电磁波辐射污染自动跟踪与预警电路的设计

作者/林明勇、林德耀、叶轻舟、黄国椿，福建工程学院信息科学与工程学院(福建福州350118)

电磁波辐射污染自动跟踪与预警电路的设计

作者/林明勇、林德耀、叶轻舟、黄国椿，福建工程学院信息科学与工程学院(福建福州350118)

本作品介绍了一款电磁波辐射污染的自动跟踪与预警电路的设计。该装置以STC89C52单片机为核心的控制电路，低噪声高频放大电路、数字锁相环（PLL）频率合成电路、混频电路、频率自动跟踪电路、中放电路和中频整流滤波电路，转动云台及显示存储等电路组成，能准确地捕捉到空中电磁波最强辐射源的地理位置以及频率与强度。当环境辐射值超过人体的安全阀值时，本作品能根据辐射值的强弱实时地将不同级别的辐射危害显示在LCD液晶显示屏上，同时以不同颜色的灯光向人们告警。作品致力于精益求精，确保系统工作起来更加节能、低碳，更加稳定、可靠。

STC89C52单片机；自动跟踪；频率合成；电磁辐射

1.前言

随着现代科技的高速发展，各种各样的电子产品应用而生。伴随着被人们称为“隐形杀手”的电磁波辐射污染也日趋严重，充斥着人们生活空间。在辐射源中心的电磁波总是以电场和磁场的方式由近及远地向周围空间弥漫传播出去，人体相当于一个良性导体，自然而然地被电磁波所“浸泡”，而使人体受到伤害。所以对工作或生活在疑似电磁波辐射强度高区域的人们，电磁波辐射污染的预警意义重大。本作品是一款基于STC89C52单片机控制的电磁辐射污染的自动跟踪与预警装置，该装置通过低噪声高频接收放大电路、锁相环（PLL）的控制的压控振荡电路、混频后输出38MHZ中频信号，再通过两级中频放大后，由中频整流滤波形成直流电压，再由A/D模数转换成数字信号，输入至单片机进行数字信号处理，由单片机控制的程序不断地输出控制信号，驱使锁相环（PLL)控制的频率合成电路输出30MHz～2GHz的高频振荡信号，不断地与空中电磁波信号进行混频，寻找空中电磁波信号的最强点，实现了频率的自动搜寻并锁定在辐射频率最强的频率点上。当电磁波辐射值超过人体安全阀值的时候，系统就会发出现场预警信息。

■1.1 创作动机

电磁波辐射污染已被公认为是在大气污染、水质污染、噪音污染之后的第四大公害。联合国人类环境大会已将电磁辐射污染列入必须控制对象之一。电磁波辐射无色、无味、无形，可以穿透包括人体在内的多种物质，人体如果长期暴露在超过安全的辐射能量下，细胞就会被大面积杀伤或杀死，并产生多种病变。我们的作品能测量到周围电磁波的辐射量，让人们知道所处的空间是否处于安全状态。

■1.2 创作目的

本设计的目的是要设计出一款能有效检测周围的电磁波辐射强度，具有精度高、操作简单、成本低、绿色环保的电磁波辐射污染的自动跟踪与预警装置。

■1.3 功能创新点

（1）利用STC89C52单片机控制的数字频率合成锁相环电路所输出的高频信号与有关电路配合能实现自动捕捉空中电磁波的最强信号。

（2）搭载在云台上面的天线在STC89C52单片机的控制下能自动搜寻空中目标，天线上的引向器能指向辐射源最强的信号方向。

（3）辐射量采用五级不同安全等级的LED灯光预警，LCD显示屏能显示辐射最强的信号频率与辐射量，以便于人们识别。电磁波辐射安全值应小于：240/Wcmµ ()。

2.电磁波自动跟踪与预警装置原理简述

电磁波自动跟踪与预警装置原理结构框图如图1所示首先供电电源由太阳能提供，悬挂于露天公共场合抢眼的地方，以告示生活在周边的居民。将天线接收到的高频信号通过低噪声放大器放大后，输送到混频器与锁相环（PLL频率合成电路输出的高频振荡信号进行混频，取其差频即中频输出，经两级中频窄带放大后，历经中频整流滤波后形成直流电压，再进行ADC0809模数转化成数字信号后，输入至STC89C52单片机进行数据处理，单片机内置的程序指令通过I/O端口输出不同的(0,1)A、N值，驱使锁相环（PLL）频率合成电路在规定的时间周期内输出一连串按一定时间间隔的不同频率的高频振荡信号至混频电路，如此循环往复地进行着，与定向天线同步旋转不断地搜寻空中的电磁波信号，通过单片机对所采集的数据进行处理驱使步进电机带动旋转云台将定向天线指向辐射源信号最强的方向，同时驱动液晶显示屏显示信号的幅值与频率值并通过电阻R30～R39，三极管VT10～VT14，发光二极管VD10～VD13、VD15分五级进行灯光警示，当发光二极管VD15即“5–绿色”被点亮，其余熄灭，表明电磁波辐射为安全值；反之当发光二极管VD13～VD10即4–紫、3–黄、2–橙、1–红分别只有逐个被点亮时，其余熄灭，电磁波辐射强度依次增强。

图1 电磁波自动跟踪与预警装置简图

3.低噪声高频接收放大电路

低噪声放大器如图2所示。低噪声放大器采用MOS管VT1 3SK318及外围电路元器件来实现，其电路原理如图2所示。一个典型的实施实例中，如图经过调整后的3SK318的偏置电路各元器件值，当供电电压为5 V时，图2中：V1=4.92 V，V2=4.82V，V3=0.98 V，V4=2.1 V， 此 时 CMOS管放大器的增益为20 dB。

图2 低噪声放大器原理图

4.混频电路的设计

混频电路一个典型的设计方案实施实例如图3所示，电阻R6、R5、R8分别为混频管VT1的上、下偏置电阻和发射极电阻，高频信号RF in通过电容C6耦合输入至三极管VT1的基极，频率合成的振荡源信号从电容C7输入至三极管VT1的发射极进行混频，假设输入的两种信号：

两者信号混合后 u( t) = u0( t) +us( t )。

三极管be结的伏安特性：

图3 混频电路

将（1）代入（2）得：

从上述数学推导中获悉，当高频输入信号us与本振信号u0两者经过三极管be结的非线性器件后，所产生的直流分量（a0），基波分量（ ω0、 ωs）、二次谐波分量（2ω0、2ωs）、和频分量（ ω0+ωs）、差频分量（ω0−ωs） 等信息。

在图3所示的混频三极管集电极回路的中周T1初级线圈回路与电容C9谐振于差频分量（ ω0−ωs）即中频ωI，在中周T1的次级经电容C12、C13分压后从IF out输出口即可取出中频信号。

5.中频放大与中频整流电路

■5.1 中频放大电路

中频放大及中频整流电路典型的实施实例如图4所示，三极管VT2、VT3分别为两级窄带单调谐放大器，电阻R15、R16、R17分别三极管VT2的上、下偏置电阻和发射极电阻，电阻R19、R20、R21分别三极管VT3的上、下偏置电阻和发射极电阻，电容C15、C21分别为三极管VT2、VT3的发射极旁路电容，中周T2、T3的初级分别与电容C17、C23构成谐振回路，谐振频率为38MHz，采用中频电路窄带临界调试法，总增益可达54dB。

中频电路窄带临界调试法：以BT3C频率特性测试仪作为电路调试仪器，将被测电路的幅频特性曲线先调到临界自激状态，其谐振频率略高于中频(38MHz),然后将曲线的谐振频率调低至临界自激现象消失，且频率为38MHz为止，此时单调谐电路的增益最大、带宽窄，选择性好，放大器的放大量达到了接近极限放大状态。

图4 中频放大与中频整流电路

何谓放大器的自激状态：采用BT3C频率特性测试仪对电路的调试过程中，当电路LC回路的谐振点处于某一频率点时，屏幕上曲线高度突然飙升，即增益剧增，上述现象称之为放大器在这一频率点上产生了自激。

当放大器在静态直流工作点设置合理的情况下，无论L、C参数经过怎样的调整，电路仍处于自激或自激振荡状态，说明电路有关参数调整得不恰当，主要原因有：①回路的阻尼电阻阻值取得太大，导致回路的Q值太高；②谐振回路L、C参数材料选取不佳或两者数值搭配不妥，导致回路Q值太高，造成曲线过于尖锐、增益过高；③电路的交流旁路电容、耦合电容取得不合适，导致在某些特定频率下放大量过大；④印制板上元器件布局或电路PCB板走线、地线覆铜不合理，导致本级、级与级之间的元器件、走线与走线之间存在紧耦合或过耦合，造成某些频率放大量太大，满足了电路振荡时的幅度与相位条件而产生自激振荡等原因。只要上述一个或一个以上事实发生时，均会引起单调谐放大电路的自激或自激振荡。因此在调试中务必要善于掌握技巧、总结调试经验，不断地提高自己的实践动手能力。

■5.2 中频整流电路

中频整流电路典型的实施实例如图4所示，电阻R22、R23给二极管VD1提供起始偏置电压，让VD1硅二极管1N4148在静态时处于临界导通状态，确保在微弱的中频信号通过时，二极管VD1也处于导通状态。电容C26为中频旁路电容，相当于中周T3次级下端对地短接，T3次级上端的中频信号通过电阻R24、二极管VD1整流、电容C27滤波后，在电阻R25两端形成直流电压输出至ADC0809进行模数转换。

6.单片机控制的频率合成及其相关电路

■6.1 硬件电路的设计

（1）频率合成的锁相环（PLL）电路：基本的锁相环路是由鉴相器(MC145152AP），环路滤波器(OP07)和压控振荡器(VCO)组成的自动相位调节系统，如图5所示。

图5 锁相环（PLL）电路

MC145152AP鉴相器是相位比较装置，Ui(t)作为基准信号，Uc(t)由压控振荡器Uo（t）经MC12022AP预分频而来Uc(t)信号在单片机输出的（0，1）A、N值控制下进行再次分频，然后两者进行比较，产生误差电压Ud（t），经环路有源滤波（OP07）后滤除误差电压，即Uc(t)中的高频分量及噪声形成直流电压去控制压控振荡器的频率，使之保持稳定。

环路滤波输出的电压去控制压控振荡器的工作状态，使振荡器频率不断地向基准信号的频率靠拢，两者的差拍频率越来越低，直至使两者的频率、相位相同为止。所以锁相就是压控振荡器被一个外来基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来信号保持一致，达到锁定的目的。

（2）单片机及其相关电路：单片机及其相关电路如图6所示，由于受篇幅限制，作者只能把最精华的部分及其制作的思路告诉读者。即在单片机指令控制下，I/O端口在规定的时间内按一定的步长输出不同的（0，1）A、N值，再输入到频率合成电路的MC145152AP的相应端口，驱使该电路输出不同的系列频率信号,通过电容C7输入到混频管VT1的发射极，与基极输入的高频信号进行混频，在集电极通过中周T1和电容C9等构成的选频网络取出中频信号，经三极管VT2、VT3两级中频放大，再经过二极管VD1、电容C27、整流滤波后在电阻R25上形成直流电压，经ADC0809模数转换后输入给单片机，进行数据处理。

在单片机程序设计中，引入C语言的冒泡排序法，首先单片机CPU先发出指令，令天线旋转1度所需时间为一个小周期，旋转一周360度为一个大周期，即完成一个循环。在一个小周期内，一个典型的实施实例中单片机驱使频率合成电路输出以步长为1MHz，频率为30MHz～2GHz的范围内，单片机I/O端口在程序的驱动下不断地输出不同（0，1）的A、N值，迫使相关电路不断地搜寻空中的电磁波信号，将A/D第一次采集的数值存入到一个指定内存的数组中，与第二次采集的数值进行比较，取大者存入并覆盖其原数组的值，第三次采集的数值再与之比较取其大者存入并覆盖原数组,如此反复进行，一个小周期内取其数值的最大者，并存入到原内存数组中。以此类推，在历经360个小周期后，形成一个大周期即完成一个搜寻循环； 也就是说天线旋转一圈，由360个小周期组成的一个大周期的一个循环内的最大值，即电磁波辐射最强的值存入到原数组中。

图6 电磁波辐射污染与自动跟踪原理图

在一个大循环结束后，单片机调取数值最大值的有关信息，通过步进电机驱动电路将天线的引向器指向电磁波辐射最强的地理位置。同时液晶显示屏显示其电磁波的幅值，并显示五级安全级别的其中一种，伴有五级LED灯光警示。

■6.2 软件部分的设计

软件设计框图如图7所示，其基本设计思想依据框图的内容运行着。

部分主程序如下

#include

#include

#include “1602.h”

#include “delay.h”

#include “KEY.H”

/＊＊＊＊ADC0809 引脚定义 ＊＊＊＊/

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; //浮点变量

static fl oat V_cun1=0.0; //浮点变量

图7 软件设计方框图

7.结论

电磁波辐射污染的自动跟踪与预警意义重大，不仅能对身边的电磁波辐射起到预警的作用，还能唤起制作者的兴趣，尤其是在校大学生，能激发大学生对高频电子线路、单片机、C语言设计等学科学习的积极性与主动性，把课本单调的知识转化为趣味的学习与实践过程，能充分挖掘大学生的学习潜力与实际动手能力，是一个很好的训练课题。

＊ [1]高吉祥,高广珠主编.高频电子线路[M].北京:电子工业出版社,2016. ＊ [2]杨拴科主编.模拟电子技术实用教程[M].北京：高等教育出版社,2017.2.

＊ [3]Jorge L. Olenewa著.无线通信原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2016.06.

＊ [4]罗建标, 陈岳武编著.通信线路工程设计、施工与维护[M]北京:人民邮电出版社,2012.

＊ [5]陆利忠,等.电子线路与电子系统[M].北京:国防工业出版社,2013.