机电产品低频电磁辐射监测仪的研究与设计
机电产品低频电磁辐射监测仪的研究与设计[20191215173040]
摘 要
随着电子产品在我们日常生活中越来越多的广泛应用，以及人们对生存环境的重视，机电产品低频电磁辐射泄漏污染逐渐成为人们所关心的话题。所以，研究如何快速准确地检测出机电产品低频电磁辐射泄漏状况的电磁辐射监测仪表具有非常重要的意义。电磁波辐射继水源、大气和噪声之后成为第四大环境污染源，因此，世界各国都对电磁污染及其关注，在这方面作了大量的研究并制定了一些防护措施。
本文采用了理论分析和试验研究相结合的技术路线，依据电磁场技术、计算机技术、电磁兼容技术等，围绕机电产品低频电磁辐射辐射监测问题进行深入研究。在对系统总体方案和相关技术做出分析的基础上，设计了基于感应线圈法的低频机电产品电磁辐射监测仪，电磁辐射监测仪采用三个彼此垂直的感应线圈获取空间电磁场强度，实现了三维磁场强度的同时检测。在电磁辐射监测仪的软硬件的设计中，以MSP430f149为核心处理器，采用模块化设计，完成关于电磁信号检测电路、信号处理电路、液晶显示电路的设计。
通过测试，电磁辐射监测仪可以方便地测量出空间三维方向的低频电子产品电磁泄漏强度，为质量检测部门检测电子产品电磁兼容性能提供了重要的依据。
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关键字:机电产品；电磁辐射监测；三维方向
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景及研究现状 1
1.3 课题研究的意义 3
1.4 论文的主要研究工作和结构安排 4
1.4.1 论文主要研究工作 4
1.4.2 论文结构安排 4
第二章 电磁辐射监测仪方案研究 6
2.1 系统方案 6
2.2 电磁辐射监测仪技术方案分析 6
2.2.1 核心处理器 6
2.2.2 液晶显示模块 7
2.2.3 运放模块 8
2.3 电磁辐射监测方法研究 9
2.3.1 磁阻传感器法 9
2.3.2 霍尔效应法 11
2.3.3 感应线圈法 12
2.3.4 其它方法 14
2.4 结论 14
2.5 本章小结 15
第三章 电磁辐射监测仪的设计与实现 16
3.1 电磁辐射监测仪总体结构设计 16
3.2 电磁辐射监测仪的硬件电路设计 17
3.2.1 微处理器模块设计 17
3.2.2 信号检测模块设计 19
3.2.3 实时时钟模块设计 20
3.2.4信号处理模块设计 21
3.2.5 数模转换模块设计 22
3.2.6 液晶显示模块设计 22
3.2.7 电源模块设计 24
3.3 电磁辐射监测仪的系统软件设计 24
3.3.1 软件系统的总体结构 25
3.3.2 液晶显示软件设计 26
3.3.3 实时时钟软件设计 26
3.4 系统设计总结及可靠性设计 27
3.5本章小结 28
第四章 系统调试及问题分析和解决 29
4.1 系统硬件调试 29
4.2 本章小结 33
第五章 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
致谢 36
参考文献 38
附录A PCB 41
附录B 代码 42
外文翻译 50
一、英文原文 50
二、英文翻译 57
任务书 64
第一章 绪论
1.1 引言
随着科学技术的发展与进步，机电产品已经深深地融入到了我们的生产和生活当中，成为人们生活中必不可少的一部分。然而机电产品在工作的同时，也将产生的电磁能量辐射到周围空间当中，这些电磁辐射不仅会影响其它设备或系统的正常工作甚至会对人类的生命健康产生危害，这就是电磁泄露污染。
1.2 课题背景及研究现状
由麦克斯韦尔理论得：随时间变化的电荷或电流在导体上的运动会在导体周围产生随时间变化的电场和磁场，电、磁场间的相互作用，在一定条件下离开导体向远处运动，形成向自由空间传播的电磁波，被称为电磁波辐射[1]。电磁波按照人类的需要，在受控的状态下由发送者向接收者的传播是现代无线通信的基础；但是在另一方面，由电子产品或电气设备产生的无序的不受控制的电磁辐射则被称为电磁泄漏[1]。
电磁泄漏会对人类造成危害：在我们生活的环境当中，电磁场无处不在，电磁泄漏也无处不在，生活在电磁场中的生物受到的影响日益严重。之前由于人们对电磁泄漏及电磁辐射的认识不够完整与系统，以至于我们没能够对电磁辐射进行有效地使用与控制，致使电磁辐射问题逐渐严重。并且电磁泄漏对生物体的负作用甚是严重，人类及动植物的正常生存都受到非常严重的威胁。电磁辐射极可能是造成儿童患白血病的原因之一，医学研究证明，长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变。电磁泄漏也会增加人类得癌症的概率，例如乳腺癌等病症。大量电磁辐射会影响少年儿童的骨骼发育，致使视力下降，严重都甚至可以导致视网膜脱落。电磁泄漏对胎儿发育产生不可预测的危害，例如肢体缺陷或畸形甚至流产；电磁泄漏可能会降低人类大脑的记忆力，例如我们平时经常使用的手机，其产生的电磁泄漏辐射就会对大脑造成极其严重的危害。电磁辐射会对人体的生殖系统，神经系统和免疫系统造成直接损伤，损害中枢神经系统。人的头部长期受电磁辐射影响后，轻则引起失眠多梦、头痛头昏、疲劳无力、记忆力减退、易怒、抑郁等神经衰弱症，重则使大脑皮细胞活动能力减弱，并造成脑损伤。据世界卫生组织报道，目前电磁泄漏污染已经成为了继水污染、大气污染和噪声污染之后的第四大污染源。电磁泄漏能影响电子设备的工作性能：电磁泄漏对在空间中传播的有用信号产生干扰，会增大接收者接收错误信号的概率；电磁泄漏对机电设备的正常运转产生干扰，导致系统内部的运行紊乱甚至毁坏。由于电磁泄漏对机电电气设备的干扰而引发的事故，每年都造成非常大的经济损失甚至人员伤亡。
电磁泄漏可能导致信息泄密，可能会造成重大经济政治和军事损失[2]。信息设备无意识的电磁发射会带有可利用的信息，这些信息通过接受可以复现出来，对信息的安全和保密工作造成严重的威胁[1]。一旦电磁泄漏所涉及的信息是保密的，那么这些泄漏，就会威胁到了信息安全。比如有些间谍装置能够对操作人员操作键盘时所产生的电磁辐射泄露进行分析并利用，就会得出所需要的信息。
此外，白色家电，机电产品和电子玩具出口业当前是我国对外出口当中的优势产业，在与欧美等发达国家的出口贸易中占有非常重要的地位。但是，由于目前我国的电子技术水平落后的原因，尤其是在机电电子产品的电磁兼容性的研究和应用较欧美发达国家有不小的差距，机电电子产品的电磁泄漏指标已经成为限制中国机电电子产品出口欧美等发达国家的最大桎梏。
由此可以看出，电磁辐射是有利于社会发展的信息载体与能量流载体，是我们生活中不可或缺的，但又会对我们的生产生活产生一定的不利影响，对环境造成污染，电磁辐射的危害已经引起国内外的高度关注与重视。所以，研究能够实时、准确、高速地检测我们生活环境当中的电磁辐射泄漏污染的仪器装置，并对得出的检测结果给予准确的判断，它无论是对个人预防电磁辐射泄漏污染还是对检测机电电子产品的电磁兼容性都有十分深远重要的意义。
已知最早的磁场探测器距今已有2000多年的历史，通过对地球磁场的感应来分辨方向。随着科学技术的逐渐发展与日趋完善，尤其是芯片以及半导体技术的发展进步，有关磁场测量的手段方法也是越来越多，越来越高效精确。文献[3-5]等有关传感器的专著对磁场传感器等各类传感器进行了综述。文献[6]又对各种磁场传感器的国内外应用情况进行了系统总结，包括检测1μG以下磁场(包括超导测磁、感应线圈、核子自旋进动测磁和光泵测磁)的低强度的磁场传感器；检测1μG到10G磁场（包括磁通门和各向异性磁阻传感器）的中强度的磁场传感器；检测10G以上磁场（簧片开关和洛仑兹力装置）的高强度的磁场传感器。文献[7-8]对基于霍尔效应法的磁强计（即电磁辐射监测仪）做了分析与设计；文献[9]对基于感应线圈法的特斯拉计（即电磁辐射监测仪）进行了介绍和研究。文献[10]和[11]分别对基于磁通门法和核磁共振法的电磁辐射监测仪做了分析与研究。总之，针对低频电子产品的电磁辐射监测，国产的磁场测量仪器精度普遍偏低，进口测量电磁泄漏系统价格昂贵，而且绝大多数只能测量一维磁场或二维磁场，空间三维磁场的分布情况需要多次测量和复杂的数据处理才能得到，无法实现快速测量[12] 。
国际电工委员会(IEC)为了推进人体暴露在电场、磁场和电磁场中的评估方法，于1999年10月成立106技术委员会( IEC/TC106) ，IEC/TC106的研究主要集中在与人体暴露有关的电磁、磁场以及电磁场的评估方法上，也就是电磁辐射的测量方法。我国也于2005年成立了全国照射人体有关电、磁和电磁领域评定方法标准化技术工作组，开展电磁辐射辐射测量方法的标准化技术研究工作[13]。
如表1-1所示为国际上部分国家或地区对电磁辐射容限值的粗略规定。
表1- 1部分国家或地区电磁辐射容限值
国家或地区 职业辐射（uT） 公众辐射（uT）
全身 局部 全身 局部
CENELENC 0.4 10 0.08 2
German 0.4 10 0.08 2
USFCC 0.4 8 0.08 1.6
ICNIPR/IRPA 0.4 10 0.08 2
Australia 0.4 8 0.08 1.6
IEEEC95.1-1991 0.4 8 0.08 1.6
EUROPE 0.4 10 0.08 2
1.3 课题研究的意义
机电低频产品在人们的日常生活中无处不在，它随时随地，时时刻刻地影响着人们的生存环境与生存状况，但是人们没有意识到它存在对人们的所产生的影响。随着人们对生存环境安全的重视，机电低频产品电磁辐射污染日益严重，电磁辐射逐渐成为人们关心的话题。在电磁环境中，电磁辐射造成的危害是各种各样的。所以，研究如何快速准确地检测出机电低频产品电磁辐射状况的电磁辐射监测仪表具有非常重要的意义。研究出一种简易电磁辐射监测设备势在必行，这有利于人们对身边周围环境所存在的电磁辐射得到及时的了解与控制。电磁环境日益恶化，导致多方面不利影响。开展对电磁辐射监测的研究，加强电磁管理，降低电磁骚扰，避免电磁干扰，是整个社会生活、环境保护等工作的当务之急。由于机电低频产品的发展及广泛应用，造成了电磁环境的复杂化。电磁环境是由空间、时间和频谱三个要素构成的。为了加强对电磁辐射的监测与控制，本文设计了一种简易的监测设备。本文在分析了电磁辐射监测方法的国内外研究现状的基础上，针对国内在电磁辐射监测仪方面的所存在的问题，完成了一种基于感应线圈法的机电低频产品电磁辐射监测仪的设计。
1.4 论文的主要研究工作和结构安排
1.4.1 论文主要研究工作
本课题完成功能设计的同时还要考虑成本、稳定性、可靠性等诸多因素，对机电产品低频电磁辐射监测仪研究的主要工作分为以下几个部分：
（1）电磁辐射监测仪的方法分析与研究
电磁辐射监测仪的核心部分是电磁辐射的检测方法，选择不同的方法对应的就有不同的信号处理方法，这对电磁辐射监测仪的测量精度，以及工艺设计等方面都有着至关重要的作用。本文研究了磁场测量的主流的几种方法，包括：感应线圈法、磁阻传感器法、霍尔效应法、磁通门法、核磁共振法等。并且着重研究了基于磁阻传感器法、霍尔效应法以及感应线圈法的磁场测量原理及其设计。最终得出对本课题最合适的磁场测量方法——感应线圈法。
摘 要
随着电子产品在我们日常生活中越来越多的广泛应用，以及人们对生存环境的重视，机电产品低频电磁辐射泄漏污染逐渐成为人们所关心的话题。所以，研究如何快速准确地检测出机电产品低频电磁辐射泄漏状况的电磁辐射监测仪表具有非常重要的意义。电磁波辐射继水源、大气和噪声之后成为第四大环境污染源，因此，世界各国都对电磁污染及其关注，在这方面作了大量的研究并制定了一些防护措施。
本文采用了理论分析和试验研究相结合的技术路线，依据电磁场技术、计算机技术、电磁兼容技术等，围绕机电产品低频电磁辐射辐射监测问题进行深入研究。在对系统总体方案和相关技术做出分析的基础上，设计了基于感应线圈法的低频机电产品电磁辐射监测仪，电磁辐射监测仪采用三个彼此垂直的感应线圈获取空间电磁场强度，实现了三维磁场强度的同时检测。在电磁辐射监测仪的软硬件的设计中，以MSP430f149为核心处理器，采用模块化设计，完成关于电磁信号检测电路、信号处理电路、液晶显示电路的设计。
通过测试，电磁辐射监测仪可以方便地测量出空间三维方向的低频电子产品电磁泄漏强度，为质量检测部门检测电子产品电磁兼容性能提供了重要的依据。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:机电产品；电磁辐射监测；三维方向
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景及研究现状 1
1.3 课题研究的意义 3
1.4 论文的主要研究工作和结构安排 4
1.4.1 论文主要研究工作 4
1.4.2 论文结构安排 4
第二章 电磁辐射监测仪方案研究 6
2.1 系统方案 6
2.2 电磁辐射监测仪技术方案分析 6
2.2.1 核心处理器 6
2.2.2 液晶显示模块 7
2.2.3 运放模块 8
2.3 电磁辐射监测方法研究 9
2.3.1 磁阻传感器法 9
2.3.2 霍尔效应法 11
2.3.3 感应线圈法 12
2.3.4 其它方法 14
2.4 结论 14
2.5 本章小结 15
第三章 电磁辐射监测仪的设计与实现 16
3.1 电磁辐射监测仪总体结构设计 16
3.2 电磁辐射监测仪的硬件电路设计 17
3.2.1 微处理器模块设计 17
3.2.2 信号检测模块设计 19
3.2.3 实时时钟模块设计 20
3.2.4信号处理模块设计 21
3.2.5 数模转换模块设计 22
3.2.6 液晶显示模块设计 22
3.2.7 电源模块设计 24
3.3 电磁辐射监测仪的系统软件设计 24
3.3.1 软件系统的总体结构 25
3.3.2 液晶显示软件设计 26
3.3.3 实时时钟软件设计 26
3.4 系统设计总结及可靠性设计 27
3.5本章小结 28
第四章 系统调试及问题分析和解决 29
4.1 系统硬件调试 29
4.2 本章小结 33
第五章 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
致谢 36
参考文献 38
附录A PCB 41
附录B 代码 42
外文翻译 50
一、英文原文 50
二、英文翻译 57
任务书 64
第一章 绪论
1.1 引言
随着科学技术的发展与进步，机电产品已经深深地融入到了我们的生产和生活当中，成为人们生活中必不可少的一部分。然而机电产品在工作的同时，也将产生的电磁能量辐射到周围空间当中，这些电磁辐射不仅会影响其它设备或系统的正常工作甚至会对人类的生命健康产生危害，这就是电磁泄露污染。
1.2 课题背景及研究现状
由麦克斯韦尔理论得：随时间变化的电荷或电流在导体上的运动会在导体周围产生随时间变化的电场和磁场，电、磁场间的相互作用，在一定条件下离开导体向远处运动，形成向自由空间传播的电磁波，被称为电磁波辐射[1]。电磁波按照人类的需要，在受控的状态下由发送者向接收者的传播是现代无线通信的基础；但是在另一方面，由电子产品或电气设备产生的无序的不受控制的电磁辐射则被称为电磁泄漏[1]。
电磁泄漏会对人类造成危害：在我们生活的环境当中，电磁场无处不在，电磁泄漏也无处不在，生活在电磁场中的生物受到的影响日益严重。之前由于人们对电磁泄漏及电磁辐射的认识不够完整与系统，以至于我们没能够对电磁辐射进行有效地使用与控制，致使电磁辐射问题逐渐严重。并且电磁泄漏对生物体的负作用甚是严重，人类及动植物的正常生存都受到非常严重的威胁。电磁辐射极可能是造成儿童患白血病的原因之一，医学研究证明，长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变。电磁泄漏也会增加人类得癌症的概率，例如乳腺癌等病症。大量电磁辐射会影响少年儿童的骨骼发育，致使视力下降，严重都甚至可以导致视网膜脱落。电磁泄漏对胎儿发育产生不可预测的危害，例如肢体缺陷或畸形甚至流产；电磁泄漏可能会降低人类大脑的记忆力，例如我们平时经常使用的手机，其产生的电磁泄漏辐射就会对大脑造成极其严重的危害。电磁辐射会对人体的生殖系统，神经系统和免疫系统造成直接损伤，损害中枢神经系统。人的头部长期受电磁辐射影响后，轻则引起失眠多梦、头痛头昏、疲劳无力、记忆力减退、易怒、抑郁等神经衰弱症，重则使大脑皮细胞活动能力减弱，并造成脑损伤。据世界卫生组织报道，目前电磁泄漏污染已经成为了继水污染、大气污染和噪声污染之后的第四大污染源。电磁泄漏能影响电子设备的工作性能：电磁泄漏对在空间中传播的有用信号产生干扰，会增大接收者接收错误信号的概率；电磁泄漏对机电设备的正常运转产生干扰，导致系统内部的运行紊乱甚至毁坏。由于电磁泄漏对机电电气设备的干扰而引发的事故，每年都造成非常大的经济损失甚至人员伤亡。
电磁泄漏可能导致信息泄密，可能会造成重大经济政治和军事损失[2]。信息设备无意识的电磁发射会带有可利用的信息，这些信息通过接受可以复现出来，对信息的安全和保密工作造成严重的威胁[1]。一旦电磁泄漏所涉及的信息是保密的，那么这些泄漏，就会威胁到了信息安全。比如有些间谍装置能够对操作人员操作键盘时所产生的电磁辐射泄露进行分析并利用，就会得出所需要的信息。
此外，白色家电，机电产品和电子玩具出口业当前是我国对外出口当中的优势产业，在与欧美等发达国家的出口贸易中占有非常重要的地位。但是，由于目前我国的电子技术水平落后的原因，尤其是在机电电子产品的电磁兼容性的研究和应用较欧美发达国家有不小的差距，机电电子产品的电磁泄漏指标已经成为限制中国机电电子产品出口欧美等发达国家的最大桎梏。
由此可以看出，电磁辐射是有利于社会发展的信息载体与能量流载体，是我们生活中不可或缺的，但又会对我们的生产生活产生一定的不利影响，对环境造成污染，电磁辐射的危害已经引起国内外的高度关注与重视。所以，研究能够实时、准确、高速地检测我们生活环境当中的电磁辐射泄漏污染的仪器装置，并对得出的检测结果给予准确的判断，它无论是对个人预防电磁辐射泄漏污染还是对检测机电电子产品的电磁兼容性都有十分深远重要的意义。
已知最早的磁场探测器距今已有2000多年的历史，通过对地球磁场的感应来分辨方向。随着科学技术的逐渐发展与日趋完善，尤其是芯片以及半导体技术的发展进步，有关磁场测量的手段方法也是越来越多，越来越高效精确。文献[3-5]等有关传感器的专著对磁场传感器等各类传感器进行了综述。文献[6]又对各种磁场传感器的国内外应用情况进行了系统总结，包括检测1μG以下磁场(包括超导测磁、感应线圈、核子自旋进动测磁和光泵测磁)的低强度的磁场传感器；检测1μG到10G磁场（包括磁通门和各向异性磁阻传感器）的中强度的磁场传感器；检测10G以上磁场（簧片开关和洛仑兹力装置）的高强度的磁场传感器。文献[7-8]对基于霍尔效应法的磁强计（即电磁辐射监测仪）做了分析与设计；文献[9]对基于感应线圈法的特斯拉计（即电磁辐射监测仪）进行了介绍和研究。文献[10]和[11]分别对基于磁通门法和核磁共振法的电磁辐射监测仪做了分析与研究。总之，针对低频电子产品的电磁辐射监测，国产的磁场测量仪器精度普遍偏低，进口测量电磁泄漏系统价格昂贵，而且绝大多数只能测量一维磁场或二维磁场，空间三维磁场的分布情况需要多次测量和复杂的数据处理才能得到，无法实现快速测量[12] 。
国际电工委员会(IEC)为了推进人体暴露在电场、磁场和电磁场中的评估方法，于1999年10月成立106技术委员会( IEC/TC106) ，IEC/TC106的研究主要集中在与人体暴露有关的电磁、磁场以及电磁场的评估方法上，也就是电磁辐射的测量方法。我国也于2005年成立了全国照射人体有关电、磁和电磁领域评定方法标准化技术工作组，开展电磁辐射辐射测量方法的标准化技术研究工作[13]。
如表1-1所示为国际上部分国家或地区对电磁辐射容限值的粗略规定。
表1- 1部分国家或地区电磁辐射容限值
国家或地区 职业辐射（uT） 公众辐射（uT）
全身 局部 全身 局部
CENELENC 0.4 10 0.08 2
German 0.4 10 0.08 2
USFCC 0.4 8 0.08 1.6
ICNIPR/IRPA 0.4 10 0.08 2
Australia 0.4 8 0.08 1.6
IEEEC95.1-1991 0.4 8 0.08 1.6
EUROPE 0.4 10 0.08 2
1.3 课题研究的意义
机电低频产品在人们的日常生活中无处不在，它随时随地，时时刻刻地影响着人们的生存环境与生存状况，但是人们没有意识到它存在对人们的所产生的影响。随着人们对生存环境安全的重视，机电低频产品电磁辐射污染日益严重，电磁辐射逐渐成为人们关心的话题。在电磁环境中，电磁辐射造成的危害是各种各样的。所以，研究如何快速准确地检测出机电低频产品电磁辐射状况的电磁辐射监测仪表具有非常重要的意义。研究出一种简易电磁辐射监测设备势在必行，这有利于人们对身边周围环境所存在的电磁辐射得到及时的了解与控制。电磁环境日益恶化，导致多方面不利影响。开展对电磁辐射监测的研究，加强电磁管理，降低电磁骚扰，避免电磁干扰，是整个社会生活、环境保护等工作的当务之急。由于机电低频产品的发展及广泛应用，造成了电磁环境的复杂化。电磁环境是由空间、时间和频谱三个要素构成的。为了加强对电磁辐射的监测与控制，本文设计了一种简易的监测设备。本文在分析了电磁辐射监测方法的国内外研究现状的基础上，针对国内在电磁辐射监测仪方面的所存在的问题，完成了一种基于感应线圈法的机电低频产品电磁辐射监测仪的设计。
1.4 论文的主要研究工作和结构安排
1.4.1 论文主要研究工作
本课题完成功能设计的同时还要考虑成本、稳定性、可靠性等诸多因素，对机电产品低频电磁辐射监测仪研究的主要工作分为以下几个部分：
（1）电磁辐射监测仪的方法分析与研究
电磁辐射监测仪的核心部分是电磁辐射的检测方法，选择不同的方法对应的就有不同的信号处理方法，这对电磁辐射监测仪的测量精度，以及工艺设计等方面都有着至关重要的作用。本文研究了磁场测量的主流的几种方法，包括：感应线圈法、磁阻传感器法、霍尔效应法、磁通门法、核磁共振法等。并且着重研究了基于磁阻传感器法、霍尔效应法以及感应线圈法的磁场测量原理及其设计。最终得出对本课题最合适的磁场测量方法——感应线圈法。
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