基于51单片机的超声波、红外、毫米波复合探测

摘要
随着现代电子技术的发展，战场环境的复杂多变，精确制导武器在现代战场上的作用显著提高，单一模式的探测系统难以完成对目标的全面探测和识别，必须采用复合形式的探测识别系统。

本文首先对无人值守平台、超低空目标做了简单的介绍和分析。

其次介绍了超声波、毫米波、红外传感器的特点及工作原理，然后对多传感器融合理论进行了分析。

最后利用KeilC和Proteus设计了一个简单的复合探测系统，并对该系统进行了仿真与调试以及完成PCB版图的制作。

关键词：传感器；单片机；无人值守；Proteus
Abstract
Complex and changing with the development of modern electronic technology, battlefield environment, significantly improve the precision-guided weapons on the modern battlefield, single-mode detection system is difficult to complete a comprehensive detection and identification of target detection and recognition system must be a composite form . The first unmanned platform, low altitude target to do a brief introduction and analysis. Second, it describes the characteristics and working principle of the ultrasonic wave, millimeter wave, infrared sensors, then the analysis of multi-sensor fusion theory. Finally to use KeilC and Proteus to the design of a simple composite detection system, and the system simulation and debugging of the production and the completion of the PCB layout.
Keywords：Sensors;Microcontroller;Unattended;Proteus
目录
1 绪论 (1)
1.1 设计目的和意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.3 设计思路 (3)
2 复合探测系统需求分析 (4)
2.1 目标特性分析 (4)
2.1.1 地面目标的主要特性与特征 (4)
2.1.2 空中目标的主要特性与特征 (4)
2.2 需求分析 (6)
2.2.1 系统概述 (6)
2.2.2 系统功能 (7)
2.2.3 工作原理及系统组成 (7)
2.3 相关理论分析 (8)
2.3.1 地面传感器侦察系统及其概述 (8)
2.3.2 地面传感器侦察系统的特点 (8)
2.4 超声波传感器及其原理分析 (9)
2.4.1 超声波概述 (9)
2.4.2 超声波传感器测距原理 (10)
2.4.3 超声波测距误差分析 (11)
2.5 毫米波传感器及其原理分析 (12)
2.5.1 毫米波的特点 (12)
2.5.3 毫米波辐射计及其原理 (12)
2.6 多传感器融合理论简介 (13)
2.6.1 多传感器融合基本原理 (13)
2.6.2 信息融合的结构形式 (13)
3 系统设计与仿真 (15)
3.1 系统硬件设计 (15)
3.1.1 超声波发射和接收电路的设计 (15)
3.1.2 单片机芯片简介 (17)
3.1.3 模数转换ADC0832芯片简介 (18)
3.1.4 复合探测系统原理图 (21)
3.2 系统软件设计 (22)
3.3 系统仿真调试 (23)
3.3.1 在keil中调试程序 (23)
3.3.2 在Proteus中调试程序 (24)
4 PCB板图制作 (28)
4.1 原理图的元器件封装 (28)
4.1.1 原件封装步骤 (28)
4.1.2 创建网络表过程 (29)
4.2 系统PCB板图 (29)
4.2.1 系统PCB板图生成过程 (29)
4.2.2 系统PCB板图 (30)
5 总结与前景展望 (31)
5.1 总结 (31)
5.2 前景展望 (31)
致谢 ........................................................................................................错误！未定义书签。

参考文献 . (32)
附录A英文原文 ......................................................................................错误！未定义书签。

附录B中文翻译 ......................................................................................错误！未定义书签。

附录C 程序设计 (33)
1 绪论
1.1 设计目的和意义
在战争这个历史舞台上，电子技术逐步渗透到各武器系统并广泛地运用于战场的各个领域，高科技含量的军备已成为当今军事争斗的热点，人类对国防的认识随着战争形式的演变也在不断的加深和拓宽。

在高新技术及装配高速发展的今天，通信、雷达、计算机、电子设施已成为现代化军队中一个作战单位的基本装备，如果一旦这些电子装备不能正常工作，一支现代化军队也就失去了战斗力。

纵观中外战史，战争的胜负无不与现代化高新技术的运用息息相关。

现在，信息系统正逐步被放到优先发展的地位，日益受到军事部门的关注，从而获得迅速发展。

通过数字化，将传统的信息处理、传递、存贮方式转换成数字形式，建立大容量、高速度的信息传输综合网络，实现信息资源共享、态势共识，将会进一步提高部队和武器系统的作战效能，促使战场信息系统飞速发展。

为了适应未来战争的需要，做到对战场信息的准确采集、分析并作出及时反应，我国也正努力加强这方面的研制工作。

地面多传感器探测系统就是兵科院兵器预研项目“微光夜视、战场探测与三维图像显示技术”的子课题，它是在九五项目—“炮射分布式地面遥控传感器技术”兵器预研课题的基础之上发展而来。

现代战场上巡航导弹、武装直升机等低空、超低空目标越来越多。

这些目标飞行高度低、航线隐蔽，非常难以发现。

这种情况促使防御一方不断采用最新科技成果以改进自己的防空系统，从而大大促进了低空、超低空目标预警和侦察技术的发展和进步。

在这种情况下，单一的探测方式难以满足战场的需求，所以超低空探测器一般把两种或两种以上的探测技术结合起来，可克服单一探测方式的缺陷与局限性，取得探测系统的综合优势，提高探测系统在复杂恶劣战场环境中的探测识别能力。

于是，超低空复合探测技术等就应运而生。

1.2 国内外研究现状
远程地面传感器系统，即RGS(RemoteGroundSensor)系统，是于六十年代发展起来的地面战场无人电子侦察系统。

该系统自从60年代被美军成功应用于越南战场以来，
受到西方各国军事部门的重视，发展迅速。

现代战争中世界各国军事部门都非常关注信息的采集和利用，都在积极发展各种信息系统，以占领现代战争的制胜点。

七十年代发展了无线电信号传输的战场监视传感器系统，采用了声音传感器、振动传感器、红外传感器、磁传感器等各种传感器，并开始采用计算机分析数据，获取情报。

如美国的AN/TNS一10声测站，采用声音传感器检测车辆运动信号，并通过计算机对信号进行分析，实现对车辆种类的辨别。

八十年代初美国研制了“帕尔斯”声测系统和改进的“伦巴斯”战场传感器系统。

英国在七十年代末研制了JGNS一N声测站。

联邦德国、瑞典等都研制了自己的战场监测传感器系统。

美国陆军指挥控制系统就是一项旨在实现陆军指挥控制自动化的庞大计划其五个功能领域之一就是ASAS全信息源分析系统。

ASAS系统可以汇集各种信息源和传感器的数据，对其进行鉴定和相关处理，并近实时地将完整准确的战场态势图传送给指挥中心，从而实现情报处理的自动化。

美国陆军还将在战场上部署微型传感器网络，提高轻型高机动部队的战场态势感知能力。

该微型传感器体积小，内含声音、震动、磁场等探测器，能探测敌人的车辆或步兵携带的各种单兵武器，可由人工、飞机或无人侦察车等投放到战场上。

单个传感器的性能并无.惊人之处，但由许多传感器形成网络，就能源源不断地提供关于敌人位置和活动的数据和图像，执行多种情报搜集任务。

利用这种传感器，可保护作战部队，深入敌后探测有关目标或探测狙击手。

所搜集的情报将以字符形式显示在指挥官的计算计屏幕上，也可在三维地图上显现敌军的活动情况。

地图本身可以保存在数据库内，也可在执行任务前生成。

目前，该技术已基本上达到战场应用的水准。

澳大利亚国防部计划用UGS(无人地面传感器)系统来装备部署在该国北方地区监视和侦察营，用于连续监视可能的突破点，例如:分散的飞机场，交通枢纽点，机动走廊，以及进入岛屿的航道入口。

每套系统配备的各种类型传感器多达10个，它们包括磁、声、震动、红外及电光装置，用于探测、定位及识别目标。

一旦探测到入侵目标，它们将近实时地把信息传给位于100公里之外的监控中心。

目前我国还尚未有一套完整的以信息的全源获取，综合处理，快速发展为基础，诸兵种的探测、通信和武器系统融合为一体的野战数字化信息系统。

一个主要原因就是国内技术距世界水平还有很大一段差距。

任何一方面的技术差距都将制约其发展，例如，信息采集系统种类少，作用距离近、抗毁、抗干扰性能差;信息传输手段落后;武器系统数字化程度低，几乎无数字接口。

我军未来的军事要求是打赢一场高技术条件下的局部
战争，就野战战场而言，除了研制高性能武器系统外，更要研制能充分发挥武器系统性能，提高整体作战效能，适应体系对抗要求的野战数字化信息系统。

因此，我军应该积极地开展这方面的研究工作。

地面多传感器探测系统的研制正是基于这一趋势的要求，它作为先进野战数字化信息系统的一部分，对我国军事“信息高速公路”将起到推动作用。

1.3 设计思路
本文首先通过引言介绍了超低空无人值守平台探测器的国内外发展现状以及研究它的目的和意义，然后通过需求分析介绍了系统的功能、原理，同时还分析了各种目标特性，还简单的介绍了各种传感器的功能及原理，下一步对系统进行了调试与仿真，最后画出了该系统的PCB板图。

2 复合探测系统需求分析
2.1 目标特性分析
2.1.1 地面目标的主要特性与特征
坦克是装有大威力火炮，具有高度野战机动性和装甲防护能力的履带式装甲战斗车辆，主要用于同敌方坦克和其它装甲车辆作战，也可以压制和摧毁反坦克武器、野战工事、歼灭有生力量。

坦克的主要特性与特征表现在三个方面，即：红外辐射特征、声传播特征和行驶过程中产生的地面震动特征。

坦克作为一个热源，其其辐射红外线的波长在2.5~4um之间。

由于其在大气中传输时，存在一定的大气窗口，及在某些波长范围内，其辐射能较好的通过，几乎一切与大气有关的光学设备都只能去适应这些窗口，在0.72~15um波长范围之内共有8个大气窗口，2.5~4um共占据了两个大气窗口，也就是说对坦克进行红外探测时，可利用1.8~2.7um、3~4um两个大气窗口设计探测、识别系统。

坦克在行驶过程中产生的声音，通过空气传播，实际是一种噪声信号，由坦克的结构、发动机类型、行驶速度、地行、地质等因素决定。

坦克车的噪声主频在13Hz左右，在大约1km的距离，通过多个声传感器测量坦克产生的噪声，对噪声信号进行频域分析、时域估算，能正确识别出坦克的方位和距离。

坦克车在行驶过程中，对地面的冲击以及声波对地面的激励，对于非刚体的地球介质，这种激励将引起地球介质的变形。

变形在地球介质中的传播及形成地震波。

通常把坦克车辆作为激励源，采用地震动传感器在一定距离内进行探测，对获得的信号分析后可知，信号主频率在100Hz以下。

采用高灵敏度的电磁式地震动传感器，能很好的探测坦克的接近距离。

通过信号时域、频域的分析，能分辨出坦克的类型及行驶速度特征。

2.1.2 空中目标的主要特性与特征
现代战争中，主要对付的空中目标有三类：固定翼飞机（如隐形飞机）、武装直升机和精确制导弹药（如巡航导弹）。

由于这三类目标属于有源飞行器，红外特性非常明显，采用红外探测系统能很好识别和区分目标，除红外探测系统外，目前还使用毫米波探测系统、声探测系统等。

固定翼飞机包括战斗机、攻击机、轰炸机、运输机、无人驾驶军用飞机、空中加油机、预警机、空中侦察机等，某些固定翼飞机的主要性能见表2.1
现代固定翼飞机的速度、高度、攻击能力和防御能力都有所提高，通常飞机的蒙皮90%是由1.5~2.5mm的轻质金属材料制成，10%是3~5mm的钢板或钛合金。

有的飞机在驾驶室还安装有约10mm厚的防护钢板，其油箱则采用自封闭材料或阻燃材料制成。

在中、高空对固定翼飞机的攻击采用地-空导弹或空-空导弹，其探测部分采用红外、激光或毫米波探测技术；在中、低空对固定翼飞机的攻击可采用高炮、单兵肩射防空导弹。

武装直升机的主要优点是机动性和防护能力都加强，起降场地要求低，战场运动力强，因而被广泛应用于反坦克作战以及空中支援、反舰、反潜、侦察、运输、指挥通信，尤其对地面步兵及重要设施有巨大的威慑力。

在“三打”战术中之一就是针对武装直升机研究打击的方法。

武装直升机的主要性能见表2.2
武装直升机的主要部位都有装甲防护，如在驾驶室、发动机、油箱外均用4~6mm
钛合金板防护，在驾驶室前方用50mm厚的钢化防弹有机玻璃防护，一般能抗12.7mm 机枪的攻击。

由于武装直升机具有强大的动力装置，一般为二台1kW以上的发动机，其动力噪声是被探测的主要环境信息之一。

直升机的红外辐射信息业相当丰富，经空气传播在几百米内也可采用被动红外探测方法。

精确制导弹药主要包括各类导弹、精确制导炸弹和末制导炮弹等。

其中尤其导弹种类繁多、应用广泛、发射平台多样，是来自空中的主要威胁。

地面防空反导系统重点要对付的是空-地导弹、巡航导弹和战术地-地导弹等目标。

这些导弹的速度和飞机差不多，雷达反射面积小，飞行高度也比较低，飞行中空气噪音小，因此反导弹比反飞机有更大的难度。

几种巡航导弹的性能见表2.3
表2.3 几种巡航导弹的性能
导弹结构一般分为控制系统、战斗系统和动力系统，除有一层外表蒙皮外，各系统均有较厚的壳体。

由于导弹体积相对其他飞行体小，发动机功率也较低，空间特征表现为点目标，利用红外特征性进行探测十分困难。

目前，在低空进行导弹探测主要采用的仍是低空雷达、红外、声探测手段。

2.2 需求分析
2.2.1 系统概述
通过对目标特性的分析，设计了一种以超声波、毫米波和红外传感器为基础的智能式无人值守探测系统。

可以自动预警、跟踪、定位，从而实现了全天侯无人探测可用于
反武装直升机、反巡航导弹、反坦克武器的引信中。

毫米波传感器为“预警”传感器，用来发现远处的目标，识别目标类型，当判断是所探测的目标，启动超声波传感器和红外传感器，声传感器用于对目标进行识别和定位，红外传感器在目标一进入视场范围便送出引暴信号，控制起爆时间和炸点位置。

该系统可在目标所处背景复杂、环境恶劣中工作且探测正确率高，功耗低，体积小，寿命长，布设方便。

2.2.2 系统功能
本系统的主要功能是发现目标，并发出预警信号，即当我目标进入探测范围时，毫米波传感器率先启动，然后将它获取的目标信息传给超声波传感器，超声波传感器对目标进行定位，最后当目标距离小于预定值时，红外传感器发出报警信号即点火信号。

2.2.3 工作原理及系统组成
本系统是超声波、毫米波和红外三种传感器组成的复合探测器。

毫米波传感器进行预警，超声波传感器进行识别，定位，红外传感器发出引爆信号。

其原理如图2.1所示：首先启动毫米波传感器，红外和超声波传感器处于休眠状态，一旦毫米波传感器接受远距离运动目标传来的信号发现目标并经识别后，信号处理器马上唤醒“休眠”的传声器和红外传感器进行工作，确定出目标的运动状态并经单片机处理，发出引爆信号。

图2.1 探测系统原理图
2.3 相关理论分析
2.3.1 地面传感器侦察系统及其概述
地面战场传感侦察系统被美军称为无人值守地面传感器（UGS：Unattended Ground Sensor），是一种无源被动探测的侦察与监视装备，一直伴随着军事需求而发展。

地面战场传感侦察系统最早由美国军方在越战时期推出，成功监测了胡志明小道的动向，并引导空军对其实施了封锁。

受此鼓舞,美国国防部国防高级研究计划局（DARPA：Defense Advanced Research Projects Agency（和美国国家科学基金委员会（NSF：National Science Foundation）联合资助了一系列研究计划，推动了以网络中心战为核心的新军事革命。

2003 年，美国陆军首席科学家安德鲁斯博士指出，未来作战系统将是一个网络化的、诸兵种合成的战斗系统，由无人值守地面传感器、智能武器系统及无人飞行器等组成，是多个系统组成的集成系统，各系统之间密切协同作战，从而明确了地面战场传感侦察系统在全球信息栅格网（GIG：Global Information Grid）中的地位。

2.3.2 地面传感器侦察系统的特点
地面战场传感侦察系统的传感器节点终端由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块组成，存在“四大受限（能源受限、处理能力受限、存储能力受限、通信能力受限）”的技术特点。

其中，传感器模块包括：声响、震动、磁敏、红外、温湿度、视频、生化、核辐射、组合气象等多种类传感器。

地面战场传感侦察系统通过人工布设、飞机空投、火炮发射等方式随机密集布设在边境地段、敌方纵深地域及其可能通过的地段和要道上，以短距低速通信方式迅速组成分簇、网状、树型等多种网络拓扑，推举的簇头通过单跳或多跳路由与隐蔽的汇聚节点相连，并通过中继器、无人机或卫星接入战场数据链，对敌方武装人员、轮式车、履带车、超低空飞行器等目标实施无人值守、昼夜监视地进行检测、识别、分类、定位和跟踪，将感知信息传送到远端的情报指挥中心，形成战场传感侦察情报，根据战场态势做出反应决策，完成火力控制、精确制导、电子对抗、辅助决策等作战意图，为作战指挥提供情报保障。

地面战场传感侦察系统是一种大规模的、动态可重构的、四大受限的自治协同信息系统。

当发生环境变化、能源耗尽、节点故障等影响时，网络拓扑结构容易动态变化，它能够充分利用节点布设的冗余度，自适应重构网络拓扑，发挥最终自愈合网络功能。

当传感器受风、雨、雪、温度、噪声、光照、地磁、地形等环境干扰时，它
能够通过单节点多种类传感器的数据融合降低虚警率，并通过多节点协同信息处理克服单节点感知能力的限制，提高目标识别率，改善目标定位和跟踪精度，形成准确的态势感知，缓解四大受限。

远程监控战场传感器系统（REMBASS ：Remotely Monitored Battlefield Sensor System）系列传感侦察装备器材是美军代表性的地面战场传感侦察装备。

2000 年，美国L-3COM 研制出RENBASS-II 第二代地面战场传感侦察装备AN/GSR-8(V)，如图2.2 所示。

它采用高速CPU 和更为先进的声响/震动目标识别、分类算法，增加了红外、磁敏传感器，可确定武装人员、车辆、坦克等目标的行进方向，具有全天时、全天候、各种地质条件下的侦察能力，体积、重量、功耗进一步减小。

图2.2 美军AN/GSR-8(V)传感侦察装备
2.4 超声波传感器及其原理分析
2.4.1 超声波概述
所谓超声波，是指人耳听不见的声波。

正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz）—20千赫兹（Hz）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。

超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射行和方向性。

超声波是波的一种，它的传播完全符合波的传播特点。

所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。

通常有如下三种波
形：
1.纵波波形：当介质中各体元振动的方向与波传播的方向平行是，此超声波为纵波波形。

任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。

2.横波波形：当介质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。

由于介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于介质时均能产生横波。

横波只能在固体介质中传播。

3.表面波波形：是沿着两种介质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。

表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在据表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。

总的来说与可闻波相比，超声波由于频率高、波长短，在传播过程中具有许多其特有的性质：
1.方向性好。

由于超声波的频率高，其波长较同样介质中的声波波长短得多，衍射相仿不明显，所以超声波的传播方向好。

2.能量大。

超声波在介质中传播，当振幅相同时，振动频率越高能量越大。

因此，它比普通声波具有大得多的能量。

3.穿透能力强。

超声波虽然在气体中衰减很强，但在固体和液体中衰减较弱。

在不透明的固体中，超声波能够穿透几十米的厚度，所以超声波在固体和液体中应用较广。

4.引起空化作用。

在液体中传播时，超声波与声波一样是一种疏密的振动波，液体时而受拉时而逐级压，产生近于真空或含少量气体的空穴。

在声波压缩阶段，空穴被压缩直至崩溃。

在空穴崩溃时产生放电和发光现象，这种现象称为空化作用。

也正是这些特点，使得超声波在工业、农业、医学、军事等众多方面都有着极其广泛的应用。

2.4.2 超声波传感器测距原理
超声波因其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，而经常用于进行各种测量。

如利用超声波在水中的发射，可以测量水深、液位等。

利用超声波测距，使用单片机系统，设计合理，计算处理也较方便，测量精度能达到各种场合使用的要求。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

有次可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为（2.1）
L=C×T （2.1）式中L—为测量的距离长度；
C—为超声波在空气中的传播速度；
T—为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微妙级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪便能达到毫米级的测量精度。

（美国国家半导体公司的LM92温度传感器的温度测试分辨率为0.0625℃，-10℃至+85℃准确度为±1.0℃，I2C总线接口。

用89C51的通用I/O端口能很容易的模拟I2C总线的读写时序,LM92的高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。

）
2.4.3 超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

1.时间误差。

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s,即
2.907ms。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1us的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm 的测量范围内。

2.超声波传播速度误差。

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

已知超声波速度与温度的关系如下：近似公式为：C=C0+0.607×T℃，式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度（℃）。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s，30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度。