一种基于单片机的便携式电磁场检测仪设计【开题报告】.doc

1、毕业设计（论文）开题报告题目一种基于单片机的便携式电磁场检测仪设计专业电子信息工程1选题的背景、意义电磁场是大自然中普遍存在的现象，是一种可控的物理场，具有其独特的性能。近年来，随着经济的快速发展，人们对物质生活的要求越来越高，电视机，电冰箱，空调，电脑等各种高科技电器产品都已普及千家万户。然而，科学研究发现，各种电子产品或电子设备在人们的使用过程中都会产生一种对人体具有潜在危害的物质电磁波，这些电磁波对人体产生辐射作用。常见的例如，为什么人坐在电脑前工作久了皮肤会变差严重的特别是高频电磁波和强度较大的电磁场作用于人体后，导致人的精力和体力集聚衰退,容易得白内障、心血管等疾病，甚至导致人类免疫

2、机能的下降,从而引起癌症等病变。这些困扰人们生活的其中之一就是电磁场辐射13。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。2相关研究的最新成果及动态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干扰能力。首先进行电流值的计算，然后

3、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大小。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

4、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子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，速度较快的载流子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子数量大大减少，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，通过调节电阻大小来调节磁阻器件中电流的大小，用电压表可

5、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B1。当0B0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B1的频率不断的变化并通过共振区，当0B0时，就会出现共振信号，这种方法称为扫频法。二是固定B1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，该仪器利用具有高导磁率的软磁铁芯在外磁场的作用下而产生的电磁

6、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间的变化，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出来。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大。磁通门法的分辨率极高，但是测量的频率范围约在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

7、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、适应频率和温度范围宽,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48。当然电磁场的测量需要相应的测量仪器，目前电磁场测量仪根据测量目的可分为宽带辐射测量仪和选频式窄带辐射测量仪。无论是宽带辐射测量仪还是选频式窄带辐射测量仪,一般都是由天线和主机两部分构成。（1）宽带辐射测量仪宽带辐射测量仪通常使用宽度探头，宽度探头又可分为电场探头和磁场探头两种。电场探头由3个正交的探头、接收端接肖特基检波二极管、RC滤波器组成。检波后的直流电经过高阻传输线或光缆送入数据处理和显示电路。一般来说，这类仪器探头响应较快、动态

8、范围较大,为避免谐振，天线偶极子的长度应远远小于被测频率的半波长。磁场探头由3个相互正交的天线和二极管、RC滤波元件、高阻线组成,用来确保其全向性和频率响应。（2）选频式窄带辐射测量仪这类仪器适用于环境中电平较低的电场强度、电磁兼容、电磁干扰的测量。选频指的是只选择某一些频率来进行测量,只让频率很小的信号进来，滤除其它频率较大的信号。选频式测量仪的灵敏度比非选频式测量仪的灵敏度高很多。在某一具体的电磁场环境中,对设备电磁辐射的评价取决于该设备本身所具有的特性、环境电磁特性及频域特性和时域特性913。目前也有不少公司生产出了一些便携式电磁场检测仪，如图21所示，方便电磁场的测量。例如，由北京恒奥

9、仪器仪表有限公司生产的一款ZDKAV3942便携式电磁场检测仪。这个检测仪采用嵌入式ARM硬件控制平台，基于DSPFPGA数字中频率处理技术，实现了测量、数据校准及补偿的一体化，还采用了微波小型化多功能综合集成技术，解决了窄带跟踪滤波器等小型化设计的难题，可在频率范围10KHZ到3000MHZ之间直接进行电磁场强度的测量14。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标1、研究内容本课题研究电磁场的检测方法，结合智能测量技术实现电磁场测量的数字化和自动化。使其在测量过程中灵敏度高、体积小、适应频率和温图21便携式电磁场检测仪度范围宽,而且既可测量恒定磁场,又可测量交

10、变磁场。2、研究方法本设计系统涵盖8个模块霍尔元件模块、信号处理与采集电路、仪表放大模块、数字调零模块、A/D转换模块、大屏幕液晶显示单元、单片机及存储系统模块和系统软件设计模块。磁场测量仪系统硬件框图如图31所示，霍尔元件输出的霍尔电压经过仪表放大,由A/D转换器采样实时采集,硬件通过单片机实现处理,计算机软件编程思想来实现,并将采集的数据通过软件编程完成数据的运算与存储,通过液晶显示器显示出对应位移的霍尔电压和磁感应强度,将测量数据和处理结果保存在单片机内,便于调出查看,对位移可实现即时显示等。（1）霍尔元件模块霍尔效应的基本原理如图32所示。在Y方向通以电流I。并在Z方向施加磁感应强度为

11、B0的磁场，那么载流子在X方向受到洛伦兹力作用而在两端产生霍尔电动势EN。根据霍尔效应制造的霍尔器件是具有一定形状的半导体薄片，其霍尔电动势为EHRHIB0/D。霍尔传感器磁场信号处理放大恒流源A/D转换器单片机存储系统显示量程切换图31磁场测量仪系统硬件框图图32霍尔效应原理图霍尔器件的定标就是确定霍尔电动势EH与外磁场B0的比例关系。所以在霍尔器件的先行区，可以通过改变工作电流I，使其达到预先设置的霍尔电动势EH与外磁场B0的比例关系,从而完成先行区的定标。把对应工作电流下的非线性霍尔电动势与外磁场B0作为数据表格存储在一个串行的E2PROM中，测量时就可以通过查表和线性拟合的方式求得外磁

12、场B0。因此，只需在霍尔器件探头上封装一个串行E2PROM，将该探头的工作电流和对应的非线性区表格存储在其中即可。更换探头后磁场测量仪的CPU可以从E2PROM中取得该探头的工作电流然后调节一个可控的恒流源完成定标工作。（2）信号处理与采集电路本系统信号处理电路由程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路组成，对不同类型磁场进行高精度测量。（3）仪表放大模块仪表放大模块采用低成本、高精度的放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节方面起到

13、很大的作用。（4）数字调零模块由于制作工艺的原因，霍尔器件总有不等位电势存在。为了适应自动测量的需要，不等位电压的补偿由数字调零电路实现，使得测量更精确。（5）A/D转换模块A/D转换即将模拟信号转换成数字信号。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量，而对信号的处理采用了数字计算机技术，所以要将这些模拟信号转换成数字信号。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路，即A/D转换电路。（6）液晶显示单元B0IDEHXYZ为了清晰地绘制螺线管磁场的分布曲线，本设计系统涵盖了液晶显示模块。采用液晶显示器显示磁场分布曲线。液晶显示器由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方

14、。液晶显示器功耗很低，适用于一些电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面，单片机可以方便地对其进行读写操作。（7）单片机及存储系统单片机也被称为微控制器，通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。本实验过程中要测量大量的数据,为了保证实验过程中设置的信息如设置的霍尔元件灵敏度,在掉电时不丢失,系统中还增加了存储器1516。（8）系统软件设计本测量仪主程序采用传统的前后台式编程思想,即对于对时间比较敏感的子程序放在中断子程序中进行处理如键盘扫描子程序为尽量减少中断占用的时间,对于一些耗时的操作采用

15、设置相应的标志位,有主程序扫描监测处理主程序包括键盘消息处理子程序、常规任务处理子程序,主要负责键盘消息处理和新建任务的处理,主程序流程如图33所示。显示开机画面并出现第一级菜单初始化设置扫描键盘有键按下否执行键盘消息处理子程序扫描测量任务表有任务否执行测量任务有有否图33主程序流程图借用WINDOWS的消息处理机制,当主程序扫描到键盘缓冲区中有按键消息存在时,键盘消息处理子程序将扫描内存中记录当前活动窗口信息的数据结构,然后将消息发往当前活动窗口,该窗口处理子程序将决定该消息是否是有效消息,对于有效的消息将进行处理,而对无效的消息将不予响应直接退出17。3、预期达到的目标（1）能准确测量电磁

16、场强度，测量误差小；（2）便携易用，易于日常使用；（3）制作样品；4研究工作详细工作进度和安排1）2010年12月1日2011年1月10日阅读相关文献，查找、分析资料，完成开题报告、文献综述、外文翻译的撰写2）2011年2月28日3月5日，明确功能需求与性能需求3）2011年3月5日4月15日进行总体设计，对系统各模块功能设计4）2011年4月15日5月31日完成毕业论文撰写5）2011年5月27日5月29日论文答辩5参考文献1汪琛，尹涵春，赵宏卫，童林夙电场强度的三维数值计算方法的研究J东南大学学报,1996,032吴炳强合理选择汽轮发电机转子大齿表面横向槽的几何尺寸J大电机技术,1983,

17、023HHALL,冯国鸣,谭天祐电极几何参数、电场强度对电收尘性能的影响J建筑热能通风空调,1985,024王红梅电场和磁场的对比学习J河北自学考试,2005,075黄宜升电场强度与磁场强度J南昌水专学报,1993,026郝新亚,姜永珉,张琼近场局部目标强度分析J舰船科学技术,1994,047李成榕,王文端,林章岁,王景春暂态电场球形测量探头的研究J华北电力大学学报,1993,S18蔡建乐，乔楚良力和电场强度叠加原理的相对论分析J广西物理,1995,Z29汪琛，尹涵春，童林夙电场强度的三维数值计算J真空电子技术,1996,0210张飞舟,刘尚合雷电电磁脉冲场的近场近似J高电压技术,2001,0611电磁波理论M孔金瓯电子工业出版社200312电磁场理论基础M王蔷、李国定、龚克清华大学出版社200113张玉华金属平板表面缺陷扰动的磁场量分布研究D国防科学技术大学,200314李伟基于交流电磁场的缺陷智能可视化检测技术研究D中国石油大学200715袁明辉电磁场理论教学研究J科技创新导报，2010/0516薛程颢基于霍尔元件的电磁场检测J，科协论坛，2010/0817张闪基于ANSYS的多相流测井传感器电磁场仿真研究J石油仪器，2010/02