基于北斗定位技术的居民环境电磁水平的研究
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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.079
摘 要：随着对电磁辐射的不断研究，电磁干扰问题引起了人们的重视，其产生的危害也不容忽视，所以对周边居民环境电磁水平的检测成为首要解决的问题。在此设计了一种利用北斗定位技术进行的周边磁场强度的测量系统，详细地介绍了硬件原理和软件流程。该测量系统主要由新型带状线结构的近场磁场探头、混频电路、放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路、北斗定位、显示器等模块组成。由探头采集高频信号，通过NE602混频芯片调制为中频信号，经AD620放大电路以及AD7793采样电路传输到80C51单片机，并读取北斗定位坐标传送给LCD12864显示，从而实现测量当地的电磁辐射水平。
关键词：电磁辐射 磁场探头 混频 STC89C51 北斗定位
中图分类号：P22 文献标识码：A 文章编号：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
众所周知，电磁辐射形成干扰源之后，不仅能影响通讯，影响心脏起搏器功能，影响精密仪器的精确运作，有时甚至可能引起炸弹引爆，迫使飞机异常起飞或降落[1]。最重要的是，它们也对人们的身体健康造成了直接的影响。目前，有关居民环境的电磁干扰问题已引起了世界各国及有关国际组织的普遍关注[2]。因此需要测量居民周边的电磁场强度，来了解电磁辐射情况。
文章所提出的基于北斗定位技术的电磁探测系统可以把探测的每一个位置坐标与电磁辐射水平结合起来构成整个居民环境的电磁辐射水平图。未来只要手持该设备沿着居民小区走几圈就可以得到整个小区的电磁辐射水平图，有助于普通居民简单地探测生活中的电磁辐射情况，了解自己所处的环境，对于居民的生活有极大的意义。
1 电路功能模块介绍
系统的整体技术框图如图1所示，由探头接收、混频电路、放大电路、模数转换电路、单片机控制电路组成。下面具体阐述各电路的功能实现过程。
1.1 探头接收
传感器探头是检测电磁信号的基础，其质量的好坏对电磁辐射信号的接收性能有很大影响。此次设计采用一种新型带状线结构的近场磁场探头[3]，其具有探头直径尺寸小、结构简单、空间分辨率较好、测量频带范围较宽等优点。该探头通过带状线结构以及圆环状的导带末端，总体呈对称结构，采用SMA（sub-mininature-A）接头进行馈电，所以可以达到很好的屏蔽电场作用。带状线（特性阻抗Z0=50Ω）结构探头具体相关结构如图2所示。
根据其设计原理，当磁场垂直穿过探头的环面，则探头的输出电压可近似表示为：
ds （1）
其中，μ0为真空磁导率，H为探头导带圆环中心的磁场强度，S为探头的圆环面积，ω由磁场的频率决定。所以只需测出探头的输出电压，即可通过公式（1）求出该处的磁场强度。但是由于探头测得的信号为几百兆的高频信号，所以需要通过混频将其调制为中频信号，才可方便测量。
1.2 混频电路
在此次设计中采用混频芯片NE602完成混频过程。NE602的输入和输入阻抗在低频时约为1.5 k，并随频率的增大而减小。输入信号在混频前先被放大，其电压增益约为10。其中，混频模块电路图具体如图3所示。在NE602的本振电路中，采用简单的考毕兹（Colpitts）晶体振荡器[4]。它使用基波型晶体，振荡频率可达20 MHz。C1、C2组成反馈网络，它们的数值必须准确，可按下面的公式计算：
（2）
（3）
其中，F为基波型晶体的频率，单位是MHz，电容容量单位为pF。
1.3 放大电路
由于从混频器出来的中频信号幅值仍较小，所以需要对其进行放大。此设计中所用的放大器为常见的仪表放大器AD620[5]。AD620的两个内部增益电阻为24.7 kΩ，因而增益方程式为：
G=49.4 kΩ/RG+1 （4）
在此次设计中需对微小信号放大100倍，使得采样更为精准。所以由公式（4）得，应选用RG的值约为498 Ω。
1.4 模数转换
当放大后的信号传到数模转化模块时，选用常见的AD转化芯片AD7793对其进行采样。AD7793是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声的24位Σ-Δ型ADC[6]。AD7793可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置。AD620与AD7793的外围电路图具体如图4所示。
1.5 单片机控制电路
此次选用STC89C51单片机作为控制核心。单片机采用内部振荡方式，只需通过单片机的XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接进入内部时钟发生器，如图5所示。外接晶体振荡时，需要加入电容使其快速起振以及稳定振荡频率，常选用30 pF这一典型值。除此之外，为了减少寄生电容，更好地保障振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近[7]。
最后此系统通过单片机对一定时间内的AD采样数值求平均值，以减少误差，得到当前的电压幅值V。而初始信号的电压幅值经过调频器20 dB、放大器40 dB放大，再考虑到电路中的噪声影响大约3 dB，所以可以得到当前电压值V与初始电压值的关系，如公式（6）所示：
20dB+40dB+3dB=63dB （6）
因此可以得到的值，再根据公式（1），即可求出当前的电磁场强度。然后由单片机输出到液晶屏LCD12864，同时单片机从北斗芯片中获取当前定位坐标，一并输出显示，即可完成测量显示当前坐标的电磁强度。之后在该区域不同位置记录下当前数值，便可完成测量当前区域的电磁辐射情况，利用电脑即可画出电磁辐射水平图。
2 软件设计
软件设计采用模块化设计，由主程序模块、数据处理模块、显示输出模块等组成。单片机开机后经初始化，获取A/D采样数值，对数据处理后，在液晶屏上显示磁场强度以及经纬度坐标。软件流程图如图6所示。
3 结语
电磁辐射形成干扰源之后，既会影响通讯，也对人们的身体健康造成了直接的影响。此设计一方面采用了超宽带电磁探头，可以对较大频率范围的电磁场进行测试，满足对电磁辐射危害的研究要求；另一方面，基于北斗定位的位置信息可以把探测的每一个位置的电磁辐射水平结合起来构成整个居民环境的电磁辐射水平图，明显直观地反映居民生活区的电磁辐射情况，可以为居民的身体健康提供一份参考。
参考文献
[1]朱淑亭.家用电器的电磁兼容性测试技术研究[D].苏州大学，2011.
[2]狄韶斌，谭金敬.家用电器工频电磁辐射水平分析[J].新疆环境保护，2006（2）：48-50.
[3]冯超超，万发雨，安苏生.一种探测电磁干扰的磁场探头设计[J].合肥工业大学学报，2016，39（3）：347-350
[4]江山.振荡/混频器集成电路NE602使用指南[J].实用影首技术，1994（2）：48-53.
[5]王亚慧，丁国平.低价格、低功耗仪用放大器AD620的特性及应用实例[J].电子器件，1997（1）：574-578.
[6]董鸣.AD7793在高精度温控设备中的应用[J].电子技术，2012（8）：31-32.
[7]陈菁，张小溪.基于单片机的小型恒温箱设计[J].现代电子技术，2014（22）：101-104.