基于msp430的电磁场检测仪

1、精选优质文档-倾情为你奉上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，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

2、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

3、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

4、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

5、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。

6、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

7、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50H

8、z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：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

9、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（Mixed Signal Processor），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ARM内核内核，其具有高性能的32位运算能力，速度快，内部

10、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。2.2 LM358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，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(330V)5. 双电源(1.5 一15V)6. 低功耗电流，适合于供电7

11、. 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，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

12、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2.3 LM358带通滤波器带通滤波器是指能通过某一频率范围内的分量、但将其他范围的频率分量到极低水平的，与的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用同组合来产生.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

13、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。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6 50Hz带通滤波器图7 Multisim波形仿真2.4 LCD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

14、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8 Nokia5110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5070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LCD1

15、602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9 Nokia5110工作时序图图10 Nokia5110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型硅小功率的它是非常常见的，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，

16、应用范围很广，它是NPN型小功率三极管。也可用作。发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED） 是一种能发光的电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、及，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为、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。

17、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，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 稳压电路本设计可采用9V电池供电，方便携带。稳压芯片采用LM7805三端稳压芯片，用LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7805表示输出电压为正5V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采

18、用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。其稳压电路图如下图所示：图12 电源稳压电路3. 电磁场强度探测系统软件设计3.1 系统主程序设计系统主程序由定时器2产生1ms中断，每1ms AD采集一次，并保存在缓存中，每采集

19、一次数据就和上一次数据进行比较，把最大的值保存下来，每20ms读取最大值一次，每100ms取5次平均，起到平滑滤波作用。最后和设置零点进行对比，如果大于设定值，显示数据并声光报警，反之，则只显示数据。系统主程序设计流图如下图所示： 图13 系统主程序设计流图3.2 插值原理及误差分析本设计采用购买的合格仪器进行定点测试数值用来校准标准值，由于数据都是分散的，为了找到测量数据和采集的数据之间的关系，使用了一次插值原理。由于一次插值的误差在本设计要求误差范围之内，所以我采用了一次插值原理。而差值原理有邻近差值，邻近插值、一次插值、二次插值和三次插值等常用插值原理，次数越高，误差越小，越接近真实值。

20、邻近插值原理，如下图所示，已知数据点x0,y0,x1,y1(x0x1)，求在x处(x0xx1)相应的y值。要求得x的值，即看x与x0或x1之间的距离，如果x与x0的距离小于x与x1的距离，那么可以认为y=y0,反之，则y=y1。邻近插值的应用存在很大的误差，不太适合本设计的应用。xyy0x0y1x1x图14 邻近插值原理图一次插值原理，如下图所示，已知数据点x0,y0,x1,y1(x0x1)，求在x处(x0xx1)相应的y值。由线性关系方程可以得出，由此可以确定y与x1和x2之间的关系。图15 一次插值原理图本设计AD采集的数据和测量的数据如下表所示：AD采集电压(mV)测量数据值(uW/cm

21、2)30035295011010642121710372431183314157335017793851975表1 采集数据与测量值根据数据之间的关系可以求出，设AD采集的数据值为：x，购买的仪器测量的数据为：y。根据一次插值的原理，因为数据测量时跳变比较大，而所记录下来的数据都是出现次数比较多的，那么根据公式可以算出：同理可以求出： 。根据每段测出来的数据来看，他们所表达的直线的斜率都很相近，所以取他们之间的平均值，即，所以可以近似的看成是这一条直线，那么AD采集出来的数据和仪器测量的数据的对应关系就可以用上述公式联系起来了。线性插值并不一定总是能够满足精度要求，所以还有二次插值和三次插值原

22、理，二次插值原理如下图所示，设数据点x0,y0,x1,y1，x2,y2 (x0x1x2)，求在x处(x0xx1)相应的y值。由x0,y0,x1,y1 ,x2,y2构造二次曲线，并求取在x点的函数值。若将通过三点的曲线表示为二次多项式：可知： 图16 二次插值原理图二次插值的误差明显比一次插值的误差要小，而三次插值复杂程度更高，跟真实值更加的接近，三次差值比分段低次插值的优点是具有收敛性与稳定性，缺点是光滑性较差，不能满足实际需要。例如高速飞机的机翼形线、船体放样形值线、精密机械加工等都要求有二阶光滑度，即二阶导数连续，通常三次样条(Spline)函数即可满足要求。设上给出一组节点，若函数s(x

23、)满足条件(1) ；(2) s(x)在每个小区间上是三次多项式.则称s(x)是节点上的三次样条函数.若s(x)在节点上还满足插值条件(3) (3.2.8.1)则称s(x)为上的三次样条插值函数。本设计的要求根本不需要这些高阶的插值算法，一次插值原理即可满足设计要求。由于采取的一次插值原理近似，系统存在一定的误差，仪器的数值跳变，在选值上也存在一定的误差，但是误差范围都在4%以内，其误差如下表所示：AD采集电压(mV)测量数据值(uW/cm2)计算后的数据(uW/cm2)误差值(%)30000%3529283.37%501101121.81%1064214271.43%217103710511.

24、35%243118311981.27%314157315971.53%350177918001.18%385197519961.06%通过以上的数据可以发现，当数值越小时，误差越大。本设计基本满足了设计的要求，能够很好的检测工频条件的下电磁场辐射量，并能实时的显示出电磁场的强度。由于基准时使用的是购买的产品，在选择基准值的时候数值跳动，选值上就存在一定的误差，买的产品也存在误差，所以本设计设定的误差范围比较大，真正实际情况下所容忍的误差较小。本设计仅适用于家庭中检测工频电磁场辐射，在要求高的范围下，需要专门的环境来校准。4. 电磁场强度探测系统的安装与调试电感接隔直电容，环境中的电磁场在电感中

25、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，再通过LM358设计的50Hz有源带通滤波器，输出经过STM32F103VET6自带的AD采样，用STM32F103VET6控制Nokia5110液晶显示和蜂鸣器和LED构成的声光报警模块系统供电由9V电池供电。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。下图为实物图，测量数据和理论数据相差不大，在经过长时间的校准后，系统基本达到课题要求，能够检测并测量出工频电磁场的强度。图17 系统实物图在调试过程中，因为外界信号对于系统的影响比较大，当靠近工频辐射源时，放大电路同时将环境中其他频率的信号放大了，其放大后的信号包含的频率分量比较多，实物放大器输出波形如下图所示：图18 放大器输出信号由于放大输出的信号含有的频率分量比较多，所以在它的输出端加上了一个50Hz的带通滤波器，将其它频率分量的信号滤除。经过带通滤波器输出后的波形如下图所示：图19 滤波器输出信号结束语通过对该系统硬件，软