一種基于單片機的電磁輻射檢測系統

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

關鍵詞： 單片機； 電磁輻射； 數模轉換芯片； 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生的，日益危害著人們的健康。由電荷運動產生的電力廣泛應用于人類的生產和生活中，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境污染[5]，聯合國人類環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保意識的不斷增強，研究開發一款檢測電磁輻射的系統來顯示電磁輻射量十分必要，這樣人們可以根據國家制定的電磁輻射相關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，采用單片機對電磁輻射相關參數進行處理，具有速度快，準確度高，性價比高等特點，實驗結果表明該系統有一定的實用價值。

1 總體設計及工作原理

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

2 硬件電路的設計

⑴ 電源部分

電源部分采用9v電源輸入，利用兩個穩壓管產生±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 感應天線部分

利用電磁場能在高頻二極管中產生電流的效應，系統將9個1N60二極管串聯用作系統感應天線來檢測電磁輻射，其焊接電路如圖3所示。

經反復試驗，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參數值。

⑶ 濾波放大部分

為得到穩定的測量量，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要求及頻帶較寬的要求。系統濾波放大部分電路圖如圖4所示。

⑷ 模數轉化部分

① 轉換器件簡介

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

② 將A/D轉換芯片采集到得電壓模擬信號轉換為電壓數據值，其模數轉換部分的電路圖如圖6所示。

TLC549為8引腳器件，將讀入的電壓數據除以256，乘以Vcc（=5v）即得到天線采集到的電壓信號數據值。通過公式Er=data*Vcc/256（其中data為讀入的數據，Vcc為芯片電壓數據值，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，即可分別求得相應電磁輻射的場強和功率密度。相應公式如下：

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用系統中。顯示模塊如圖7所示。

系統報警部分采用蜂鳴器設計，若感應點采集到的電磁輻射相關值超過國標規定，則通過蜂鳴報警器發出報警聲響。

3 軟件設計

系統軟件采用模塊化設計方法實現，以提高設計運行效率。系統程序主要涉及數據的檢測、采集、處理、顯示和報警等四部分，具體包括主程序、數據檢測子程序、數據采集子程序、模數轉換子程序、數據處理子程序、顯示子程序、按鍵子程序、報警子程序等。系統主程序實現功能為單片機相關組成部件的初始化，負責調度系統各子程序，負責提供A/D轉換的輸入時鐘信號，實時獲取并處理相關設備信息，實現對系統軟硬件資源的協調統一管理。系統軟件程序流程圖如圖8所示。

4 數據結果分析

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。經多次實驗我們發現，大部分電器工作時產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 結束語

本文所介紹的系統能較好地對儀器感應天線處電磁輻射的電場強度和功率密度參數做出快速檢測，當功率密度值超過國家標準時，系統能發出報警聲音。該系統采用單片機進行數據處理和控制，可以方便、快捷地檢測出電磁輻射相關參數值，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。系統可用于家用電器等電子產品的電磁輻射相關參數的檢測。由于采用的感應天線的局限性，以及受限于模數轉換芯片的轉換精度，系統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，改進和提升系統的性能及表現。

參考文獻：

[1] 劉波文.51單片機C語言應用開發三位一體實戰精講[M].北京航空航天大學出版社，2011.

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

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

[4] 侯喜程.電磁輻射污染與監測綜述[J].能源與節能，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