電磁波輻射污染自動(dòng)跟蹤與預(yù)警電路的設(shè)計(jì)

作者/林明勇、林德耀、葉輕舟、黃國(guó)椿，福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院(福建福州350118)

電磁波輻射污染自動(dòng)跟蹤與預(yù)警電路的設(shè)計(jì)

作者/林明勇、林德耀、葉輕舟、黃國(guó)椿，福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院(福建福州350118)

本作品介紹了一款電磁波輻射污染的自動(dòng)跟蹤與預(yù)警電路的設(shè)計(jì)。該裝置以STC89C52單片機(jī)為核心的控制電路，低噪聲高頻放大電路、數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）頻率合成電路、混頻電路、頻率自動(dòng)跟蹤電路、中放電路和中頻整流濾波電路，轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)及顯示存儲(chǔ)等電路組成，能準(zhǔn)確地捕捉到空中電磁波最強(qiáng)輻射源的地理位置以及頻率與強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境輻射值超過(guò)人體的安全閥值時(shí)，本作品能根據(jù)輻射值的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)地將不同級(jí)別的輻射危害顯示在LCD液晶顯示屏上，同時(shí)以不同顏色的燈光向人們告警。作品致力于精益求精，確保系統(tǒng)工作起來(lái)更加節(jié)能、低碳，更加穩(wěn)定、可靠。

STC89C52單片機(jī)；自動(dòng)跟蹤；頻率合成；電磁輻射

1.前言

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，各種各樣的電子產(chǎn)品應(yīng)用而生。伴隨著被人們稱(chēng)為“隱形殺手”的電磁波輻射污染也日趨嚴(yán)重，充斥著人們生活空間。在輻射源中心的電磁波總是以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方式由近及遠(yuǎn)地向周?chē)臻g彌漫傳播出去，人體相當(dāng)于一個(gè)良性導(dǎo)體，自然而然地被電磁波所“浸泡”，而使人體受到傷害。所以對(duì)工作或生活在疑似電磁波輻射強(qiáng)度高區(qū)域的人們，電磁波輻射污染的預(yù)警意義重大。本作品是一款基于STC89C52單片機(jī)控制的電磁輻射污染的自動(dòng)跟蹤與預(yù)警裝置，該裝置通過(guò)低噪聲高頻接收放大電路、鎖相環(huán)（PLL）的控制的壓控振蕩電路、混頻后輸出38MHZ中頻信號(hào)，再通過(guò)兩級(jí)中頻放大后，由中頻整流濾波形成直流電壓，再由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，由單片機(jī)控制的程序不斷地輸出控制信號(hào)，驅(qū)使鎖相環(huán)（PLL)控制的頻率合成電路輸出30MHz～2GHz的高頻振蕩信號(hào)，不斷地與空中電磁波信號(hào)進(jìn)行混頻，尋找空中電磁波信號(hào)的最強(qiáng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了頻率的自動(dòng)搜尋并鎖定在輻射頻率最強(qiáng)的頻率點(diǎn)上。當(dāng)電磁波輻射值超過(guò)人體安全閥值的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警信息。

■1.1 創(chuàng)作動(dòng)機(jī)

電磁波輻射污染已被公認(rèn)為是在大氣污染、水質(zhì)污染、噪音污染之后的第四大公害。聯(lián)合國(guó)人類(lèi)環(huán)境大會(huì)已將電磁輻射污染列入必須控制對(duì)象之一。電磁波輻射無(wú)色、無(wú)味、無(wú)形，可以穿透包括人體在內(nèi)的多種物質(zhì)，人體如果長(zhǎng)期暴露在超過(guò)安全的輻射能量下，細(xì)胞就會(huì)被大面積殺傷或殺死，并產(chǎn)生多種病變。我們的作品能測(cè)量到周?chē)姶挪ǖ妮椛淞?，讓人們知道所處的空間是否處于安全狀態(tài)。

■1.2 創(chuàng)作目的

本設(shè)計(jì)的目的是要設(shè)計(jì)出一款能有效檢測(cè)周?chē)碾姶挪ㄝ椛鋸?qiáng)度，具有精度高、操作簡(jiǎn)單、成本低、綠色環(huán)保的電磁波輻射污染的自動(dòng)跟蹤與預(yù)警裝置。

■1.3 功能創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用STC89C52單片機(jī)控制的數(shù)字頻率合成鎖相環(huán)電路所輸出的高頻信號(hào)與有關(guān)電路配合能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捕捉空中電磁波的最強(qiáng)信號(hào)。

（2）搭載在云臺(tái)上面的天線在STC89C52單片機(jī)的控制下能自動(dòng)搜尋空中目標(biāo)，天線上的引向器能指向輻射源最強(qiáng)的信號(hào)方向。

（3）輻射量采用五級(jí)不同安全等級(jí)的LED燈光預(yù)警，LCD顯示屏能顯示輻射最強(qiáng)的信號(hào)頻率與輻射量，以便于人們識(shí)別。電磁波輻射安全值應(yīng)小于：240/Wcmμ ()。

2.電磁波自動(dòng)跟蹤與預(yù)警裝置原理簡(jiǎn)述

電磁波自動(dòng)跟蹤與預(yù)警裝置原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示首先供電電源由太陽(yáng)能提供，懸掛于露天公共場(chǎng)合搶眼的地方，以告示生活在周邊的居民。將天線接收到的高頻信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器放大后，輸送到混頻器與鎖相環(huán)（PLL頻率合成電路輸出的高頻振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻，取其差頻即中頻輸出，經(jīng)兩級(jí)中頻窄帶放大后，歷經(jīng)中頻整流濾波后形成直流電壓，再進(jìn)行ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后，輸入至STC89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)內(nèi)置的程序指令通過(guò)I/O端口輸出不同的(0,1)A、N值，驅(qū)使鎖相環(huán)（PLL）頻率合成電路在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)輸出一連串按一定時(shí)間間隔的不同頻率的高頻振蕩信號(hào)至混頻電路，如此循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行著，與定向天線同步旋轉(zhuǎn)不斷地搜尋空中的電磁波信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)將定向天線指向輻射源信號(hào)最強(qiáng)的方向，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏顯示信號(hào)的幅值與頻率值并通過(guò)電阻R30～R39，三極管VT10～VT14，發(fā)光二極管VD10～VD13、VD15分五級(jí)進(jìn)行燈光警示，當(dāng)發(fā)光二極管VD15即“5–綠色”被點(diǎn)亮，其余熄滅，表明電磁波輻射為安全值；反之當(dāng)發(fā)光二極管VD13～VD10即4–紫、3–黃、2–橙、1–紅分別只有逐個(gè)被點(diǎn)亮?xí)r，其余熄滅，電磁波輻射強(qiáng)度依次增強(qiáng)。

圖1 電磁波自動(dòng)跟蹤與預(yù)警裝置簡(jiǎn)圖

3.低噪聲高頻接收放大電路

低噪聲放大器如圖2所示。低噪聲放大器采用MOS管VT1 3SK318及外圍電路元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路原理如圖2所示。一個(gè)典型的實(shí)施實(shí)例中，如圖經(jīng)過(guò)調(diào)整后的3SK318的偏置電路各元器件值，當(dāng)供電電壓為5 V時(shí)，圖2中：V1=4.92 V，V2=4.82V，V3=0.98 V，V4=2.1 V， 此 時(shí) CMOS管放大器的增益為20 dB。

圖2 低噪聲放大器原理圖

4.混頻電路的設(shè)計(jì)

混頻電路一個(gè)典型的設(shè)計(jì)方案實(shí)施實(shí)例如圖3所示，電阻R6、R5、R8分別為混頻管VT1的上、下偏置電阻和發(fā)射極電阻，高頻信號(hào)RF in通過(guò)電容C6耦合輸入至三極管VT1的基極，頻率合成的振蕩源信號(hào)從電容C7輸入至三極管VT1的發(fā)射極進(jìn)行混頻，假設(shè)輸入的兩種信號(hào)：

兩者信號(hào)混合后 u( t) = u0( t) +us( t )。

三極管be結(jié)的伏安特性：

圖3 混頻電路

將（1）代入（2）得：

從上述數(shù)學(xué)推導(dǎo)中獲悉，當(dāng)高頻輸入信號(hào)us與本振信號(hào)u0兩者經(jīng)過(guò)三極管be結(jié)的非線性器件后，所產(chǎn)生的直流分量（a0），基波分量（ ω0、 ωs）、二次諧波分量（2ω0、2ωs）、和頻分量（ ω0+ωs）、差頻分量（ω0?ωs） 等信息。

在圖3所示的混頻三極管集電極回路的中周T1初級(jí)線圈回路與電容C9諧振于差頻分量（ ω0?ωs）即中頻ωI，在中周T1的次級(jí)經(jīng)電容C12、C13分壓后從IF out輸出口即可取出中頻信號(hào)。

5.中頻放大與中頻整流電路

■5.1 中頻放大電路

中頻放大及中頻整流電路典型的實(shí)施實(shí)例如圖4所示，三極管VT2、VT3分別為兩級(jí)窄帶單調(diào)諧放大器，電阻R15、R16、R17分別三極管VT2的上、下偏置電阻和發(fā)射極電阻，電阻R19、R20、R21分別三極管VT3的上、下偏置電阻和發(fā)射極電阻，電容C15、C21分別為三極管VT2、VT3的發(fā)射極旁路電容，中周T2、T3的初級(jí)分別與電容C17、C23構(gòu)成諧振回路，諧振頻率為38MHz，采用中頻電路窄帶臨界調(diào)試法，總增益可達(dá)54dB。

中頻電路窄帶臨界調(diào)試法：以BT3C頻率特性測(cè)試儀作為電路調(diào)試儀器，將被測(cè)電路的幅頻特性曲線先調(diào)到臨界自激狀態(tài)，其諧振頻率略高于中頻(38MHz),然后將曲線的諧振頻率調(diào)低至臨界自激現(xiàn)象消失，且頻率為38MHz為止，此時(shí)單調(diào)諧電路的增益最大、帶寬窄，選擇性好，放大器的放大量達(dá)到了接近極限放大狀態(tài)。

圖4 中頻放大與中頻整流電路

何謂放大器的自激狀態(tài)：采用BT3C頻率特性測(cè)試儀對(duì)電路的調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)電路LC回路的諧振點(diǎn)處于某一頻率點(diǎn)時(shí)，屏幕上曲線高度突然飆升，即增益劇增，上述現(xiàn)象稱(chēng)之為放大器在這一頻率點(diǎn)上產(chǎn)生了自激。

當(dāng)放大器在靜態(tài)直流工作點(diǎn)設(shè)置合理的情況下，無(wú)論L、C參數(shù)經(jīng)過(guò)怎樣的調(diào)整，電路仍處于自激或自激振蕩狀態(tài)，說(shuō)明電路有關(guān)參數(shù)調(diào)整得不恰當(dāng)，主要原因有：①回路的阻尼電阻阻值取得太大，導(dǎo)致回路的Q值太高；②諧振回路L、C參數(shù)材料選取不佳或兩者數(shù)值搭配不妥，導(dǎo)致回路Q(chēng)值太高，造成曲線過(guò)于尖銳、增益過(guò)高；③電路的交流旁路電容、耦合電容取得不合適，導(dǎo)致在某些特定頻率下放大量過(guò)大；④印制板上元器件布局或電路PCB板走線、地線覆銅不合理，導(dǎo)致本級(jí)、級(jí)與級(jí)之間的元器件、走線與走線之間存在緊耦合或過(guò)耦合，造成某些頻率放大量太大，滿足了電路振蕩時(shí)的幅度與相位條件而產(chǎn)生自激振蕩等原因。只要上述一個(gè)或一個(gè)以上事實(shí)發(fā)生時(shí)，均會(huì)引起單調(diào)諧放大電路的自激或自激振蕩。因此在調(diào)試中務(wù)必要善于掌握技巧、總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，不斷地提高自己的實(shí)踐動(dòng)手能力。

■5.2 中頻整流電路

中頻整流電路典型的實(shí)施實(shí)例如圖4所示，電阻R22、R23給二極管VD1提供起始偏置電壓，讓VD1硅二極管1N4148在靜態(tài)時(shí)處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，確保在微弱的中頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，二極管VD1也處于導(dǎo)通狀態(tài)。電容C26為中頻旁路電容，相當(dāng)于中周T3次級(jí)下端對(duì)地短接，T3次級(jí)上端的中頻信號(hào)通過(guò)電阻R24、二極管VD1整流、電容C27濾波后，在電阻R25兩端形成直流電壓輸出至ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

6.單片機(jī)控制的頻率合成及其相關(guān)電路

■6.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

（1）頻率合成的鎖相環(huán)（PLL）電路：基本的鎖相環(huán)路是由鑒相器(MC145152AP），環(huán)路濾波器(OP07)和壓控振蕩器(VCO)組成的自動(dòng)相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)（PLL）電路

MC145152AP鑒相器是相位比較裝置，Ui(t)作為基準(zhǔn)信號(hào)，Uc(t)由壓控振蕩器Uo（t）經(jīng)MC12022AP預(yù)分頻而來(lái)Uc(t)信號(hào)在單片機(jī)輸出的（0，1）A、N值控制下進(jìn)行再次分頻，然后兩者進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓Ud（t），經(jīng)環(huán)路有源濾波（OP07）后濾除誤差電壓，即Uc(t)中的高頻分量及噪聲形成直流電壓去控制壓控振蕩器的頻率，使之保持穩(wěn)定。

環(huán)路濾波輸出的電壓去控制壓控振蕩器的工作狀態(tài)，使振蕩器頻率不斷地向基準(zhǔn)信號(hào)的頻率靠攏，兩者的差拍頻率越來(lái)越低，直至使兩者的頻率、相位相同為止。所以鎖相就是壓控振蕩器被一個(gè)外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)控制，使得壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位和外來(lái)信號(hào)保持一致，達(dá)到鎖定的目的。

（2）單片機(jī)及其相關(guān)電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其相關(guān)電路如圖6所示，由于受篇幅限制，作者只能把最精華的部分及其制作的思路告訴讀者。即在單片機(jī)指令控制下，I/O端口在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按一定的步長(zhǎng)輸出不同的（0，1）A、N值，再輸入到頻率合成電路的MC145152AP的相應(yīng)端口，驅(qū)使該電路輸出不同的系列頻率信號(hào),通過(guò)電容C7輸入到混頻管VT1的發(fā)射極，與基極輸入的高頻信號(hào)進(jìn)行混頻，在集電極通過(guò)中周T1和電容C9等構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)取出中頻信號(hào)，經(jīng)三極管VT2、VT3兩級(jí)中頻放大，再經(jīng)過(guò)二極管VD1、電容C27、整流濾波后在電阻R25上形成直流電壓，經(jīng)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入給單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，引入C語(yǔ)言的冒泡排序法，首先單片機(jī)CPU先發(fā)出指令，令天線旋轉(zhuǎn)1度所需時(shí)間為一個(gè)小周期，旋轉(zhuǎn)一周360度為一個(gè)大周期，即完成一個(gè)循環(huán)。在一個(gè)小周期內(nèi)，一個(gè)典型的實(shí)施實(shí)例中單片機(jī)驅(qū)使頻率合成電路輸出以步長(zhǎng)為1MHz，頻率為30MHz～2GHz的范圍內(nèi)，單片機(jī)I/O端口在程序的驅(qū)動(dòng)下不斷地輸出不同（0，1）的A、N值，迫使相關(guān)電路不斷地搜尋空中的電磁波信號(hào)，將A/D第一次采集的數(shù)值存入到一個(gè)指定內(nèi)存的數(shù)組中，與第二次采集的數(shù)值進(jìn)行比較，取大者存入并覆蓋其原數(shù)組的值，第三次采集的數(shù)值再與之比較取其大者存入并覆蓋原數(shù)組,如此反復(fù)進(jìn)行，一個(gè)小周期內(nèi)取其數(shù)值的最大者，并存入到原內(nèi)存數(shù)組中。以此類(lèi)推，在歷經(jīng)360個(gè)小周期后，形成一個(gè)大周期即完成一個(gè)搜尋循環(huán)； 也就是說(shuō)天線旋轉(zhuǎn)一圈，由360個(gè)小周期組成的一個(gè)大周期的一個(gè)循環(huán)內(nèi)的最大值，即電磁波輻射最強(qiáng)的值存入到原數(shù)組中。

圖6 電磁波輻射污染與自動(dòng)跟蹤原理圖

在一個(gè)大循環(huán)結(jié)束后，單片機(jī)調(diào)取數(shù)值最大值的有關(guān)信息，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路將天線的引向器指向電磁波輻射最強(qiáng)的地理位置。同時(shí)液晶顯示屏顯示其電磁波的幅值，并顯示五級(jí)安全級(jí)別的其中一種，伴有五級(jí)LED燈光警示。

■6.2 軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示，其基本設(shè)計(jì)思想依據(jù)框圖的內(nèi)容運(yùn)行著。

部分主程序如下

#include

#include

#include “1602.h”

#include “delay.h”

#include “KEY.H”

/＊＊＊＊ADC0809 引腳定義 ＊＊＊＊/

sbit CLK=P2^6;

sbit ST=P2^3;

sbit ALE=P2^7;

sbit OE=P2^5;

sbit EOC=P2^4;

sbit ADDA=P3^5;

sbit ADDB=P3^6;

sbit ADDC=P3^7;

sbit bee=P3^1;

static fl oat V_cun=0.0; //浮點(diǎn)變量

static fl oat V_cun1=0.0; //浮點(diǎn)變量

圖7 軟件設(shè)計(jì)方框圖

7.結(jié)論

電磁波輻射污染的自動(dòng)跟蹤與預(yù)警意義重大，不僅能對(duì)身邊的電磁波輻射起到預(yù)警的作用，還能喚起制作者的興趣，尤其是在校大學(xué)生，能激發(fā)大學(xué)生對(duì)高頻電子線路、單片機(jī)、C語(yǔ)言設(shè)計(jì)等學(xué)科學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，把課本單調(diào)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為趣味的學(xué)習(xí)與實(shí)踐過(guò)程，能充分挖掘大學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力與實(shí)際動(dòng)手能力，是一個(gè)很好的訓(xùn)練課題。

＊ [1]高吉祥,高廣珠主編.高頻電子線路[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016. ＊ [2]楊拴科主編.模擬電子技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：高等教育出版社,2017.2.

＊ [3]Jorge L. Olenewa著.無(wú)線通信原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2016.06.

＊ [4]羅建標(biāo), 陳岳武編著.通信線路工程設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)[M]北京:人民郵電出版社,2012.

＊ [5]陸利忠,等.電子線路與電子系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.