多传感器研究.docx
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多传感器研究
课程设计（论文）评语及成绩评定
指导教师评语：
评分_______指导教师（签字）_______________________年____月____日
课程设计（论文）及答辩评分：
1．学生工作态度和平时表现（共20分）__________；
2．论文格式规范、语言流畅（共20分）__________；
3．数据完整、分析论述充分合理，结论正确（共20分）__________；
4．答辩表述能力（共20分）__________；
5．基本概念及回答问题情况（共20分）_________。
课程设计总成绩______答辩组成员（签字）____________________年___月__日
课程设计任务书
学院
装备工程学院
专业
探测制导与控制技术
学生姓名
段代峰
学号
0611020217
内容及要求：
一．设计目的
了解和掌握该系统相关传感器的原理和使用方法，系统相关产品及及其国内外研究进展情况，利用单片机、Proteus和KeilC51工具设计出一种相应的探测识别系统。
二．设计任务和指标
1、了解和掌握该系统相关传感器（3-5种）的技术资料，包括其技术指标、原理图、封装形式、价格等；
2、查找该系统相关产品（3-5种）的技术资料，包括其技术指标、原理图、封装形式、价格等；
3、查找该系统相关论文（最近几年）（3-5篇）；
4、选择一种传感器，利用单片机、Proteus和KeilC51工具设计出一种相应的探测识别系统；
5、完成论文。
进度安排：
第一周：
查找并整理相关资料，并传真至Dongyangz@；
第二周：
选择一种传感器，利用单片机、Proteus和KeilC51工具设计出一种相应的探测识别系统，包括原理图、程序、运行结果等；
第三周：
写论文，论文装订。
最后一天答辩。
参考书目：
1、
2、
3、
课程设计题目
基于微波雷达探测识别系统的设计
指导教师（签字）：
张东阳
2009年11月22日
摘要
本次课程设计是基于C51单片机技术的探测识别系统设计仿真，主要运用微波雷达探测原理进行设计。
微波雷达式探测装置是一种将微波收、发设备合置的探测器，工作原理基于多普勒效应。
微波的波长很短，在1mm～1000mm之间，因此很容易被物体反射。
微波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射波信号的频率会产生微小的偏移。
此时可认为报警产生。
微波系统的应用无论在国外还是国内都有了很大的发展，常用于智能探测，生命特征探测，军事领域等等。
报警装置由单片机系统设计，当接收到信号时，警报灯闪亮同时警报响起。
关键词：
微波雷达；多普勒效应；智能探测
目录
1微波原理及应用1
1.1微波传感器的介绍1
1.1.1微波的基础知识1
1.1.2微波检测器2
1.1.3微波探测技术的应用2
1.1.4微波传感器的应用前景4
2微波探测的作用原理6
2.1微波发生器6
3微波探测器的分类及特点10
3.1.微波探测器分类10
3.1.1雷达式微波探测器10
3.1.2墙式微波探测器11
3.2微波雷达探测器的优缺点11
4微波雷达探测识别系统的设计12
4.1微波雷达物理基础12
4.2系统结构12
4.3测量模块13
4.4控制模块13
4.5信号调制解调过程14
4.6单片机仿真15
5结束语17
参考文献18
致谢19
附录20
1微波原理及应用
1.1微波传感器的介绍
1.1.1微波的基础知识
（1）微波的性质与特点
微波是波长为1～1000mm的电磁波，它既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波。
微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：
1．定向辐射装置容易制造；2．遇到工作障碍物易于反射；3．绕射能力较差；4．传输性能良好，传输过程中受烟、火馅、灰尘、强光等的影响很小；5．介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收能力最强。
正是这些特点构成了微波检测的基础。
（2）微波传感器的组成
微波传感器通常由微波发生器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。
微波振荡器是产生微波的装置。
由于微波很短，频率很高（300MHz～300GHz），振荡回路具有非常微小酌电感与电容，故不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。
构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固体元件。
小型微波振荡器也可采用体效应管。
由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（波长在1000cm以上可用同轴线）传输，并通过天线发射出去。
为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。
常用的天线如图1所示，有喇叭形天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。
喇叭形天线结构简单，制造方便，可看作波导管的延续。
喇叭形天线在波导管与敞开的空间之间起匹配作用以获得最大的能量输出。
抛物面天线犹如凹面镜产生平行光，这样位微波发射的方向性得到改善。
图1.1常用微波天线
（a）扇形喇叭天线（b）圆锥形喇叭天线
（c）旋转抛物面天线（d）抛物柱面天线
1.1.2微波检测器
由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被吸收或反射，使功率发生变化。
若利用接收天线，接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测量和指示，就实现了微波检测过程。
根据上述原理，微波检测传感器可分为反射式与遮断式两种。
（1）反射式传感器
这种反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。
（2）遮断式传感器
这种遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物的位置与含水量等参数。
1.1.3微波探测技术的应用
（1）微波物位计
图1.2所示为微波开关式物位计示意图。
当波长物位较低时，发射天线发出的微波束全部由天线接收，经检波、放大、与定电压比较器比较后，发出正常的工作信号。
当被测物位升高到天线所在高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率相应减弱，经检波、放大后，低于定电压信号，微波液位计发出被测物位高出设定物位的信号。
被测物位升高到天线所在高度时，接收大线接收的功率为
…………………………………………1.1
式中
——由被测物的形状、材料的性质、电磁性能等因数决定的系数。
图1.2微波开关式物位计
（2）微波定位仪
图1.3微波定位仪
（3）微波多普勒测距
微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。
若对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多卜勒效应，反射波的频率发生偏移，如下式所示：
…………………………………………1.2
式中fd是多卜勒频率
当物体靠近靶时,多卜勒频率fd为正；远离靶时，fd为负。
输入接收机的反射波的电压可用下式表示：
……………………………1.3
因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。
但是，用此方法不能测定距离。
为此考虑发射波长（频率）稍有不同的两个电波λ1和λ2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。
若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为ΔΦ，则可求出距离r：
……………………1.4
………………………………………1.5
1.1.4微波传感器的应用前景
（1）（CW—FM）微波调频器等产品，为微波测速测距传感器的产品量产化铺平道路。
独特的创新技术方法其价位已是进口同类产品几十分之一和国内试验样机的十分之一。
近年来，由于汽车拥有量的大量增加，汽车追尾事故时有发生危及生命及行车安全，我们相信在以人为本的今天民品化的低价位必将使该产品在工业测控，交通汽车预警雾天防撞,等领域迅速谱即将使人们在车辆出行方便的同时更加的安全。
（2）军事领域
战争对军用微波雷达的需求，催生了微波元件。
随着微波技术不断的进步，微波元件及相关介质材料的市场规模正急剧上升。
微波元件已广泛用于微波通信系统、遥测系统、雷达、导航、生物医学、电子对抗、人造卫星、宇宙飞船等各个领域。
随着微波半导体器件工作频率的进一步提高，功率容量的增大，噪声的降低以及效率和可靠性的提高，特另口是集成化的实现，使微波电子系统发生了新的变化。
随着市场需求以及科技的不断进步，新型微波元件正向微型化、片式化、高性能化、集成化、智能化、环保节能方向发展。
微小型和片式化技术、无源集成技术、抗电磁干扰技术、低温共烧陶瓷技术、绿色化生产技术等已成为行业技术进步的重点。
微电子机械系统（MEMS）和微组装技术的高速发展，也将促进微波元件功能和性能的大幅提升。
2微波探测的作用原理
2.1微波发生器
（1）微波发生器原理
微波发生器可以是一种晶体管,大功率则是电子管,下面是详细的介绍.
微波能量是由微波发生器产生的，微波发生器包括微波管和微波管电源两个部分。
其中微波管电源（简称电源或微波源）的作用是把常用的交流电能变成直流电能，为微波管的工作创造条件。
微波管是微波发生器的核心，它将直流电能转变成微波能可提供稳定的连续波微波功率，用于粮油食品、农副产品加工、医药制品、橡胶硫化、陶瓷、烧结、化工产品加工及高科技等应用领域。
优点：
功率连续可调、性能稳定，安全保护措施完善。
能长时间连续工作，能源转换效率高，操作简便。
（2）微波模块
本次课设主要使用了HK982微波感应模块，因为其具有独特的性能与优点，在工作中能够更加方便的完成任务，在以后的各种场合都将发挥它的优势。
HK982是经过多次改良后的一款微波感应模块系列，它广泛使用在自动取款机，感应门，感应开关及其他需要对人体或者金属靠近作出反应的自动化设备上面，因为它工作可靠，体积小巧，并且具有其他同类产品无法比拟的的优点，因而得到比较好的推广，现在介绍一下它的一些特点及典型的应用。
HK982和目前的其他产品比较，其最大的优点就是灵敏度比较高、体积很小并且方向可控。
目前HK982根据探测距离分有2个型号，HK982-A和HK982-B。
HK982-A主要用与自动取款机（ATM机）和接近开关，侧重于在1-2米内感应确保可靠，它的可调范围在1-3米之间，因使用要求不同，它采用了多次智能判别，确保在复杂的环境下不会误触发及漏触发。
它的感应触发时间每次最短8秒，如果在8秒内再次感应到人体，则将继续保持有输出信号，直到人体走开后8秒恢复到警戒状态。
HK982-B主要用于自动感应灯及感应开关上.和HK982-A比较，它的特点是灵敏度比较高，可调范围在3-6米之间，触发输出的时间也比HK982-A要长了许多，目前这个时间大约是60秒，这个时间根据不同的客户要求（需要有一定的数量）可以定做。
并且增加了黑夜白天的控制脚，当该脚接合适的光敏电阻后，就可以实现白天不输出，晚上有输出的功能。
HK982-C主要应用于雷达自动驱鸟器上面,是同系列的HK982-A,HK982-B的中间产品,它的灵敏度是3-6米,每次触发时间是8秒,也带有RTS控制引脚,可以外接光敏电阻或者湿敏电阻等其他传感器.
HK-982的最大优点就是体积非常小，它不需要市面普通微波模块使用的环行天线，而是采用了比较昂贵的平板微波天线，从而使得目前HK982这2个型号的体积控制在42mm（长）*21mm（宽）*20毫米（高）内，这个体积几乎是目前其他微波感应模块的1/3。
如果采用0603的元件单独定做设计，还可以将这个体积缩小到30mm（长）*20mm（宽）*15mm（高）。
这是其他微波模块所不能实现的。
因此，HK982可以很容易嵌入到需要使用人体感应的设备中。
HK982和其他感应模块探测范围比较：
图2-1
微波感应模块利用环行天线作为一个振荡元件，因而必须要使用比较大的环行天线电路才可以起振，这使得它的体积不可能作得比较小，而HK982因为不采用环行天线做振荡元件，所以它可以尽可能的缩小体积，因为它不需要环行天线，电路采用的是微带线理论设计而成。
天线的不同，导致了它的方向性不同，环型天线的感应范围实际测量是空间的球体，这在许多应用中是不允许的，而HK982采用的平板天线，因此它的正向指向性很强，当感应模块的灵敏度在前方调到6米的时候，它后面的感应距离只有1M。
（3）电源要求
和红外感应一样,雷达式微波感应也是采集人体运动后产生的微弱信号进行放大处理，然后进行智能判别是否输出信号，因此它同样对模块的电源要求也比较高，模块内部已经有了一级7805做稳压，一般模块在8-15V的电压都可以正常工作，但是对电源的纹波要求比较高（最好小于10mv），因此还是要求采用比较好的稳压和滤波措施。
本设计电路采用如下：
图2-2设计电路
（4）尺寸
图2-3尺寸
（5）输出引脚排列
图2-4
OUT2:
当有信号的时候输出正电压5V,内部已串联电阻4K7
OUT1:
当有信号的时候输出正电压5V,内部已串联电阻100欧姆
GND:
电源地线
12V:
12VVCC（要求纹波比较小）
RTS:
接光敏电阻到地,当RTS引脚电压小于1.5V的时候,没有感应输出,这个引脚可以用在感应灯的控制中
SENSOR:
灵敏度电位器,顺时针方向灵敏度升高.
3微波探测器的分类及特点
3.1.微波探测器分类
微波探测器分为雷达式和墙式两种，其运用原理都是利用了微波的特性，但是侧重点不同。
3.1.1雷达式微波探测器
雷达式是一种将微波收、发设备合置的探测器，工作原理基于多普勒效应。
微波的波长很短，在1mm～1000mm之间，因此很容易被物体反射。
微波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射波信号的频率会产生微小的偏移。
此时可认为报警产生。
采用多普勒雷达的原理，将微波发射天线与接收天线装在一起。
使用体效应管作微波固态振荡源，通过与波导的组合，形成一个小型的发射微波信号的发射源。
探头中的肖基特检波管与同一波导组成单管波导混频器作为接收机与发射源耦合回来的信号混频，从而得到一个频率差，再送到低频放大器处理后控制报警的输出。
微波段的电磁波由于波长较短，穿透力强，玻璃、木板、砖墙等非金属材料都可穿透。
所以在安装时不要面对室外，以免室外有人通过引起误报。
金属物体对微波反射较强，在探测器防范区域内不要有大面积（或体积较大）物体存在，如铁柜等。
否则在其后阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏洞。
多个微波探测器安装在一起时，发射频率应该有所差异，防止交叉干扰产生误报。
另外，如日光灯、水银灯等气体放电光源产生的100Hz调制信号由于在闪烁灯内的电离气体容易成为微波的运动反射体而引起误报。
使用微波入侵探测器灵敏度不要过高，调节到2/3时较为合适。
过高误报会增多。
探测器对警戒区域内活动目标的探测范围是一个立体防范空间，范围比较大，可以覆盖60°至90°的水平辐射角，控制面积可达几十到几百平方米。
雷达式微波探测器的发射能图与所采用的天线结构有关，采用全向天线（如1/4波长的单极天线）可产生近乎圆球形或椭圆形的发射范围，这种能场适合保护大面积的房间或仓库等处。
而采用定向天线（如喇叭天线）可以产生宽泪滴形或又窄又长的泪滴形能图，适合保护狭长的地点，如走廊或通道等。
3.1.2墙式微波探测器
微波墙式探测器利用了场干扰原理或波束阻断式原理，是一种微波收、发分置的探测器。
墙式微波探测器由微波发射机、发射天线、微波接收机、接收天线、报警控制器组成。
微波指向性天线发射出定向性很好的调制微波束，工作频率通常选择在9至11GHz，微波接收天线与发射天线相对放置。
当接收天线与发射天线之间有阻挡物或探测目标时，由于破坏了微波的正常传播，使接收到的微波信号有所减弱，以此来判断在接收机与发射机之间是否有人侵入，即非正常信号的产生。
墙式微波探测器在发射机与接收机之间的微波电磁场形成了一道看不见的警戒线，可以长达几百米、宽2到4米、高3到4米，酷似一道围墙，因此称为微波墙式探测器或微波栅栏。
3.2微波雷达探测器的优缺点
微波雷达探测器的优点如下：
（1）不惧恶劣天气，无论是雷雨，下雪，暴风天气不影响该系统的户外使用
（2）雷达相阵+声波扫描，有潜在威胁的物体靠近时，即可声光警号开启，语音恫吓，御敌于户外。
（3）室外防范宠物，专业的安防理念结合系统功能，采用系统扫描二次确认的程序控制，起到了防范宠物的目的。
（4）可联动监控录像拍照系统，通过TCP/IP/GPRS/CDMA1X等网络同步传输到接警中心现场的图像数据
（5）探测距离可调节，当可疑物体靠近防范对象1米以内或者是2米以内甚至更远时启动报警为可调节档。
根据现场的复杂情况做出调节和判断。
（6）功耗小，带有万向节，方便于野外的安装和方向调节
（7）可选支持真人远程喊话，可通过通讯工具对现场进行真人语音喊话，驱走犯罪份子
（8）探测技术：
三角定位法、特征波分辨技术
（9）仿真技术：
对探测物体采用探测波形图来进行状态物体大小分析。
4微波雷达探测识别系统的设计
本系统充分利用89C51单片机的控制和计算能力，采用MCS-51汇编语言，在keil环境下通过联调对系统进行了设计仿真。
4.1微波雷达物理基础
微波是波长很短的无线电波，微波的方向性很好，速度等于光速。
微波遇到物体立即被反射回来，再被雷达接收装置接收。
这样一来一回，不过几十万分之一秒的时间，数码管上就会显示出所测物体的速度、方位等。
它所依据的原理依然是“多卜勒效应”。
雷达发出一个频率为10000兆赫的脉冲微波，如果微波射在静止不动的物体上上，被反射回来，它的反射波频率不会改变，仍然是10000兆赫。
反之，如果物体在行驶，而且速度很快，那么，根据多卜勒效应，反射波频率与发射波的频率就不相同。
通过对这种微波频率微细变化的精确测定，求出频率的差异，通过电脑就可以换算出物体的速度了。
波信号源采用全固态器件，合金捛腔体喇叭形天线收发，混频管接收经反射后的微波信号与发射波信号混频。
被测物体移动时，由于直达波和反射波混合的结果在接收检波器上混频出差拍信号，该差拍信号的频率和移动物体速度成线性关系。
速度越快，差拍频率越高，速度越慢，差拍信号频率越低。
被测物体与微波腔体振荡器不移动时，输出的频率为零。
探头对目标距离近信号输出幅度大,探头对目标距离远信号输出幅度小.利用信号幅度特性可得到距离信息（对相对运动的物体而言）。
4.2系统结构
图4.1
4.3测量模块
在测量模块中，微波信号被转换成易于进一步变换并用低频装置加以测量的电信号。
测量模块主要由可调衰减器、定向耦合器、匹配负载、峰值检波器、示波器、热电偶等组成，如图
图4.2
微波功率经可调衰减器先进行一定量的衰减，再由定向耦合器耦合部分能量分别送到热电偶和峰值检波器，其余大部分能量由匹配负载吸收。
送往峰值检波器的信号由示波器显示其脉冲波形，并测量脉冲重复周期T和宽度τ。
送往热电偶的信号由热电偶转换成电压信号，送往控制模块进行处理。
图4.3
4.4控制模块
控制模块将测量模块的输出信号进行处理和显示并控制整个系统的运行，由89C51单片机系统实现其功能，分为4个部分：
人机接口、信号采集通道、串行通信及微处理器。
微波信号经测量模块转换成电压信，送到输入电路，进行模数转换，然后由89C51进行数据采集、保存、处理，最后在显示器上显示。
利用89C51的串行通信资源，经RS232电平转换，可与PC机进行通信。
利用键盘可进行参数设置和操作控制。
4.5信号调制解调过程
图4.4初始信号
图4.5放大信号
图4.6解调信号
4.6单片机仿真
电路图绘制
应用AT89C51进行电路图设计，如图所示：
图4-7系统正常工作
图4-8系统检测到信号时工作状态
图4.7电路设计图
仿真结果：
图4.8仿真结果图
5结束语
这次的课程设计我学习到了很多的知识，在学习的过程中发现理论知识与实践相结合的重要性，也发现了自己在知识储备上的不足，我将在在以后的学习和工作中认真学习，扎实基础，努力提高实践的能力和水平，这对将来的工作学习以及毕业设计即将有很大的帮助。
探测制导与控制专业属于高、精、尖的技术学科，通过本次设计我对本专业的知识和今后了工作有了一个初步了解，在初步了解专业方向以后，我做了一基本的规划，在以后的学习中我会扎实工作努力，严格要求自己向这些方面发展，提高专业技术，争取在以后的工作中有所作为。
总之，这次课程设计让我非常受益，使我认识到科学精神的严谨性和学习知识的重要性。
在今后我会努力学习专业知识，认真钻研，争取在科学技术领域有所发展，为我国的科学发展进步和国防事业的进步作出贡献。
参考文献
[1]赵茂泰.智能仪器原理及应用第2版［M］.北京：
电子工业出版社，2004.
[2]丁元杰.单片微机原理及应用第2版［M］.北京：
机械工业出版社，1999.
[3]董金明.微波技术［M］.北京：
电子工业出版社，2004.
[4]张伦.微波功率测量［M］.北京：
人民邮电出版社，1979.
[5]张雄伟,徐光辉．DSP芯片的原理与开发应用（第三版）．电子工业出版社，2000
[6]陈宗鸳,张平等编.现代雷达.国防工业出版社,1988.12
致谢
首先非常感谢张东阳老师，在你的认真负责的工作下，我们从专业知识到生活常识都有了很大的丰富。
在这次课程设计中，张老师占用自己大量的工作和休息时间来给我们解答问题，无论遇到什么难题老师都会不厌其烦的为我们解答，讲原理，讲思路，讲每个细节。
在老师的指导下我的课程设计终于成功完成，谢谢老师，也谢谢我身边的同学，在你们的帮助下我相信我的知识水平又有了一个质的飞跃。
附录
DBUF1EQU30H;定义要显示的个位
DBUF2EQU31H;十位
DBUF3EQU32H;百位
ABCEQU35H;模数转换器1缓冲地址
ABC2EQU38H;模数转换器2的缓冲地址
STBITP2.5;开始驱动位地址
EOCBITP2.6;转换结束信号位
OEBITP2.7;允许输出驱动位
CLOCKEQUP2.4;时钟脉冲输出位
ORG0000H
AJMPSTART
ORG000BH;C/T0入口地址
AJMPST_T0;时钟取反子程序
ORG0050H
START:
MOVDBUF1,#00H;缓存清零
MOVDBUF2,#00H
MOVDBUF3,#00H
MOVDPTR,#TAB
MOVTMOD,#02H;C/T0自动重装
MOVTH0,#245;重装初值
MOVTL0,#00H
MOVIE,#82H;开中断允许
SETBTR0;启动时钟/计数
WAIT:
CLRST;启动转换设置
SETBST
CLRST
JNBEOC,$;等待转换结束（为0跳转）
SETBOE;允许模数转换器信号输出
MOVABC,P1;读输出的数据
MOVABC2,P3;读转换器2的数据
CLROE;停止信号输出
MOVA,ABC;将接收的数据载入A
ADDA,ABC2;两信号复合（求和）
MOVB,#100
DIVAB;A/B，商存入A，余数存入B
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