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【雕爺學(xué)編程】Arduino動手做（115）---HB100多普勒雷達(dá)模塊

2023-06-18 13:29 作者:驢友花雕 0人讀過 | 我要投稿

37款傳感器與執(zhí)行器的提法，在網(wǎng)絡(luò)上廣泛流傳，其實Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止這37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和執(zhí)行器模塊，依照實踐出真知（一定要動手做）的理念，以學(xué)習(xí)和交流為目的，這里準(zhǔn)備逐一動手嘗試系列實驗，不管成功（程序走通）與否，都會記錄下來—小小的進(jìn)步或是搞不掂的問題，希望能夠拋磚引玉。

【Arduino】168種傳感器模塊系列實驗（資料代碼+仿真編程+圖形編程）

實驗一百一十五：HB100微波雷達(dá)感應(yīng)模塊 10.525GHz多普勒探測器探頭傳感器

多普勒（人物）

奧地利物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家多普勒，克里斯蒂安·安德烈亞斯(Doppler · Christian Andreas)1803年11月29日出生于奧地利的薩爾茨堡 (Salzburg)。1842年，他因文章 "On the Colored Light of Double Stars" 、“多普勒效應(yīng)”(Doppler Effect)，而聞名于世。1853年3月17日，多普勒與世長辭。

一天，多普勒帶著他的孩子沿著鐵路旁邊散步，一列火車從遠(yuǎn)處開來。多普勒注意到：火車在靠近他們時笛聲越來越刺耳，然而就在火車通過他們身旁的一剎那，笛聲聲調(diào)突然變低了。隨著火車的遠(yuǎn)去，笛聲響度逐漸變?nèi)?，直到消失。這個平常的現(xiàn)象吸引了多普勒的注意，他思考：為什么笛聲聲調(diào)會變化呢？他抓住問題，潛心研究多年。通過研究他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀察者與聲源相對靜止時，聲源的頻率不變；然而觀察者與聲源之間相對運(yùn)動時，則聽到的聲源頻率發(fā)生變化。最后他總結(jié)：觀察者與聲源的相對運(yùn)動決定了觀察者所收到的聲源頻率。多普勒不僅注重科學(xué)理論，而且善于運(yùn)用實驗去反復(fù)證明實驗結(jié)論。多普勒的這一個重大發(fā)現(xiàn)，被人們稱為“多普勒效應(yīng)”，當(dāng)時是將“多普勒效應(yīng)”光學(xué)與聲學(xué)聯(lián)系起來的。在《論雙星的色光》中，他從理論上論證了“多普勒效應(yīng)”。多普勒還用此理論研究了光行差。

著名的多普勒效應(yīng)首次出現(xiàn)在1842年發(fā)表的一篇論文上。多普勒推導(dǎo)出當(dāng)波源和觀察者有相對運(yùn)動時，觀察者接收到的波頻會改變。他試圖用這個原理來解釋雙星的顏色變化。雖然多普勒誤將光波當(dāng)作縱波，但多普勒效應(yīng)這個結(jié)論卻是正確的。多普勒效應(yīng)對雙星的顏色只有些微的影響，在那個時代，根本沒有儀器能夠量度出那些變化。不過，從1845年開始，便有人利用聲波來進(jìn)行實驗。他們讓一些樂手在火車上奏出樂音，請另一些樂手在月臺上寫下火車逐漸接近和離開時聽到的音高。實驗結(jié)果支持多普勒效應(yīng)的存在。多普勒效應(yīng)有很多應(yīng)用，例如天文學(xué)家觀察到遙遠(yuǎn)星體光譜的紅移現(xiàn)象，可以計算出星體與地球的相對速度；警方可用雷達(dá)偵測車速等。

多普勒效應(yīng)

生活中有這樣一個有趣的現(xiàn)象：當(dāng)一輛救護(hù)車迎面駛來的時候，聽到聲音比原來高；而車離去的時候聲音的音高比原來低。你可能沒有意識到，這個現(xiàn)象和醫(yī)院使用的彩超同屬于一個原理，那就是“多普勒效應(yīng)”。多普勒效應(yīng)Doppler effect是為紀(jì)念奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blue shift）；在運(yùn)動的波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低（紅移red shift）；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運(yùn)動的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運(yùn)動的速度，除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)也是一個偶然的發(fā)現(xiàn)，1842年奧地利一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時汽笛聲變?nèi)酰粽{(diào)變低。他對這個物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對運(yùn)動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象。這就是頻移現(xiàn)象。因為，聲源相對于觀測者在運(yùn)動時，觀測者所聽到的聲音會發(fā)生變化。當(dāng)聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”。

多普勒效應(yīng)原理

多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者接近時接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實驗設(shè)備，多普勒當(dāng)時沒有用實驗驗證，幾年后有人請一隊小號手在平板車上演奏，再請訓(xùn)練有素的音樂家用耳朵來辨別音調(diào)的變化，以驗證該效應(yīng)。假設(shè)原有波源的波長為λ，波速為u，觀察者移動速度為v（以下分析方法不適用于光波）：當(dāng)觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為（u+v）/λ，反之則觀察到的波源頻率為（u-v）/λ。

一個常被使用的例子是火車的汽笛聲，當(dāng)火車接近觀察者時，其汽鳴聲會比平常更刺耳。你可以在火車經(jīng)過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報聲和賽車的發(fā)動機(jī)聲。如果把聲波視為有規(guī)律間隔發(fā)射的脈沖，可以想象若你每走一步，便發(fā)射了一個脈沖，那么在你之前的每一個脈沖都比你站立不動時更接近你自己。而在你后面的聲源則比原來不動時遠(yuǎn)了一步?；蛘哒f，在你之前的脈沖頻率比平常變高，而在你之后的脈沖頻率比平常變低了。產(chǎn)生原因：聲源完成一次全振動，向外發(fā)出一個波長的波，頻率表示單位時間內(nèi)完成的全振動的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個數(shù)，而觀察者聽到的聲音的音調(diào)，是由觀察者接受到的頻率，即單位時間接收到的完全波的個數(shù)決定的。當(dāng)波源和觀察者有相對運(yùn)動時，觀察者接收到的頻率會改變．在單位時間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個數(shù)增多，即接收到的頻率增大．同樣的道理，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離波源，觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù)減少，即接收到的頻率減小。

多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波，包括電磁波?？茖W(xué)家愛德文·哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系，則光線會發(fā)生藍(lán)移。

在移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時，頻率變低，所以我們在移動通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能會帶來十分大的頻率偏移，但是這不可否認(rèn)地會給移動通信帶來影響，為了避免這種影響造成我們通信中的問題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了移動通信的復(fù)雜性。

在單色的情況下，我們的眼睛感知的顏色可以解釋為光波振動的頻率，或者解釋為，在1秒鐘內(nèi)電磁場所交替為變化的次數(shù)。在可見區(qū)域，這種頻率越低，就越趨向于紅色，而頻率越高的，就趨向于藍(lán),紫色。比如，由氦——氖激光所產(chǎn)生的鮮紅色對應(yīng)的頻率為4.74×10^14赫茲，而汞燈的紫色對應(yīng)的頻率則在7×10^14赫茲以上。這個原則同樣適用于聲波：聲音的高低的感覺對應(yīng)于聲音對耳朵的鼓膜施加壓力的振動頻率（高頻聲音尖厲，低頻聲音低沉）。

如果波源是固定不動的，不動的接收者所接收的波的振動與波源發(fā)射的波的節(jié)奏相同：發(fā)射頻率等于接收頻率。如果波源相對于接收者來說是移動的，比如相互遠(yuǎn)離，那么情況就不一樣了。相對于接收者來說，波源產(chǎn)生的兩個波峰之間的距離拉長了，因此兩上波峰到達(dá)接收者所用的時間也變長了。那么到達(dá)接收者時頻率降低，所感知的顏色向紅色移動（如果波源向接收者靠近，情況則相反）。為了讓讀者對這個效應(yīng)的影響大小有個概念，在顯示了多普勒頻移，近似給出了一個正在遠(yuǎn)離的光源在相對速度變化時所接收到的頻率。例如，在上面提到的氦——氖激光的紅色譜線，當(dāng)波源的速度相當(dāng)于光速的一半時，接收到的頻率由4.74×10^14赫茲下降到2.37×10^14赫茲，這個數(shù)值大幅度地降移到紅外線的頻段。

HB100多普勒模塊

是利用多普勒雷達(dá)原理設(shè)計的10.525GHz微波移動物體探測器，這種探測方式與其他探測相比具有不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響的優(yōu)點，適合惡劣環(huán)境; 本產(chǎn)品主要應(yīng)用于自動感應(yīng)燈、自動門控制開關(guān)、安防系統(tǒng)、ATM自動提款機(jī)的自動錄像控制系統(tǒng)等場所，另外也可以擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，如配合圖像監(jiān)控，識別驅(qū)動告警系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于監(jiān)獄監(jiān)控、機(jī)場監(jiān)控、重要倉儲場地、醫(yī)院ICU等重要場所。具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。

HB100多普勒雷達(dá)模塊由FET介質(zhì)DRO微波震蕩源（10.525GHz）、功率分配器、發(fā)射天線、接收天線、混頻器、檢波器等電路組成（圖2）。發(fā)射天線向外定向發(fā)射微波，遇到物體時被反射，反射波被接收天線接收，然后到混合器與振蕩波混合，混合、檢波后的低頻信號反應(yīng)了物體移動的速度可以廣泛應(yīng)用于類似自動門控制開關(guān)、安全防范系統(tǒng)、ATM自動提款機(jī)的自動錄像控制系統(tǒng)、火車自動信號機(jī)等，需要自動感應(yīng)控制的場所。這是一種標(biāo)準(zhǔn)的10.525GHz微波多普勒雷達(dá)探測器，這種探測方式與其它探測方式相比具有如下的優(yōu)點：１、非接觸探測；２、不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響，適合惡劣環(huán)境；3、抗射頻干擾能力強(qiáng)；４、輸出功率僅有5mW，對人體構(gòu)不成危害；５、遠(yuǎn)距離：探測范圍超過20米。

采用10.525GHz的微波與采用較低頻段波相比有以下優(yōu)點：1、微波天線發(fā)射時具有良好的定向性，因此很容易控制微波探頭的作用范圍。2、微波在傳輸過程中較易被衰減、吸收和反射，遇到墻壁等遮擋物時會被遮擋，因此墻壁等遮擋物外的物體對其干擾很小。

供電：給HB100供電有連續(xù)直流供電（CW）模式和脈動供電（PW）模式兩種：HB100適應(yīng)電壓范圍為5V±5％。在連續(xù)直流供電（CW）模式下工作時典型電流為35mA（典型值）。在低占空比脈沖供電(PW)模式下工作時，推薦給HB100提供5V、脈沖的寬度在5μs～30μs之間（典型值為20μs）、頻率為2～4kHz（典型值為2.0kHz）的脈沖供電。3～10％的占空比脈沖供電時平均電流為1.2mA～4mA。脈沖供電電壓必須在4.75V～5.25V之間，脈沖頂端的平坦度會影響HB100的探測能力。電源電壓超過5.25V時，它的可靠性會降低，并可能導(dǎo)致標(biāo)稱頻率外的射頻輸出和該電路永久性損壞。

射頻輸出：在所有推薦工作模式下，HB100的射頻功率輸出是非常低的，均在對人體構(gòu)不成任何危害的安全范圍內(nèi)工作。在連續(xù)直流供電（CW）模式下工作時，總輸出功率小于15mW。輸出功率密度在5mm處為1mW/cm2，1m處為0.72μW/cm2。當(dāng)在5％占空比的脈沖供電模式工作時，功率密度分別減少到50μW/cm2和0.036μW/cm2。

IF輸出：當(dāng)物體在HB100的有效探測范圍內(nèi)以1m/s的速度相對于HB100的天線面（非鋁質(zhì)屏蔽罩的那一面為天線面）做徑向移動時，HB100的IF輸出為72Hz/ s，IF的脈動輸出頻率與物體相對徑向移動速度成近似線性關(guān)系。IF的輸出幅度與物體的大小、距離有關(guān)，當(dāng)一個體重70kg、身高170cm的測試者在距離HB100 1m處以1m/s的速度相對于HB100做徑向移動時，IF的輸出為5mV、72Hz/s脈動信號，IF的輸出幅度與距離的平方成近似反比關(guān)系。

注意：

1.探測范圍取決于目標(biāo)的反射度和大小以及信噪比。

2.10.525GHz下的多普勒速度為31Hz/m.p.h

3.安裝模塊必須使其天線面（非鋁質(zhì)屏蔽罩的那一面為天線面）向著被檢測區(qū)域，用戶也可以自行調(diào)整方向，以達(dá)到最佳的覆蓋區(qū)域。