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摘要：电子产品被广泛应用于人们生活的各个领域，它给人们带来生活便捷的同时，也带给人们电磁辐射的危险。手持式电磁辐射检测仪能实现对生活环境中的电磁辐射进行实时检测，通过传感器、滤波网络、放大电路、模数转换和单片机控制电路将信号进行处理，并在LCD1602上将结果显示出来。若结果超出限定值，则有报警提示，起到对电磁辐射污染重要的评估作用。该仪器具有体积小，携带方便，测量简单的特点。
关键词：电磁辐射；单片机；检测；报警；AD转换；数据处理
0 引 言
科技日新月异，手机、电脑、电磁炉、微波炉等电子产品的广泛普及，人们在享受科技给生活带来的舒适便利的服务同时，也不可避免遭受来自电磁辐射的污染。电磁辐射看不见、摸不着、嗅不到，无法被人体感觉器官所察觉，但它却已充斥在我们身边[1]。电磁辐射污染被认为是继水污染、大气污染以及噪声污染之后的第四大污染[2]。研究表明，超过一定程度的电磁辐射对人体健康会产生影响，而且会随程度不同而不同，长期过量的电磁辐射会对人体的各个系统功能造成伤害，比如生殖系统、神经系统、免疫系统等，它已成为心血管疾病、糖尿病以及癌突变的主要诱因[3]。鉴于此，我们有必要对生活中的电磁辐射强度做出检测，并与0.4W/m2的国家标准限值比较，做出电磁环境评估，为人们采取及时有效的防护措施提供参考和依据。
1 手持式电磁辐射检测仪总体设计
该电磁辐射检测仪主要由辐射探头、滤波及放大电路、模数转换电路、单片机控制单元、LCD显示和报警电路及按键控制部分等组成，其硬件的基本组成框图如图1所示。
图1 电磁辐射检测仪基本组成框图
其工作原理是当辐射探头检测到电磁信号后，经低通滤波电路滤除高频成分后送至放大电路[4]，放大后的信号经过模数转换电路后，转换为数字信号送到单片机控制电路进行处理，通过单片机程序完成数字信号的处理和计算，得出电磁辐射功率密度的大小，将其在液晶屏上显示出来[5]。同时对超出限定值的数据进行报警，表示检测到的功率密度超出了国家标准限值。本系统使用9V电池供电。
2 硬件电路设计
2.1 辐射探头
辐射探头是检测电磁信号的基础，其质量的优劣对电磁辐射信号的接收性能有很大影响，性能质量取决于探头的电气参数[6]。本检测仪采用EP330探头，它适用于100 kHz～3 GHz频率范围，频带很宽，其增益在工作频率段基本不变，可靠性高[7]，能满足检测仪的设计要求。
2.2 滤波和放大电路
辐射探头测得的信号频率范围很宽，与设计要求不符，应对探头所测得的信号进行滤波，去除高频成分，可以采用有源低通滤波[8]。滤波和放大电路如图2所示。R1，R2和C1组成低通滤波电路，滤除信号中的高频成分。放大电路为两级放大，第一级采用具有很高共模抑制比、线性度好和低功耗运算放大器AD623，第二级采用高精度、低失调电压型的运算放大器OP07。这两级的放大能满足低噪放大器的噪声系数要小，频带要宽的要求。从图中可知，经放大电路处理后的信号送至ADC0804进行模数转换，从而得到所需的数字信号。
图2滤波和放大电路图
2.3 模数转换电路
模数转换电路采用连续渐进式的A/D转换器ADC0804芯片，具有转换速度快，分辨率高、成本低廉的特点。它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辩率为8位，转换时间为100µs，输入电压范围为0～5V[9]。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接接在数据总线上或系统的输入端口[10]。在模数转换过程中，放大后的模拟信号输入到ADC0804芯片的第6脚，然后模拟信号被转换成数字信号，并送至单片机进行下一步处理。
2.4 单片机控制电路
单片机采用美国ATMEL公司生产的广泛应用的低电压、高性能CMOS8位集成芯片AT89C51。它具有4K字节Flash闪速存储器，128*8位内部RAM，32个可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。该器件功能强大，适用于许多较为复杂控制的应用场合。
单片机控制电路主要由AT89C51单片机控制单元、LCD1602液晶显示电路、报警电路和按键控制等组成。经过模数转换后的数字信号由P1口输入单片机，通过单片机控制单元处理与计算，所检测到的电磁辐射功率密度值将在LCD1602上显示出来。当打开检测仪电源后，仪器自动复位，当将仪器靠近被测点时，LCD1602将动态显示当前所测值，按下S2锁定键，将会使得当前值锁定显示在显示屏上。若按下S1复位键，则会将仪器中原有的数值清零。若所测量到的电磁辐射功率密度值超过0.4W/m2的国家标准限值，则单片机将通过蜂鸣器进行报警，同时LED灯点亮，表明当前环境电磁辐射超出了限值，应做必要的防范，以免电磁辐射对人体造成不良影响乃至严重后果。单片机控制电路如图3所示。
图3 单片机控制电路
3 软件设计
本系统软件采用C语言编写，运用模块化设计思想。系统由主程序对单片机进行初始化处理，并负责调度数据采集、模数转换、数据处理与比较、数据显示刷新、报警、按键扫锚等各个子程序功能模块，实现系统中多个功能模块之间信息的及时交换，系统软硬件资源的合理分配与管理，主程序是整个软件部分的核心。程序流程图如图4所示。
图4 系统主程序流程图
4 数据测量结果分析
通过对微波炉、电磁炉、电扇、冰箱、洗衣机等家用电器电磁辐射检测得到，在距离60cm以内的情况下，所测得的家用电器功率密度值都低于0.2W/m2，在国家标准限值0.4W/m2以下的安全范围内。同时发现，手机待机时，其电磁辐射功率密度几乎为零，但当接听拨打电话时，其辐射明显增强，成倍增长，但仍然保持在国家标准限值以下。
5 结语
本检测仪可以满足电磁辐射的检测，其成本低、体积小、重量轻、使用方便、测量速度快，是一款具有实用价值的检测仪。
参考文献：
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[2] 李龑冰. 家用电场强度测试仪的设计[J]. 电子世界，2014（3）：131-132.
[3] 王三艳. FD公司档案管理工作研究[D]. 北京：华北电力大学，2018.
[4] 周志向，齐爱学，耿荣等. 一种人体健康参数测定仪[J]. 电子设计工程，2017（5）：97-101.
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[9] 柏松，禹斌. 基于单片机的冰箱CO检测报警系统设计[J]. 家电科技，2014（11）：75-77.
[10] 蔡菁. 简易自动电阻测试仪的设计[J]. 泰州职业技术学院学报，2013，13（1）：63-65.
作者简介：
周旭丹（1977-），女，浙江宁波人，硕士，副教授，研究方向为电子设计自动化。
吴法理（1962-），男，浙江绍兴诸暨人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向环保机械。
魏王懂（1977-），男，浙江绍兴诸暨人，硕士，副教授，主要研究方向为汽车电子技术。
基金项目：浙江省高等学校访问工程师校企合作项目（FG2016113）
Project Supported by Zhejiang University Visiting Engineer School-Enterprise Cooperation Project（FG2016113）.
论文作者:周旭丹1,吴法理2,魏王懂1
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第11期
论文发表时间:2019/5/22
标签：电磁辐射论文; 单片机论文; 电路论文; 检测仪论文; 信号论文; 模数论文; 密度论文; 《建筑模拟》2019年第11期论文;