作者/林明勇、林德耀、葉輕舟、黃國椿，福建工程學院信息科學與工程學院(福建福州350118)

電磁波輻射污染自動跟蹤與預警電路的設計

作者/林明勇、林德耀、葉輕舟、黃國椿，福建工程學院信息科學與工程學院(福建福州350118)

本作品介紹了一款電磁波輻射污染的自動跟蹤與預警電路的設計。該裝置以STC89C52單片機為核心的控制電路，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、頻率自動跟蹤電路、中放電路和中頻整流濾波電路，轉動云臺及顯示存儲等電路組成，能準確地捕捉到空中電磁波最強輻射源的地理位置以及頻率與強度。當環(huán)境輻射值超過人體的安全閥值時，本作品能根據(jù)輻射值的強弱實時地將不同級別的輻射危害顯示在LCD液晶顯示屏上，同時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)工作起來更加節(jié)能、低碳，更加穩(wěn)定、可靠。

STC89C52單片機；自動跟蹤；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)品應用而生。伴隨著被人們稱為“隱形殺手”的電磁波輻射污染也日趨嚴重，充斥著人們生活空間。在輻射源中心的電磁波總是以電場和磁場的方式由近及遠地向周圍空間彌漫傳播出去，人體相當于一個良性導體，自然而然地被電磁波所“浸泡”，而使人體受到傷害。所以對工作或生活在疑似電磁波輻射強度高區(qū)域的人們，電磁波輻射污染的預警意義重大。本作品是一款基于STC89C52單片機控制的電磁輻射污染的自動跟蹤與預警裝置，該裝置通過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，再通過兩級中頻放大后，由中頻整流濾波形成直流電壓，再由A/D模數(shù)轉換成數(shù)字信號，輸入至單片機進行數(shù)字信號處理，由單片機控制的程序不斷地輸出控制信號，驅使鎖相環(huán)（PLL)控制的頻率合成電路輸出30MHz～2GHz的高頻振蕩信號，不斷地與空中電磁波信號進行混頻，尋找空中電磁波信號的最強點，實現(xiàn)了頻率的自動搜尋并鎖定在輻射頻率最強的頻率點上。當電磁波輻射值超過人體安全閥值的時候，系統(tǒng)就會發(fā)出現(xiàn)場預警信息。

■1.1 創(chuàng)作動機

電磁波輻射污染已被公認為是在大氣污染、水質污染、噪音污染之后的第四大公害。聯(lián)合國人類環(huán)境大會已將電磁輻射污染列入必須控制對象之一。電磁波輻射無色、無味、無形，可以穿透包括人體在內的多種物質，人體如果長期暴露在超過安全的輻射能量下，細胞就會被大面積殺傷或殺死，并產(chǎn)生多種病變。我們的作品能測量到周圍電磁波的輻射量，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

本設計的目的是要設計出一款能有效檢測周圍的電磁波輻射強度，具有精度高、操作簡單、成本低、綠色環(huán)保的電磁波輻射污染的自動跟蹤與預警裝置。

■1.3 功能創(chuàng)新點

（1）利用STC89C52單片機控制的數(shù)字頻率合成鎖相環(huán)電路所輸出的高頻信號與有關電路配合能實現(xiàn)自動捕捉空中電磁波的最強信號。

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

（3）輻射量采用五級不同安全等級的LED燈光預警，LCD顯示屏能顯示輻射最強的信號頻率與輻射量，以便于人們識別。電磁波輻射安全值應小于：240/Wcmμ ()。

2.電磁波自動跟蹤與預警裝置原理簡述

電磁波自動跟蹤與預警裝置原理結構框圖如圖1所示首先供電電源由太陽能提供，懸掛于露天公共場合搶眼的地方，以告示生活在周邊的居民。將天線接收到的高頻信號通過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進行混頻，取其差頻即中頻輸出，經(jīng)兩級中頻窄帶放大后，歷經(jīng)中頻整流濾波后形成直流電壓，再進行ADC0809模數(shù)轉化成數(shù)字信號后，輸入至STC89C52單片機進行數(shù)據(jù)處理，單片機內置的程序指令通過I/O端口輸出不同的(0,1)A、N值，驅使鎖相環(huán)（PLL）頻率合成電路在規(guī)定的時間周期內輸出一連串按一定時間間隔的不同頻率的高頻振蕩信號至混頻電路，如此循環(huán)往復地進行著，與定向天線同步旋轉不斷地搜尋空中的電磁波信號，通過單片機對所采集的數(shù)據(jù)進行處理驅使步進電機帶動旋轉云臺將定向天線指向輻射源信號最強的方向，同時驅動液晶顯示屏顯示信號的幅值與頻率值并通過電阻R30～R39，三極管VT10～VT14，發(fā)光二極管VD10～VD13、VD15分五級進行燈光警示，當發(fā)光二極管VD15即“5–綠色”被點亮，其余熄滅，表明電磁波輻射為安全值；反之當發(fā)光二極管VD13～VD10即4–紫、3–黃、2–橙、1–紅分別只有逐個被點亮時，其余熄滅，電磁波輻射強度依次增強。

圖1 電磁波自動跟蹤與預警裝置簡圖

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實現(xiàn)，其電路原理如圖2所示。一個典型的實施實例中，如圖經(jīng)過調整后的3SK318的偏置電路各元器件值，當供電電壓為5 V時，圖2中：V1=4.92 V，V2=4.82V，V3=0.98 V，V4=2.1 V， 此 時 CMOS管放大器的增益為20 dB。

圖2 低噪聲放大器原理圖

4.混頻電路的設計

混頻電路一個典型的設計方案實施實例如圖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RF in通過電容C6耦合輸入至三極管VT1的基極，頻率合成的振蕩源信號從電容C7輸入至三極管VT1的發(fā)射極進行混頻，假設輸入的兩種信號：

兩者信號混合后 u( t) = u0( t) +us( t )。

三極管be結的伏安特性：

圖3 混頻電路

將（1）代入（2）得：

從上述數(shù)學推導中獲悉，當高頻輸入信號us與本振信號u0兩者經(jīng)過三極管be結的非線性器件后，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的次級經(jīng)電容C12、C13分壓后從IF out輸出口即可取出中頻信號。

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施實例如圖4所示，三極管VT2、VT3分別為兩級窄帶單調諧放大器，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的初級分別與電容C17、C23構成諧振回路，諧振頻率為38MHz，采用中頻電路窄帶臨界調試法，總增益可達54dB。

中頻電路窄帶臨界調試法：以BT3C頻率特性測試儀作為電路調試儀器，將被測電路的幅頻特性曲線先調到臨界自激狀態(tài)，其諧振頻率略高于中頻(38MHz),然后將曲線的諧振頻率調低至臨界自激現(xiàn)象消失，且頻率為38MHz為止，此時單調諧電路的增益最大、帶寬窄，選擇性好，放大器的放大量達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頻率特性測試儀對電路的調試過程中，當電路LC回路的諧振點處于某一頻率點時，屏幕上曲線高度突然飆升，即增益劇增，上述現(xiàn)象稱之為放大器在這一頻率點上產(chǎn)生了自激。

當放大器在靜態(tài)直流工作點設置合理的情況下，無論L、C參數(shù)經(jīng)過怎樣的調整，電路仍處于自激或自激振蕩狀態(tài)，說明電路有關參數(shù)調整得不恰當，主要原因有：①回路的阻尼電阻阻值取得太大，導致回路的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，導致回路Q值太高，造成曲線過于尖銳、增益過高；③電路的交流旁路電容、耦合電容取得不合適，導致在某些特定頻率下放大量過大；④印制板上元器件布局或電路PCB板走線、地線覆銅不合理，導致本級、級與級之間的元器件、走線與走線之間存在緊耦合或過耦合，造成某些頻率放大量太大，滿足了電路振蕩時的幅度與相位條件而產(chǎn)生自激振蕩等原因。只要上述一個或一個以上事實發(fā)生時，均會引起單調諧放大電路的自激或自激振蕩。因此在調試中務必要善于掌握技巧、總結調試經(jīng)驗，不斷地提高自己的實踐動手能力。

■5.2 中頻整流電路

中頻整流電路典型的實施實例如圖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)時處于臨界導通狀態(tài)，確保在微弱的中頻信號通過時，二極管VD1也處于導通狀態(tài)。電容C26為中頻旁路電容，相當于中周T3次級下端對地短接，T3次級上端的中頻信號通過電阻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進行模數(shù)轉換。

6.單片機控制的頻率合成及其相關電路

■6.1 硬件電路的設計

（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)組成的自動相位調節(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)作為基準信號，Uc(t)由壓控振蕩器Uo（t）經(jīng)MC12022AP預分頻而來Uc(t)信號在單片機輸出的（0，1）A、N值控制下進行再次分頻，然后兩者進行比較，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信號的頻率靠攏，兩者的差拍頻率越來越低，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外來基準信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來信號保持一致，達到鎖定的目的。

（2）單片機及其相關電路：單片機及其相關電路如圖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。即在單片機指令控制下，I/O端口在規(guī)定的時間內按一定的步長輸出不同的（0，1）A、N值，再輸入到頻率合成電路的MC145152AP的相應端口，驅使該電路輸出不同的系列頻率信號,通過電容C7輸入到混頻管VT1的發(fā)射極，與基極輸入的高頻信號進行混頻，在集電極通過中周T1和電容C9等構成的選頻網(wǎng)絡取出中頻信號，經(jīng)三極管VT2、VT3兩級中頻放大，再經(jīng)過二極管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)轉換后輸入給單片機，進行數(shù)據(jù)處理。

在單片機程序設計中，引入C語言的冒泡排序法，首先單片機CPU先發(fā)出指令，令天線旋轉1度所需時間為一個小周期，旋轉一周360度為一個大周期，即完成一個循環(huán)。在一個小周期內，一個典型的實施實例中單片機驅使頻率合成電路輸出以步長為1MHz，頻率為30MHz～2GHz的范圍內，單片機I/O端口在程序的驅動下不斷地輸出不同（0，1）的A、N值，迫使相關電路不斷地搜尋空中的電磁波信號，將A/D第一次采集的數(shù)值存入到一個指定內存的數(shù)組中，與第二次采集的數(shù)值進行比較，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,如此反復進行，一個小周期內取其數(shù)值的最大者，并存入到原內存數(shù)組中。以此類推，在歷經(jīng)360個小周期后，形成一個大周期即完成一個搜尋循環(huán)； 也就是說天線旋轉一圈，由360個小周期組成的一個大周期的一個循環(huán)內的最大值，即電磁波輻射最強的值存入到原數(shù)組中。

圖6 電磁波輻射污染與自動跟蹤原理圖

在一個大循環(huán)結束后，單片機調取數(shù)值最大值的有關信息，通過步進電機驅動電路將天線的引向器指向電磁波輻射最強的地理位置。同時液晶顯示屏顯示其電磁波的幅值，并顯示五級安全級別的其中一種，伴有五級LED燈光警示。

■6.2 軟件部分的設計

軟件設計框圖如圖7所示，其基本設計思想依據(jù)框圖的內容運行著。

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; //浮點變量

static fl oat V_cun1=0.0; //浮點變量

圖7 軟件設計方框圖

7.結論

電磁波輻射污染的自動跟蹤與預警意義重大，不僅能對身邊的電磁波輻射起到預警的作用，還能喚起制作者的興趣，尤其是在校大學生，能激發(fā)大學生對高頻電子線路、單片機、C語言設計等學科學習的積極性與主動性，把課本單調的知識轉化為趣味的學習與實踐過程，能充分挖掘大學生的學習潛力與實際動手能力，是一個很好的訓練課題。

＊ [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.模擬電子技術實用教程[M].北京：高等教育出版社,2017.2.

＊ [3]Jorge L. Olenewa著.無線通信原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2016.06.

＊ [4]羅建標, 陳岳武編著.通信線路工程設計、施工與維護[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:國防工業(yè)出版社,2013.