一種基於北鬥定位的居民環境電磁測量系統的製作方法

2023-06-05 04:02:11

本實用新型屬於電磁探測技術領域，具體涉及一種基於北鬥定位的居民環境電磁測量系統。

背景技術：

隨著社會的發展和科技的進步，電子產品越來越多地進入人們的生活，居民環境的高壓線、建築樓頂的發射天線、無線電廣播、行動電話等都成為了電磁輻射幹擾源。這些電磁幹擾都可能形成電磁汙染，影響人體健康。電磁輻射形成幹擾源之後，不僅能影響通訊，影響心臟起搏器功能，影響精密儀器的精確運作，有時甚至可能引起炸彈引爆，迫使飛機異常起飛或降落。最重要的是，它們也對人們的身體健康造成了直接的影響。目前，有關居民環境的電磁幹擾問題己引起了世界各國及有關國際組織的普遍關注；因此我們有必要測量居民周邊的電磁場強，來了解電磁輻射情況。

目前存在的電磁探測手段以及國家標準都是對低頻如50Hz～1kHz的頻率的場強進行測試。但電磁輻射頻率很寬，不同的頻率對人體傷害程度不一樣，僅僅對低頻進行了限制，無法滿足對電磁輻射危害的研究要求。而且當前也沒有相應的測量系統來完整地檢測居民區域的電磁幹擾，並基於位置形成三維的電磁騷擾發射圖。

因此，本領域技術人員有必要提供一種能夠完整的檢測居民區域的電磁幹擾、記錄居民生活環境中每個位置電磁輻射水平的基於北鬥定位的居民環境電磁測量系統。

技術實現要素：

針對上述現有技術中的不足，本實用新型提供了一種能夠完整的檢測居民區域的電磁幹擾、記錄居民生活環境中每個位置電磁輻射水平的基於北鬥定位的居民環境電磁測量系統。

為實現上述目的，本實用新型採用了以下技術方案：

一種基於北鬥定位的居民環境電磁測量系統，包括北鬥定位系統，還包括用於採集0.05～7GHz電磁輻射信號的超寬帶磁場探頭、用於將採集信號下混頻成中頻信號的混頻模塊，所述超寬帶磁場探頭的信號輸出端與混頻模塊的輸入端電連接、所述混頻模塊的輸出端與寬帶放大器的輸入端電連接、所述寬帶放大器輸出端經過A/D轉換器電連接至單片機；所述北鬥定位系統與單片機的輸入端電連接，所述單片機的輸出端連接有液晶顯示模塊。

優選的，所述超寬帶磁場探頭採用帶狀線結構的近場磁場探頭。

優選的，所述混頻模塊採用混頻晶片NE602。

進一步的，所述混頻晶片NE602的8引腳通過150Ω電阻外接+5V的電源，並通過電容C1接地；探頭信號通過高頻變壓器輸入NE602的1、2引腳，NE602的4引腳連接電容後輸出信號；6、7引腳連接晶振；3引腳接地。

優選的，所述寬帶放大器的型號為AD620，A/D轉換器採用AD轉化晶片AD7793。

進一步的，所述放大器AD620的1、5引腳之間接一個498Ω的電阻，2引腳接一個1kΩ電阻並接地，信號通過3引腳輸入；7OUTPUT引腳和8REF各自通過一個1kΩ的電阻與AD轉化晶片AD7793的5、6引腳相連，AD轉化晶片AD7793的5、6引腳通過電容C1直接相連,並分別通過電容C3、C2接地；AD7793的13、14引腳通過100Ω的電阻後接+5V的電源，同時與兩個並聯電容C4、C5串聯並接地。

優選的，所述液晶顯示模塊採用LCD12864液晶顯示模塊。

進一步的，所述單片機的P00-P07和P10-P14分別與LCD12864的9-16和8、7、6、2、1引腳相連；另外單片機於18、19口外接一個晶振，並分別通過30pF的電容接地；單片機的引腳RNVF連接+5V電源，並通過22μF電容連接引腳RESET，20引腳接地並通過1kΩ電阻和引腳RESET相連；所述LCD12864的3引腳接地，4引腳連接電源，5、18引腳通過滑動變阻器連接+5V電源。

進一步的，該電磁測量系統設為手持式。

本實用新型的有益效果在於：

1)本實用新型一方面採用了超寬帶磁場探頭，可以對較大頻率範圍的電磁場進行測試，滿足對電磁輻射危害的研究要求；另一方面，基於北鬥定位的位置信息可以把探測的每一個位置的電磁輻射水平結合起來構成整個居民環境的電磁輻射水平圖，可以明顯直觀的反應居民生活區的電磁輻射情況，可以為居民的身體健康提供一份參考。從而本實用新型系統能夠完整的檢測居民區域的電磁幹擾、記錄居民生活環境中每個位置的電磁輻射水平，具有較強的實用性。

2)本實用新型可以實時在系統的液晶屏上顯示當前位置的電磁輻射情況；連續地記錄不同位置的場強即可完成周邊的電磁輻射水平圖，便於實時觀察環境的電磁輻射。

3)本實用新型採用了帶狀線結構的近場磁場探頭，該探頭由本課題組自主設計，於2016-03-28公開在中國文獻中【馮超超，萬發雨，安蘇生.一種探測電磁幹擾的磁場探頭設計[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2016,39(3):347-350】，具有探頭直徑尺寸小、結構簡單，空間解析度較好、測量頻帶範圍較寬等優點，在0.05～7GHz頻帶範圍內頻率特性良好；從而可以做成手持式，應用於探測室內的電磁強度；不僅結構簡單，功耗低，成本低，使用起來經濟方便，便於推廣利用。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統結構圖。

圖2為本實用新型磁場探頭的結構圖。

圖3為本實用新型混頻模塊的混頻晶片電路圖。

圖4為本實用新型放大器與採樣模塊的外圍電路圖。

圖5為本實用新型單片機與LCD12864的電路連接圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型中的技術方案進行清楚、完整地描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護範圍。

一種基於北鬥定位的居民環境電磁測量系統，包括北鬥定位系統，還包括用於採集電磁輻射信號的超寬帶磁場探頭、用於將採集信號下混頻成中頻信號的混頻模塊，所述超寬帶磁場探頭的信號輸出端與混頻模塊的輸入端電連接、所述混頻模塊的輸出端與寬帶放大器的輸入端電連接、所述寬帶放大器輸出端經過A/D轉換器電連接至單片機；所述北鬥定位系統與單片機的輸入端電連接，所述單片機的輸出端連接有液晶顯示模塊。

上述測量系統的工作原理為：本測量系統通過超寬帶磁場探頭採集電磁輻射信號，由於採集的高頻信號難以直接測量，故使用混頻模塊將採集信號下混頻成中頻信號，通過寬帶放大器將信號放大，經過A/D轉換器將模擬信號變為數位訊號，並傳送至單片機，經單片機計算處理後，在液晶顯示屏上顯示數值。同時，根據北鬥定位系統的定位，確認該經緯度下的電磁輻射強度；連續地記錄不同位置的場強即可完成周邊的電磁輻射水平圖。

實施例1

本實用新型需要測量周圍電磁輻射信號，因此探頭的設計至關重要，本實施例採用一種新型帶狀線結構的近場磁場探頭，該探頭由本課題組自主設計，已於2016-03-28公開在中國文獻中【馮超超，萬發雨，安蘇生.一種探測電磁幹擾的磁場探頭設計[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2016,39(3):347-350】。其具有探頭直徑尺寸小、結構簡單，空間解析度較好、測量頻帶範圍較寬等優點，在0.05～7GHz頻帶範圍內頻率特性良好。該探頭通過帶狀線結構以及圓環狀的導帶末端，總體呈對稱結構，採用SMA(sub-mininature-A)接頭進行饋電，可以達到很好的屏蔽電場作用，具體結構如圖2所示。

根據其設計原理，當磁場垂直穿過探頭的環面，則探頭的輸出電壓可近似表示為：

V0∝-jωμ0∫S|H|ds＝-jωμ0HS (1)

其中，μ0為真空磁導率，H為探頭導帶圓環中心的磁場強度，S為探頭的圓環面積，ω由磁場的頻率決定。所以只需測出探頭的輸出電壓V0，即可通過公式(1)求出該處的磁場強度。但是由於探頭測得的信號為幾百兆的高頻信號，所以需要通過混頻將其下混頻為中頻信號，才可方便測量。

本實用新型通過混頻模塊完成混頻過程。輸入信號在混頻前先被放大，其電壓增益約為10。混頻模塊電路圖具體如圖3所示，混頻晶片NE602的8引腳通過150Ω電阻外接+5V的電源，並通過電容C1接地；探頭信號通過高頻變壓器輸入NE602的1、2引腳；NE602的4引腳連接一個電容後輸出信號；6、7引腳連接晶振；3引腳接地。

由於從混頻模塊出來的中頻信號幅值仍較小，所以需要對其進行放大。本實施例中所用的放大器為常見的儀表放大器。放大器的兩個內部增益電阻為24.7kΩ,因而增益方程式為

G＝49.4kΩ/RG+1 (2)

對於所需的增益,則外部控制電阻值為

RG＝49.4/(G-1)kΩ (3)

在本實施例中需對微小信號放大100倍，使得採樣更為精準。所以由公式(3)得，應選用RG的值約為498Ω。

當放大後的信號傳到A/D轉換器時，選用常見的AD轉化晶片AD7793對其進行採樣，放大電路與採樣模塊(由AD7793晶片和其外圍電路組成)的外圍電路圖具體如圖4所示。放大器AD620的1、5引腳之間接一個498Ω的電阻，2引腳接一個1kΩ電阻並接地，信號通過3引腳輸入，而7OUTPUT引腳和8REF各自通過一個1kΩ的電阻與AD轉化晶片AD7793的5、6引腳相連，AD轉化晶片AD7793的5、6引腳通過電容C1直接相連，並分別通過電容C3、C2接地，以起到消除交流信號的作用。AD7793的13、14引腳通過100Ω的電阻後接+5V的電源，同時與兩個並聯電容C4、C5串聯並接地來消除交流信號。

最後本系統通過單片機對一定時間內的AD採樣數值求平均值，以減少誤差，得到當前的電壓幅值V。而初始信號的電壓幅值V0經過調頻器20dB、放大器40dB放大，再考慮到電路中的噪聲影響大約3dB，所以可以得到當前電壓值V與初始電壓值V0的關係，如公式(4)所示：

因此可以得到V0的值，再根據公式(1)，即可求出當前的電磁場強度。單片機與LCD12864的電路連接圖如圖5所示，單片機的P00-P07和P10-P14分別與液晶顯示模塊LCD12864的9-16和8、7、6、2、1引腳相連；另外單片機於18、19口外接一個晶振，並分別通過30pF的電容接地。引腳RNVF連接+5V電源，並通過22μF電容連接引腳RESET；單片機的20引腳接地，並通過1kΩ電阻和引腳RESET相連。LCD12864的3引腳接地，4引腳連接電源，5、18引腳通過滑動變阻器連接+5V電源。然後由單片機輸出到液晶屏LCD12864，同時單片機從北鬥定位系統的晶片中獲取當前定位坐標，一併輸出顯示，即可完成測量顯示當前坐標的電磁強度。之後在該區域不同位置記錄下當前數值，便可完成測量當前區域的電磁輻射情況，利用電腦即可畫出電磁輻射水平圖。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本實用新型的保護範圍。