基于单片机应用的红外毫米波复合传感器设计-开题报告

一、国内研究现状

我国传感器行业虽然起步较早，但直到1986年“七五”开始才正式将传感器技术列入国家重点攻关项目，展开机械敏、力敏、温敏、气敏、生物敏为主的五大敏研究。经过几十年的反战，现已形成了一定规模的产业格局，其特点有：

厂商多，上规模的企业少。

地区发展不平衡。

品种多，档次不高。目前国内主要传感器产品1000多种，国产敏感元器件950种，基本涵盖了信息采集的各种领域。但是，水平还处在国际80年代末或90年代初的水平。

生产研发多以大学和研究所为依托，专业公司少。

当然，从80年代开始发展传感器技术至今，也取得了一些骄人的成绩，虽然规模有限但也给了我们信心，看到前途的光明。

综合实力得到加强  目前全行业职工总数约42万人，固定资产5亿元，共引进50多条生产线与专用设备。传感器行业产值每年都以（10~15）%的速率增长。

拓宽了开发领域  已经由过去的少数品种扩展到光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏、生物敏等各种传感器，以及变送器、二次仪表等多种类、多形式产品，与国外研制领域相当。同时形成了近40个院校、研究所的骨干科研队伍。

扩大了生产规模  热敏电阻器、ZnO压敏电阻器、可燃性气体传感器、光电二极管等十几个品种已形成一定规模的生产能力。经过“九五”阶段的努力，已建成敏感技术国家重点实验室，包括南北两部分（北方在北京中科院电子所，南方在上海冶金所）。此外，还建立了传感器国家工程研究中心。

二、国外研究现状

传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术与通信技术和计算机技术列为同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。传感器技术作为国内外公认的具有发展前途的高新技术，正得到空前迅速的发展，并且在相当多的领域越来越广泛地利用。

目前，全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用研发，研发机构达6000余家，其中以美、德、日、俄实力较强。“SENSOR+TEST”传感器展览会与“SENSORSEXPO”传感器展览交流会是欧洲和北美地区最大和最专业的传感器和传感器系统集成展会，汇集欧洲与美国的绝大部分传感器与仪表制造厂商，其展出产品在很大程度上代表了当前全球范围内先进传感器的发展趋势。

展出的传感器类型主要有:MEMS传感器、光纤传感器、气体传感器、无线传感器等。从目前各类传感器的应用领域范围和市场销售增长情况可以预测出：在未来10年甚至更长的时间，MEMS传感器技术、光纤传感技术、气体传感技术及无线传感技术仍将是传感器领域的发展重点，而且应用将渗透各个领域。

美国飞思卡尔（Freescale）公司是用于汽车领域的MEMS传感器的主要供应商，生产的产品主要有：MEMS卫星压力传感器、MEMS卫星加速度传感器、MEMS惯性传感器和MEMS低g传感器。

三、存在问题

单传感器易受天气、早晚光线的影响，同时单传感器也容易受到人工的针对性措施影响，从而使得传感器的精度和可靠性受到影响，具有更高的抗干扰能力的双模复合、三模复合传感器逐渐成为趋势，其中双模复合传感器常用的复合方式是红外和毫米波。

在红外毫米波复合体制中，目前普遍倾向于选用居于频谱中间的毫米波和红外传感器。毫米波良好的穿透性能弥补了红外传输性能差的缺点，从而增强了传感器的环境适应能力。与红外传感器相比，毫米波雷达的距离分辨率高，波束宽，适于大范围搜索截获目标，并且毫米波能从目标发射波中提取频谱、幅度、相位、极化等多种信息，弥补红外在这些方面的不足。另一方面，红外传感器的角分辨率高，盲区小，克服毫米波目标闪烁漂移大的缺点。同时红外传感器在阳光直射的情况下测距能力大幅度下降，但毫米波传感器并不受此影响。它们互为补充从而大大提高了传感系统的准确度和抗干扰能力。

基于单片机应用的毫米波传感器存在的本振泄露问题等，零中频接收机的本振频率与接收信号频率相同，如果混频器的本振口与射频口之间的隔离性能不好，本振信号就很容易从混频器的射频口输出，再通过低噪声放大器泄漏到天线，辐射到空间。而由于本振泄漏，则会带来直流偏移以及三角波泄漏等问题。在这一方面采用带通中频放大电路处理中频信号，抑制三角波泄露的低频信号，放大接收信号以获取足够大的信噪比，采用ADC采样时能够顺利分离三角波泄露；直流偏移是零中频方案中由于隔离度不足混频引入的干扰，会使噪声变大，可能使中频放大电路饱和，无法放大有用信号。

基于单片机应用的PCB隔离问题等，由于中频输出信号为高频信号，存在高频耦合的问题，在同一电路为了防止电路内部的耦合，也可采用隔离方式处理，并将隔离罩接地，亦可降低接地地阻抗。另外，在电源供给线上串连电感或磁环，并可加入贯穿电容，以防止高频经电源线耦合。通常情况下，PCB layout 时考虑将数字地与模拟地分割，使用隔离电源的方式进行供电，隔离地之间使用单点接地方式，以此降低互相之间的干扰。

基于单片机应用的I2C设备数量限制和传输距离限制等，红外传感器采用I2C作为通讯总线， I2C是一种半双工同步串行总线，采用双线制（SCL和SDA）单片单片机可以挂的设备受限，在某些应用中的成本增加，如需大量使用传感器的360°防碰撞系统中。

基于单片机应用的红外传感器易受太阳光的影响等，这是主动式红外传感器的通病，红外传感器的接收部分一般采用雪崩光电二极管，这是一种利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的固体微波器件，在足够强度的太阳光下，红外传感器可靠性会大大降低，误测率上升，对传感器的全天候能力作出挑战。因此，在不同环境下，是需要调整传感器的可信任度，即降低红外传感器的权重值。

基于单片机应用的复合传感器实时性的问题，一方面受限于ADC采样的能力和单片机的性能，另一方面I2C作为一种半双工总线，受限于传输速率和设备的处理时延，这导致整个复合传感器的实时性会有一定的问题，常规的裸机编程方式是顺时运行的，必然存在一定的时差，如果采用RT-thread、UCOS等实时操作系统可以更好的规划资源和性能，但就实时操作系统的原理而言，在本质上，并不能做到“实时”，所以在性能要求更高的场合，是需要选用FPGA或CPLD等逻辑阵列可编程电路。

B. ^范文提纲格式

摘要

一、引言

二、国内外研究现状

三、基于单片机应用的复合测距传感器设计

（一）基于单片机应用的毫米波传感器

（二）基于单片机应用的的红外传感器

（三）基于单片机应用的复合传感器集成电路设计及代码设计

四、基于单片机应用的传感器融合

（一）基于单片机应用的卡尔曼滤波算法

（二）基于单片机应用的方案优化

五、结论

C. 参考文献

蒋张涛.末敏复合探测器技术与探测概率研究[D].南京理工大学,2016.

李洋.近程雷达多目标识别管技术研究[D].电子科技大学,2015.

陈晨.红外/毫米波复合信号处理方法及电路设计[D].南京理工大学,2015.

贺振强.红外/毫米波复合体技术研究[D].南京理工大学,2012.

张红月.一种新型的主动式汽车防碰撞系统的研究[J].电子世界,2018(9).

蒋陈缘.基于红外毫米波非接触式人体维度测量的研究[D].电子科技大学,2020.

宋金波，段志伟.基于STM32的人体目标检测与追踪系统[J].吉林大学学报：信息科学版,2020(7):38-4.

赵锴.汽车防碰撞系统雷达设计与信号处理[D].青岛理工大学,2017.

王战古.大型客车环境感知系统设计及前方障碍物检测方法研究[D].山东理工大学,2018.

 席在芳.基于激光测距的汽车防碰撞系统设计[J].电子世界,2017(5).

 刘永祥,李洪,黎湘.红外/毫米波复合制导目标识别技术研究[J].现代雷达,2002(9).

 罗宁LuoNing.基于红外测距传感器的倒车雷达系统设计[J].价值工程,2013(7).

 张颖华.复合传感器的最新技术动向[J].机械视野,1995(10).

 Stephen Prata.《C Primer Plus》[M]：人民邮电出版社,2016.

 丁鹭飞,陈建春.《雷达原理》[M]：电子工业出版社,2009.

 蒙博宇.《STM32自学笔记》[M]：北京航空航天大学出版社,2014.

 Joseph Yiu,吴常玉,程凯.《ARM Cortex-M3 权威指南》[M]：清华大学出版社,2014.

 邱关源.《电路(第五版)》[M]：高等教育出版社,2015.

 于慧敏.《信号与系统(第二版)》[M]：化学工业出版社,2016.

 谭浩强.《C程序设计(第四版)》[M]：清华大学出版社,2016.

 周洪玉.《数据结构》[M]：清华大学出版社,2011.

 庞丽萍.《计算机操作系统》[M]：人民邮电出版社,2010.

 Zhang S , Wan B, Jie Y , et al. Application of Far-Infrared and Millimeter Wave Techniques in Plasma Diagnostics in Hefei Tokamaks[J]. International Journal of Infrared & Millimeter Waves, 2001, 22(2):209-216.

 Lei H, Zhang X C. Broadband detector measures IR, millimeter & THz waves [C]. 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. IEEE, 2009.

 Tecpoyotl-T M , Solovyev D, Grimalsky V , et al. Millimeter wave and infrared electronics for investigations of acoustic-electromagnetic phenomena due to activity of Popocatepetl volcano[C]. International Kharkov Symposium on Physics & Engineering of Millimeter & Sub-millimeter Waves. IEEE, 2001.

 Zhang X, Ma LHe C, et al. Target tracking with infrared imaging and millimetre-wave radar sensor [C]. IET, 2013.