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实验题目：超声波探测与超声波雷达系统设计

课程简要信息

课程名称：电子设计基础训练

课程学时：56

项目学时：8

适用专业：电子信息类

学生年级：大一第二学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

掌握超声波测距的基本原理和Arduino平台的使用方法，使用超声波传感器和Arduino控制器设计和搭建超声波测距硬件系统，编写Arduino程序，实现超声波的发射、接收和距离计算，观察不同距离下的超声波测距结果，分析误差来源及减小误差的方法；
掌握超声波传感器的电路原理和系统工作过程，使用超声波换能器、放大器、Arduino单片机和阻容等器件自制超声波测距系统，编写Arduino程序，实现超声波的发射、接收和距离计算，观察不同距离下的超声波测距结果，分析系统性能，并以用户角度提升系统使用。
掌握超声波雷达基本原理，使用超声波模块、舵机和Arduino构建机械扫描超声波雷达系统硬件，编写Arduino程序，驱动舵机模块转动不同角度方向，控制超声波传感器的发射与接收，并处理接收到的距离数据，在上位机显示超声波雷达探测结果，观察不同距离和角度下的超声波雷达测量效果，分析误差原因，并提出优化方案；
使用多个超声波换能器，驱动电路和Arduino控制器，设计并搭建超声波相控阵雷达硬件平台，编写控制程序，实现波束的扫描和指向控制，观察和分析不同波束指向下的目标探测效果，探究波束形成原理及其影响因素。

实验过程及要求（限300字）

本实验过程是一个完整的工程实践和科研探索相结合的项目，从超声波传感器、Arduino的硬件搭建调试、传感器数据补偿滤波、雷达探测数据显示到超声波相控阵雷达实现，需要经历学习研究、软硬件实践、方案论证设计、系统联调联试等过程。应在以下几个环节加强对学生的引导：

1）预习自学：给定参考资料并鼓励学生自查资料学习Arduino、超声波传感器、数据采集滤波、声速温湿度补偿、相控阵等相关知识；提前安装Arduino开发软件、MATLAB。

2）实验基础原理的讲解：学习超声波传感器原理，Arduino控制超声波模块方法，相位控制数学模型和实现机理；介绍系统设计、模块开发、实际场景联调联试过程。

3）实验软件的使用：现场指导学生学习使用Arduino IDE软件获取传感器数据，通过上位机显示数据，引导学生利用MATLAB进行数据分析。

4）超声波测距系统测试：将自制的超声波测距系统放到测试验证平台上，验证各功能模块是否工作正常，整个系统的工作流程能否满足要求。

5）超声波雷达测试：将集成好的超声波雷达系统放到测试验证平台上，验证各功能模块是否工作正常，整个系统的工作流程能否满足要求。

6）超声波相控阵雷达测试：将调试好的超声波相控阵雷达放到测试验证平台上，实现实时场景探测，绘制超声波波束方向图。

实验环境条件

实验需要Arduino控制器、超声波传感器模块、舵机、超声波换能器、MAX3232、TL074、杜邦线、面包板等元器件，以及电脑和Arduino IDE软件。

教学目标与目的（限150字）

通过基础超声波测距实验，学生应学习并掌握超声波测距的基本原理和Arduino平台的使用方法，提升电路搭建、电路调试、程序编写和数据分析等实践技能。同时，培养学生的问题解决能力和深入思考意识。

通过超声波雷达系统实验，学生应学习并掌握超声波雷达探测的基本原理和Arduino编程技能，提升实践能力和问题分析能力。同时，引导学生了解现代测量方法和传感器技术，培养其根据工程需求选择合适的技术方案的能力。

通过超声波相控阵雷达实验，学生应学习并掌握超声波传感器原理、相控阵雷达技术的基本原理与应用，提升电路设计与搭建、控制程序编写、数据分析等实践技能。同时，培养学生在工程项目实现过程中的问题解决能力、团队协作精神和创新意识。

教学设计与实施进程

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

学习超声波测距原理和Arduino平台基础，随后进行方法引导和背景解释。进行硬件搭建和程序编写，设置问题引导学生思考讨论。
准备实验所需的器材，包括超声波模块、Arduino单片机板、电源、舵机、数据线、计算机等。确保所有器材完好且功能正常，以便顺利进行实验。。
搭建实验平台，将超声波模块和Arduino连接，Arduino与计算机连接，开发相应的超声波模块控制程序，获取超声波测距数据，确保数据传输畅通。在此过程中，需要引导学生注意器材的连接方式和接口匹配问题。。
超声波测距实验，首先设置测距模块的工作参数，测量电路参数，如发射信号电平、接收信号波形等。然后，在不同距离上放置障碍物，观察并记录测距模块的输出数据。通过分析数据，学生可以了解超声波测距的精度和误差来源。
超声波雷达实验，设置雷达的工作参数，如扫描速度等。然后，让雷达扫描不同方向上的障碍物，观察并记录雷达的输出数据。通过分析数据，学生可以了解雷达扫描测距的原理。
超声波相控阵雷达实验，通过Arduino程序控制相位变化，进而设置雷达波束宽度、扫描速度等参数。然后，让超声波波束指向不同方向上的障碍物，观察并记录雷达的输出数据。通过分析数据，学生可以了解相控阵波束指向的原理。
在实验完成后，可以组织学生以项目路演的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

超声波测距原理

图1 超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波停止计时（飞行时间法，TOF），根据接收器接到超声波时的时间差计算距离。

超声波模块使用

图2 超声波测距模块及其接口时序

超声波模块VCC和GND为供电端口，连接+5V电源。Trig为超声波模块的输入（对应为Arduino的输出引脚），用来触发超声波测距功能，需要一个至少10微秒的高电平信号来进行触发触发测距后，超声波模块自动发送8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回。

当有信号返回，超声波模块通过Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，根据公式s=vt，可以得到：距离(s) =高电平持续时间(T) × 声速(v) / 2。

Arduino编程超声波模块测距

Arduino在给超声波模块Trig管脚对应的数字IO口上产生一个10微秒的高电平后，等待Echo管脚对应的数字IO口上高电平的到来，并记录高电平持续时间。在Arduino平台中，pulseIn()函数检测引脚高低电平的脉冲宽度，其使用方法如下

pulseIn(pin, value, timeout) ; 参数pin：要读取脉冲宽度的引脚序号参数value：要读取宽度的脉冲的形式，HIGH/LOW参数timeout：超时时间，Arduino在超时时间timeout内没有读到脉冲信号，则该函数返回值为0。

返回值：脉冲持续时长，时间单位为微秒

在实际编程中，可直接利用pulseIn()函数返回值计算目标以厘米为单位的距离

图3 超声波测距程序要点

提升超声波测距精度

在空气中，声速的大小取决于空气的密度和弹性模量。而空气的密度和弹性模量则会受到温度、压力和湿度等因素的影响。随着温度的升高，空气分子的平均动能增加，分子之间的相互作用力减小，从而导致空气的密度降低，弹性模量也随之减小。这使得声速随着温度升高而增加。湿度对声速的影响主要是由于水蒸气分子的存在，它们会占据一部分空气分子的位置，导致空气密度降低，弹性模量降低，从而使声速升高。参考文献“声速的温湿度修正研究”，需要通过温湿度修正声速。

图4 声速温湿度补偿表

在Arduino中使用pulseIn()函数测量超声波模块输出的时间长度，即超声波飞行双程时间。在任何物理量的测量中，测量数据都会被噪声污染，造成测量不准确，形成测量误差。噪声是不可预测的随机信号，通常采用概率统计方法对其进行分析。噪声来源于外部或内部，有串馈干扰噪声，电流热噪声，振动噪声，元器件噪声等等。噪声在信号采集和测量输入阶段对数据质量有严重的影响，进一步影响后续的处理环节，因此需要进行噪声抑制，也称为滤波。

常用滤波方法分为均值滤波和中值滤波。均值滤波也称平均数滤波，计算输入测量数据的平均值作为滤波输出，可更有效降低随机噪声影响。中值滤波也称中位数滤波，计算输入测量数据的中位数作为滤波输出，可更有效降低脉冲噪声影响。计算时取当前测量点的前一段数据作为输入数据，数据个数取5，7，9等值，个数越多滤波效果越好，但当真实物理量变化时反应越慢，同时需要缓存的数值也越多。

超声波雷达原理

超声波雷达结合了超声波的测距原理与舵机的控制原理，从而实现对周围环境的全方位扫描和探测。超声波模块负责发射和接收超声波信号。当超声波模块发射超声波时，这些声波会在空气中传播，并在遇到障碍物后反射回来。超声波模块的接收器会捕获这些反射回来的信号，并测量发射与接收之间的时间差。根据声波的传播速度和时间差，可以计算出目标与超声波模块之间的距离。

而舵机则负责控制超声波模块的扫描方向。舵机通过接收控制信号，可以精确地转动到指定的角度。将超声波模块安装在舵机的输出轴上，通过控制舵机的转动，就可以改变超声波模块的朝向，从而实现对不同方向的扫描。在探测过程中，控制系统会按照一定的角度间隔控制舵机转动，使超声波模块依次扫描周围的环境。在每个扫描角度上，超声波模块都会发射超声波并接收反射信号，从而测量出该方向上障碍物的距离。

图5 超声波雷达系统结构

超声波模块电路

为了能发射接收超声波，在之前的实验中使用HC-SR04这一超声波模块，其核心为超声波换能器，可将电信号和声信号进行相互转换。在超声换能器中，最为应用广泛的实现是基于压电效应制作，其内部就是由压电陶瓷片和谐振器构成。压电陶瓷片可以将电信号转化为振动，而谐振器使振动稳定在一个固定的频率上。有了换能器之后，还需要辅助电路才能实现超声波的可靠收发，在超声波模块的背面就是集成了这样一套电路。首先是驱动电路，用于把发射电信号电平提升、功率增强来驱动换能器产生高功率超声波，这里使用了电平驱动芯片MAX232，使用两组发射端口来使换能器两端产生高达20V的电压差。而在接收部分需要搭建一套放大电路来将换能器接收的微弱回波信号放大到可检测的程度，这里使用了一个四运放芯片构成了一个三级放大和一级比较的接收检测电路。模块中还集成了一片单片机芯片，控制超声波的发射和接收，使外部仅需简单的控制即可实现超声波的测距。

图6 超声波模块电路原理图

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

实验需求分析：明确实验目的、实验内容以及实验效果
实现方案论证：结合实验原理，分析不同实验方案的效果
系统设计：超声波雷达的工作原理和过程，相位控制系统工作流程和距离角度测定方法；
数据处理分析：根据测试的实验结果进行分析与评价，说明实验结果是否符合设计目的；
实验结果总结：结合电子设计的知识点和实际测试结果，总结实验，进一步加深对系统设计的理解，锻炼独立思考的能力。

考核要求与方法（限300字）

过程考核：三个实验节点效果检查，对存在问题进行分析并列出下一步计划；
实验结果检查：实验操作规范，实验结果准确合理，进行结果展示能阐述结果产生的原因；
现场提问：对照学生的实验结果，对实验现象、实验过程理等环节进行提问，学生须现场验证或回答，要求能从实验现象出发探寻其中的实验原理；
实验数据：对测试采集的数据是否进行分析并依此改进实验方案；
实验报告：实验报告是否具有规范性与完整性，实验原理的理解是否透彻，是否能根据实验现象独立思考做出总结，是否能正确回答实验思考题。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本实验是一个层次递进的综合性项目，从对超声波雷达的认知使用到再造升级，秉持“会用轮子-会造轮子-会造汽车-会造新汽车”理念，通过设置具有系列任务需求，培养学生综合应用所学到的数理知识和电子设计技术，完成一整套电子信息系统的设计、开发、调试、测试和升级，环环相扣提升学生能力和素质。

图7 超声波测距系统

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图8 自制超声波测距系统

图9超声波雷达系统

图10相控阵超声波雷达系统

超声波探测与超声波雷达系统设计