一種基于單片機的電磁輻射檢測系統(tǒng)

摘 要： 介紹了一種基于單片機的電磁輻射檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能感應(yīng)、檢測筆記本電腦、電磁爐等常用電子電器產(chǎn)品使用過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號，并顯示其能量密度和場強值。當測量值超過國家標準值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音。電磁輻射信號由系統(tǒng)感應(yīng)天線接收，經(jīng)檢波、濾波和放大電路處理送模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的值由單片機讀入，經(jīng)代入相關(guān)公式計算得出電磁輻射相關(guān)參數(shù)值。系統(tǒng)具有功耗少、成本低、測量便捷等特點。實驗結(jié)果證明該系統(tǒng)可快速顯示電磁輻射相關(guān)參數(shù)，對電磁環(huán)境評估有一定的參考和實用價值。

關(guān)鍵詞： 單片機； 電磁輻射； 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片； 能量密度

中圖分類號：TP368.2 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）11-09-03

0 引言

電磁輻射，是一種復(fù)合的電磁波，以相互垂直的電場和磁場隨時間的變化而傳遞能量，這些能量是由電荷運動所產(chǎn)生的，日益危害著人們的健康。由電荷運動產(chǎn)生的電力廣泛應(yīng)用于人類的生產(chǎn)和生活中，人類不可避免地被各種能量的電磁輻射包圍著。國外大量研究表明，電磁輻射對人體的傷害通常是負面的。電磁輻射污染已成為繼大氣污染、水污染和噪音污染之后的人類第四大環(huán)境污染[5]，聯(lián)合國人類環(huán)境大會已將其列入必須控制的主要污染物之一[6]。

隨著人們健康意識和環(huán)保意識的不斷增強，研究開發(fā)一款檢測電磁輻射的系統(tǒng)來顯示電磁輻射量十分必要，這樣人們可以根據(jù)國家制定的電磁輻射相關(guān)標準值來判斷是否必要采取一定的防護措施。本文介紹一種基于單片機的電磁輻射檢測系統(tǒng)，采用單片機對電磁輻射相關(guān)參數(shù)進行處理，具有速度快，準確度高，性價比高等特點，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)有一定的實用價值。

1 總體設(shè)計及工作原理

基于單片機的電磁輻射檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由感應(yīng)天線部分、檢波濾波和放大部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、AT89S52單片機控制部分、顯示和報警部分等組成。系統(tǒng)硬件基本組成如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計

⑴ 電源部分

電源部分采用9v電源輸入，利用兩個穩(wěn)壓管產(chǎn)生±5V電壓，對單片機及整個外圍電路進行供電。其原理圖如圖2所示。

⑵ 感應(yīng)天線部分

利用電磁場能在高頻二極管中產(chǎn)生電流的效應(yīng)，系統(tǒng)將9個1N60二極管串聯(lián)用作系統(tǒng)感應(yīng)天線來檢測電磁輻射，其焊接電路如圖3所示。

經(jīng)反復(fù)試驗，通過該天線，儀器可以方便快捷地檢測出100khz到3Ghz寬頻的電磁輻射相關(guān)參數(shù)值。

⑶ 濾波放大部分

為得到穩(wěn)定的測量量，電路中采用了低通濾波電路和運放電路，放大模塊的第一級采用共模抑制比高、線性度好、低功耗運算放大器AD620，第二級采用高精度、低失調(diào)電壓型的運放OP07。這兩級的放大能滿足低噪放大器的噪聲系數(shù)要求及頻帶較寬的要求。系統(tǒng)濾波放大部分電路圖如圖4所示。

⑷ 模數(shù)轉(zhuǎn)化部分

① 轉(zhuǎn)換器件簡介

TLC549是TI公司生產(chǎn)的一種低價位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于17us，最大轉(zhuǎn)換速率為40000HZ，4MHZ典型內(nèi)部系統(tǒng)時鐘，電源為3V至6V，可廣泛用于構(gòu)成各種廉價的測控應(yīng)用系統(tǒng)。其引腳圖如圖5所示。

② 將A/D轉(zhuǎn)換芯片采集到得電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù)值，其模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的電路圖如圖6所示。

TLC549為8引腳器件，將讀入的電壓數(shù)據(jù)除以256，乘以Vcc（=5v）即得到天線采集到的電壓信號數(shù)據(jù)值。通過公式Er=data*Vcc/256（其中data為讀入的數(shù)據(jù)，Vcc為芯片電壓數(shù)據(jù)值，Er為測量所得電平）可得到天線采集到的電壓信號的電平值。將其分別代入公式1和公式2，即可分別求得相應(yīng)電磁輻射的場強和功率密度。相應(yīng)公式如下：

⑸ 顯示報警部分

顯示部分采用LCD1602液晶，它是一種專用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。它能顯示2行每行16個字符共計最多32個字符。

該顯示模塊具有功耗少、體積小、內(nèi)容顯示豐富、薄且輕巧等特點，常用于袖珍式儀表及低功耗的應(yīng)用系統(tǒng)中。顯示模塊如圖7所示。

系統(tǒng)報警部分采用蜂鳴器設(shè)計，若感應(yīng)點采集到的電磁輻射相關(guān)值超過國標規(guī)定，則通過蜂鳴報警器發(fā)出報警聲響。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)，以提高設(shè)計運行效率。系統(tǒng)程序主要涉及數(shù)據(jù)的檢測、采集、處理、顯示和報警等四部分，具體包括主程序、數(shù)據(jù)檢測子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、按鍵子程序、報警子程序等。系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)功能為單片機相關(guān)組成部件的初始化，負責調(diào)度系統(tǒng)各子程序，負責提供A/D轉(zhuǎn)換的輸入時鐘信號，實時獲取并處理相關(guān)設(shè)備信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)軟硬件資源的協(xié)調(diào)統(tǒng)一管理。系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖8所示。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過對某筆記本電腦的觸摸板進行測量，得到功率密度值如表1所示。

由表1我們可知，距該筆記本電腦20cm外電磁輻射功率密度值遠低于國標40μw/cm2的電磁輻射功率密度值。因而，我們只要在使用筆記本電腦時，保持合理的間距就可以很好地保護自身，就可盡可能少地遭受電磁波輻射。經(jīng)多次實驗我們發(fā)現(xiàn)，大部分電器工作時產(chǎn)生的電磁輻射功率密度值隨著人們與其距離的增加而急劇減小。因而，日常生活中，我們大可不必對使用電子電器產(chǎn)生恐慌的心理，只要保持合理的使用距離和遵循正常的使用習慣，電磁輻射對我們的負面影響便可盡可能地減少。

5 結(jié)束語

本文所介紹的系統(tǒng)能較好地對儀器感應(yīng)天線處電磁輻射的電場強度和功率密度參數(shù)做出快速檢測，當功率密度值超過國家標準時，系統(tǒng)能發(fā)出報警聲音。該系統(tǒng)采用單片機進行數(shù)據(jù)處理和控制，可以方便、快捷地檢測出電磁輻射相關(guān)參數(shù)值，具有功耗少、體積小、成本低、測量便捷、易攜帶等特點，有一定的參考和實用價值。系統(tǒng)可用于家用電器等電子產(chǎn)品的電磁輻射相關(guān)參數(shù)的檢測。由于采用的感應(yīng)天線的局限性，以及受限于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)在電磁輻射的感知的方向性和精確度上還有一定的提升空間，今后將進一步研究克服上述問題，改進和提升系統(tǒng)的性能及表現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 劉波文.51單片機C語言應(yīng)用開發(fā)三位一體實戰(zhàn)精講[M].北京航空航天大學出版社，2011.

[2] 陳海宴.單片機經(jīng)典實戰(zhàn)——大學生項目創(chuàng)新實踐[M].北京航空航天大學出版社，2011.

[3] 高衛(wèi)東.51單片機原理與實踐（C語言版十二五高等院校規(guī)劃教材）[M].北京航空航天大學出版社，2011.

[4] 侯喜程.電磁輻射污染與監(jiān)測綜述[J].能源與節(jié)能，2011.3.

[5] Harold I. Zeliger， Electromagnetic Radiation and Toxic Exposure[J].Human Toxicology of Chemical Mixtures，2008.105（1）：245-258

[6] Stephen J. Genuis， Fielding a Current Idea： Exploring the Public Health Impact of Electromagnetic Radiation[J]. Public Health，2008.122（2）：113-124