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便携式工频电磁场检测仪参赛学校：湖北工程学院物理与电子信息工程学院2014年4月摘要本设计是以STM32F103VET6单片机为控制核心，由带通滤波器，信号放大电路，AD转换器电路，Nokia5110液晶显示器，按键控制电路，蜂鸣器电路部分组成。通过霍尔效应，将采集的电磁场信号通过LM358放大、滤波，经过AD转换为数字信号显示出来。当电磁场的强度超过国家规定的安全范围时进行声光报警，并同时显示检测到的电磁场的强度。该系统操作方便、性能良好，比较符合家庭生活中的工频电磁场辐射的检测。关键词：1.作品概述1.1背景：当台式机走入寻常百姓生活的那一刻开始，由电子产品引发的电磁辐射污染在人们的生活中越来越引发关注。可见，电磁场的测量极为重要，目前电磁场的测量已广泛应用于工业、电子、通讯和国防等科学研究，但是高精度、便携式的电磁场测量仪多用于科学研究，且价格昂贵，因此开发一种价格低廉，便携易用的电磁场测量仪具有较强的应用价值及重大意义。目前测量电磁场常用的方法可分为如下几种：1)电磁感应法电磁感应法是由法拉第电磁感应定律得到的，通过线圈感应电动势来确定磁通量的变化，从而得到电磁场强度。这种方法的测量元件采用了单匝线圈，通过良好的接地和屏蔽措施等提高测量系统的稳定性和抗十扰能力。首先进行电流值的计算，然后将磁场测得的结果与通过该电流计所得的理论值做比较，若误差很小，即可验证方案的可行性。这种方案最主要的是屏蔽问题，只要有很好的屏蔽措施，电磁感应法就可以作为测量磁场强度的一种有效方法。2)霍尔效应法霍尔效应法是采用霍尔传感器来进行测量的一种方法。霍尔传感器由电源提供激励电流，这种方法所采用的电路图中有可变电阻，用来调节激励电流的人小。霍尔电势的负载电阻，一般用于表征显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。磁通计中的传感器一般都采用具有线性特性的霍尔元器件，开关特性随磁体本身材料及形状不同而不同，低磁场时磁通达到饱和状态，直流无刷电动机的控制一般采用有开关元件的霍尔传感器。它会产生不等位电势，相应的也会产生不等位电阻。由于采用恒流源输入作为激励电流，所以传感器的输出只能由磁场的强度来决定。3)磁阻效应法磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。与霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流予在磁场中受到洛伦磁力作用而产生。当达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力等于其洛伦磁力，载流子在两端集聚产生霍尔电场，速度较慢的载流子偏向于电场力方向，速度较快的载流了则偏向于洛伦磁力方向。这种偏转导致外加电场方向运动的载流予数量人人减少，从而使电阻增加。这种方法将处于磁场中的磁阻器件与一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过调节电阻人小来调节磁阻器件中电流的大小，用电压表可以分别测量外接电阻的电压和磁阻器件的电压，最后得到电磁场强度的大小。4)核磁共振法核磁共振法是一种采用扫场的方法观察核磁共振现象并进行共振频率测量的一种方法。这种方法需要有一个恒定的外磁场B0和一个与B0和M所组成的平面垂直的旋转磁场Bl。当00B时，发生核磁共振。观察核磁共振信号有两种方法：一是固定B0，让Bl的频率不断的变化并通过共振区，当吁00B时，就会出现共振信号，这种方法称为扫频法。二是固定Bl的频率不变，让B0不断变化扫过共振区，则为扫场法。一般情况下均采用扫场法。5)磁通门法磁通门法是一种利用磁通门磁力仪进行测量的方法，该仪器利用其有高导磁率的软磁铁芯在外磁场的作用下而产生的电磁感应现象测定外磁场。它的传感器的基本原理基于磁芯材料的非线性磁化特性。其敏感元件是由高导磁系数、易饱和材料制成的磁芯。有两个绕组围绕该磁芯，一个是激励线圈，另一个是信号线圈。在交变激励信号的作用下，磁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和问的变化，从而使围绕在磁芯上的感应线圈的输出信号与外磁场成正比，该感应信号包含f、2f等其它的谐波成分，偶次谐波含有外磁场的信息，可以通过特定的方法提取取来。这些方法各有各的优点和缺点所在。例如核磁共振法测量具有较高的灵敏度，但是测得的误差比较人。磁通门法的分辨率极高，但是测量的频率范围约和10Hz以内，只适用于测量缓慢变化的恒定磁场，一般专业用于地磁勘探测量。霍尔效应法是一种比较理想的测量方法，其使用的霍尔器件灵敏度高、体积小、适心频率和温度范围宽，而且这种方法既可测量恒定磁场，又可测量交变磁场，简单、方便又可靠。1.2产品方案：1.2.1设计要求与指标要求能够对一般的工频电场（如电脑电源、显示器电源等）进行探测。可以先做一维的传感器，需要进行微弱信号的放大、保持、模数转换，显示。系统的指标要求：测量精度：uW/cm2、量程：1uW/cm2-1999uW/cm2、报警阀值：1uW/cm2、测试频率：50Hz、误差范围4%。1.2.2设计方案本设计是以电感为探测模块，环境中的电磁场在电感中产生电磁感应，在电感中产生感应电流。将电感产生的感应电流经过由LM358构成的两级放大400倍的放大模块，再通过LM358设计的50Hz有源带通滤波器的滤波模块，Nokia5110液晶显示模块，蜂鸣器和LED构成的声光报警模块和STM32F103VET6自带的AD和控制模块组成，系统供电由9V电池通过LM7805稳压模块产生。将最后的输出信号与标准的电磁辐射检测仪进行比对，得到信号与辐射强度的单值关系，然后通过数值拟合得到两者之间转化的系数，从而实现对仪器的标定。全系统使用9V电池供电，方便携带，功能齐全。系统操作方便、性能良好，比较符合家庭生活中的工频电磁场辐射的检测。其系统的系统框图如下图1所示：探头放大模块滤波模块AD采集控制模块液晶显示模块声光报警模块电源模块图1系统的总体框图2.电磁场强度探测系统硬件设计2.1主控芯片本系统使用MSP430系列的MSP430F149芯片，该芯片最小系统包括复位电路和时钟电路。其中时钟电路有两个，一个是32768晶振，另一个是8MHz晶振，如果外部接了8MHz晶振，就可以切换使用外部的8MHz晶振。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor），内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC有多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，转换在选定的一组模拟输入上自动进行。基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核内核，其具有高性能的32位运算能力，速度快，内部资源丰富，具有出色的实时性能、优越的功效、高级的、创新型外设、最大的集成性等特点。2.2LM358放大电路LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其功能引脚图如下图所示：图LM358功能引脚图特性：1.内部频率补偿2.直流电压增益高(约100dB)3.单位增益频带宽(约1MHz)4.电源电压范围宽：单电源(3—30V)5.双电源(±1.5一±15V)6.低功耗电流，适合于电池供电7.低输入偏流8.低输入失调电压和失调电流9.共模输入电压范围宽，包括接地10.差模输入电压范围宽，等于电源电压范围11.输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)本设计采用两级同相比例放大电路，前级同相输入放大电路如图5所示，信号电压通过电容C1隔离直流分量加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和R2反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。图4前级同相比例放大根据运放虚短虚断的定理，112VRRVo，由公式可以知道，前级放大20倍，由于LM358可以单电源供电，因为响应范围可以根据反相输入端的电位来设置零势点。所以把零势点设计为地，这样就可以截断负电压，方便STM32F103VET6进行AD采集。其波形仿真如下图所示，蓝色为输入信号，红色为输出信号。图5同相比例放大电路波形仿真2.3LM358带通滤波器带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLCcircuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生.一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。本设计采用FilterPro软件设计的50Hz带通滤波器，通过Multisim软件仿真，FilterPro软件设计的50Hz带通滤波器和Multisim软件波形仿真如下图所示：图650Hz带通滤波器图7Multisim波形仿真2.4LCD显示电路本设计显示部分采用Nokia5110液晶显示频，Nokia5110是一款经典机型，可能由于经典的缘故，旧机器很多，所以很多电子工程师就把旧机器的屏幕拆下来，自己驱动Nokia5110，用于开发的设备显示，取代LCD1602。Nokia5110的实物图如下图所示：图8Nokia5110实物图使用Nokia5110液晶的四大理由:1.性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般50~70元。2.接口简单，仅四根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。3.速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。4.Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。Nokia5110(PCD8544)的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议，如果单片机有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常没有必要，只需要软件程序模拟即可。其时序图和引脚图如下图所示：图9Nokia5110工作时序图图10Nokia5110引脚定义图2.5报警电路本设计采用三极管驱动蜂鸣器和LED来实现声光报警，本设计采用S9013做开关管，S9013是一种NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小功率三极管。也可用作开关三极管。发光二极管（英语：Light-EmittingDiode，简称LED）是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。LED具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，LED在光电转换效率(有效照度对用电量的比值)上仍然低于新型的荧光灯，是国家以后发展民用的去向其电路图如下图所示：图11声光报警电路2.6稳压电路本