基于北斗定位技術(shù)的居民環(huán)境電磁水平的研究

周思佩 朱艷鋒 劉玉飛

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.079

摘 要：隨著對電磁輻射的不斷研究，電磁干擾問題引起了人們的重視，其產(chǎn)生的危害也不容忽視，所以對周邊居民環(huán)境電磁水平的檢測成為首要解決的問題。在此設計了一種利用北斗定位技術(shù)進行的周邊磁場強度的測量系統(tǒng)，詳細地介紹了硬件原理和軟件流程。該測量系統(tǒng)主要由新型帶狀線結(jié)構(gòu)的近場磁場探頭、混頻電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、北斗定位、顯示器等模塊組成。由探頭采集高頻信號，通過NE602混頻芯片調(diào)制為中頻信號，經(jīng)AD620放大電路以及AD7793采樣電路傳輸?shù)?0C51單片機，并讀取北斗定位坐標傳送給LCD12864顯示，從而實現(xiàn)測量當?shù)氐碾姶泡椛渌健?/p>

關(guān)鍵詞：電磁輻射 磁場探頭 混頻 STC89C51 北斗定位

中圖分類號：P22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0079-04

Study on the Electromagnetic Level of Residents Environment Based on the Beidou Positioning Technology

Zhou Sipei Zhu Yanfeng Liu Yufei

（School of Electroics and Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing Jiangsu， 210044， China）

Abstract：With the research of electromagnetic radiation， electromagnetic interference problem has attracted people's attention， the harm of its also nots allow to ignore， so on surrounding residents environmental electromagnetic level detection become the primary problem. In this design a kind of using beidou positioning technology of the magnetic field intensity measuring system， this paper introduces the hardware principle and software flow in detail. The measurement system is mainly composed of new stripline structure of near field magnetic field probe， mixing circuit， amplifying circuit， A/D conversion circuit， single-chip microcomputer control circuit， beidou positioning， display module， etc. High frequency signal by the probe acquisition by NE602 mixer chip for intermediate frequency modulation signal， the AD620 amplifier circuit and AD7793 sampling circuit transmission to 80 c51， and reads the beidou positioning coordinates to LCD12864 display， so as to realize the electromagnetic radiation of measuring the local level.

Key Words：Electromagneticradiation； Magneticfieldprode； Mixing； STC89C51； Beidou navigation and positioning

眾所周知，電磁輻射形成干擾源之后，不僅能影響通訊，影響心臟起搏器功能，影響精密儀器的精確運作，有時甚至可能引起炸彈引爆，迫使飛機異常起飛或降落[1]。最重要的是，它們也對人們的身體健康造成了直接的影響。目前，有關(guān)居民環(huán)境的電磁干擾問題已引起了世界各國及有關(guān)國際組織的普遍關(guān)注[2]。因此需要測量居民周邊的電磁場強度，來了解電磁輻射情況。

文章所提出的基于北斗定位技術(shù)的電磁探測系統(tǒng)可以把探測的每一個位置坐標與電磁輻射水平結(jié)合起來構(gòu)成整個居民環(huán)境的電磁輻射水平圖。未來只要手持該設備沿著居民小區(qū)走幾圈就可以得到整個小區(qū)的電磁輻射水平圖，有助于普通居民簡單地探測生活中的電磁輻射情況，了解自己所處的環(huán)境，對于居民的生活有極大的意義。

1 電路功能模塊介紹

系統(tǒng)的整體技術(shù)框圖如圖1所示，由探頭接收、混頻電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路組成。下面具體闡述各電路的功能實現(xiàn)過程。

1.1 探頭接收

傳感器探頭是檢測電磁信號的基礎，其質(zhì)量的好壞對電磁輻射信號的接收性能有很大影響。此次設計采用一種新型帶狀線結(jié)構(gòu)的近場磁場探頭[3]，其具有探頭直徑尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、空間分辨率較好、測量頻帶范圍較寬等優(yōu)點。該探頭通過帶狀線結(jié)構(gòu)以及圓環(huán)狀的導帶末端，總體呈對稱結(jié)構(gòu)，采用SMA（sub-mininature-A）接頭進行饋電，所以可以達到很好的屏蔽電場作用。帶狀線（特性阻抗Z0=50Ω）結(jié)構(gòu)探頭具體相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)其設計原理，當磁場垂直穿過探頭的環(huán)面，則探頭的輸出電壓可近似表示為：

ds （1）

其中，μ0為真空磁導率，H為探頭導帶圓環(huán)中心的磁場強度，S為探頭的圓環(huán)面積，ω由磁場的頻率決定。所以只需測出探頭的輸出電壓，即可通過公式（1）求出該處的磁場強度。但是由于探頭測得的信號為幾百兆的高頻信號，所以需要通過混頻將其調(diào)制為中頻信號，才可方便測量。

1.2 混頻電路

在此次設計中采用混頻芯片NE602完成混頻過程。NE602的輸入和輸入阻抗在低頻時約為1.5 k，并隨頻率的增大而減小。輸入信號在混頻前先被放大，其電壓增益約為10。其中，混頻模塊電路圖具體如圖3所示。在NE602的本振電路中，采用簡單的考畢茲（Colpitts）晶體振蕩器[4]。它使用基波型晶體，振蕩頻率可達20 MHz。C1、C2組成反饋網(wǎng)絡，它們的數(shù)值必須準確，可按下面的公式計算：

（2）

（3）

其中，F(xiàn)為基波型晶體的頻率，單位是MHz，電容容量單位為pF。

1.3 放大電路

由于從混頻器出來的中頻信號幅值仍較小，所以需要對其進行放大。此設計中所用的放大器為常見的儀表放大器AD620[5]。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7 kΩ，因而增益方程式為：

G=49.4 kΩ/RG+1 （4）

在此次設計中需對微小信號放大100倍，使得采樣更為精準。所以由公式（4）得，應選用RG的值約為498 Ω。

1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換

當放大后的信號傳到數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊時，選用常見的AD轉(zhuǎn)化芯片AD7793對其進行采樣。AD7793是一款適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲的24位Σ-Δ型ADC[6]。AD7793可以采用內(nèi)部時鐘或外部時鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設置。AD620與AD7793的外圍電路圖具體如圖4所示。

1.5 單片機控制電路

此次選用STC89C51單片機作為控制核心。單片機采用內(nèi)部振蕩方式，只需通過單片機的XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接進入內(nèi)部時鐘發(fā)生器，如圖5所示。外接晶體振蕩時，需要加入電容使其快速起振以及穩(wěn)定振蕩頻率，常選用30 pF這一典型值。除此之外，為了減少寄生電容，更好地保障振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，諧振器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近[7]。

最后此系統(tǒng)通過單片機對一定時間內(nèi)的AD采樣數(shù)值求平均值，以減少誤差，得到當前的電壓幅值V。而初始信號的電壓幅值經(jīng)過調(diào)頻器20 dB、放大器40 dB放大，再考慮到電路中的噪聲影響大約3 dB，所以可以得到當前電壓值V與初始電壓值的關(guān)系，如公式（6）所示：

20dB+40dB+3dB=63dB （6）

因此可以得到的值，再根據(jù)公式（1），即可求出當前的電磁場強度。然后由單片機輸出到液晶屏LCD12864，同時單片機從北斗芯片中獲取當前定位坐標，一并輸出顯示，即可完成測量顯示當前坐標的電磁強度。之后在該區(qū)域不同位置記錄下當前數(shù)值，便可完成測量當前區(qū)域的電磁輻射情況，利用電腦即可畫出電磁輻射水平圖。

2 軟件設計

軟件設計采用模塊化設計，由主程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示輸出模塊等組成。單片機開機后經(jīng)初始化，獲取A/D采樣數(shù)值，對數(shù)據(jù)處理后，在液晶屏上顯示磁場強度以及經(jīng)緯度坐標。軟件流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語

電磁輻射形成干擾源之后，既會影響通訊，也對人們的身體健康造成了直接的影響。此設計一方面采用了超寬帶電磁探頭，可以對較大頻率范圍的電磁場進行測試，滿足對電磁輻射危害的研究要求；另一方面，基于北斗定位的位置信息可以把探測的每一個位置的電磁輻射水平結(jié)合起來構(gòu)成整個居民環(huán)境的電磁輻射水平圖，明顯直觀地反映居民生活區(qū)的電磁輻射情況，可以為居民的身體健康提供一份參考。

參考文獻

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[3] 馮超超，萬發(fā)雨，安蘇生.一種探測電磁干擾的磁場探頭設計[J].合肥工業(yè)大學學報，2016，39（3）：347-350

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[6] 董鳴.AD7793在高精度溫控設備中的應用[J].電子技術(shù)，2012（8）：31-32.

[7] 陳菁，張小溪.基于單片機的小型恒溫箱設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（22）：101-104.