求相位的电路（b）过零比较器整形过程图2.3 过零比较器法图2.4 频率计原理框图3 单片机简述在上一节中介绍了雷达测速的原理，以及实现这一过程所需的器件其中最主要的一个模块就是单片机，因此在本节中将详细的介绍一下单片机的功用。

随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术的一个独特的分支；单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。

3.1 单片机的基本概念单片机的全称为单片微型计算机。

从应用领域看，单片机主要用于控制，所以又称为微型控制器或嵌入式控制器。

单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。

3.1.1 单片机发展简要历程1975年美国德克萨斯仪器公司发明了世界上第一个4位单片机TSM-1000[12]。

1976年Intel公司推出8位单片机MCS-48系列单片机。

1980年Intel公司推出8位单片机MCS-51系列单片机。

1982年Intel公司推出16位单片机MCS-96系列单片机。

今年来，ARM等公司推出了各种型号的32位单片机，并获得了迅速发展[12]。

例如，ST公司推出了基于ARM9内核的32位STR91x系列产品，该产品是包含以太网、CAN、USB 和DSP功能的Flash MCU[12]。

30多年来，单片机经历了4位、8位、16位、32位机的各个阶段。

64位走向市场也指日可待。

尽管32位MCU风头越来越劲，但8位单片机产品丝毫没有退隐江湖之意；相反，由于在市场中找到了广泛的发挥空间，8位单片机的需求还在持续增长。

3.1.2 我国单片机发展简况自1986年以来，我国单片机已走过20余年，经历了从单片机独立发展到嵌入式系统全面发展的时期。

其中，8位单片机仍占据国内单片机市场的主流地位。

3.2 芯片AT89C52介绍AT89C52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器。

3.2.1 芯片AT89C52的功能介绍AT89C52主要功能列举如下：1）拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；2）晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）；3）内部程序存储器（ROM）为 8KB[13]；4）内部数据存储器（RAM）为 256字节[13]；5）32 个可编程I/O 口线[13]；6）8 个中断向量源[13]；7）三个 16 位定时器/计数器[13]；8）三级加密程序存储器[13]；9）全双工UART串行通道[13]；AT89C52部分引脚功能介绍[13]，如图3.1所示。

VSS：电源地端[13]。

XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端[13，14]。

XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一个20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机[13，14]。