静电场场强测量仪设计.doc
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毕业设计论文
静电场场强测量仪设计
DesignofElectrostaticFieldStrengthMeasuringInstrument
王东
吉林建筑大学城建学院
2016年6月
毕业设计论文
静电场场强测量仪设计
DesignofElectrostaticFieldStrengthMeasuringInstrument
学生：
王东
指导教师：
衣文索（教授）
专业：
电子信息工程
学号：
1209000206
所在单位：
电气信息工程系
答辩日期：
2016年6月
毕业设计（论文）原创承诺书
1．本人承诺：
所呈交的毕业设计（论文）《静电场场强测量仪设计》，是认真学习理解学校的《电气信息工程系毕业设计写作规范》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。
4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。
以上承诺的法律结果将完全由本人承担！
作者签名：
年月日
目录
摘要 Ⅰ
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1设计场强测量仪的背景及意义 1
1.2静电场场强测量仪研究的国内外研究现状 1
1.2.1测量电电场常用的研究方法 1
1.2.2场强测量仪的国外研究现状 2
1.2.3场强测量仪的国内研究现状 3
1.3本课题研究的主要内容 3
第2章整体方案设计 4
2.1总体实现原理概述 4
2.2系统主要元器件的介绍 4
2.2.1霍尔传感器 4
2.2.2集成运放 5
2.2.3A/D转换器 6
2.2.4液晶显示器 7
2.3关键技术难点与解决途径 7
第3章静电场场强测量仪的具体设计 8
3.1霍尔元件 8
3.1.1霍尔效应 8
3.1.2霍尔元件模型的创建 9
3.1.3AD/DA转换电路 10
3.2基准电压的设计 12
3.3调理电路模块的设计 12
3.3.1信号处理与采集电路 12
3.3.2仪表放大单元 12
3.3.3数字调零 14
3.4A/D转换电路 14
3.5液晶显示单元 15
3.6单片机及存储系统 16
第4章系统软件设计 17
4.1主程序软件设计 17
4.2A/D软件设计 18
4.3数据处理模块 20
4.4液晶显示单元软件设计 20
第5章仿真结果及分析 24
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录1
摘要
本设计是制作一种静电场场强测量仪，该设计有硬件和软件两部分共同实现。
硬件部分由霍尔传感器，调整电路，A/D转换器，微处理器CPU，液晶显示器五个部分组成。
硬件设计过程中绘制出系统原理图，完成整个硬件系统的搭建及系统的调试工作。
软件部分即通过对单片机编程，在LCD液晶上实现测量信号的动态实时显示，显示环境信息等相关参数。
整合程序，使编程实现静电场场强测量仪基本功能。
进一步完善程序，增加整个系统的稳定性。
本设计既可测量直流电场，又可测量交变电场，体积小，性能高，适用频率范围宽，应用前景广泛，适用于宽频的静电场、微波、直流电场、计算机房、电厂和用电环境等永久电场，具有较大的应用价值。
关键词：
测量仪；硬件；软件；电场
Ⅰ
ABSTRACT
Thisdesignistomakeakindofelectrostaticfieldintensitymeasuringinstrument,thedesignofthehardwareandthesoftwaretwopartstogethertoachieve.HardwarepartconsistsofHallsensor,adjustingcircuit,a/Dconverter,CPUmicroprocessor,liquidcrystaldisplayfiveparts.Drawthesystemschematicdiagramofthehardwaredesignprocess,completetheentirehardwaresystemisbuilt,andthesystemdebuggingwork.Partofthesoftwarethroughofmicrocontrollerprogramming,LCDtoachieverealtimedynamicdisplayofsignalmeasurement,displayenvironmentinformationandotherrelatedparameters.Programintegrationmakesprogrammingtoachievethebasicfunctionsofaportableelectromagneticfielddetector.Tofurtherimprovetheprogram,increasethestabilityofthewholesystemQualitative.
ThedesigncanmeasureDCmagneticfield,andmeasuringthealternatingmagneticfield,smallvolume,highperformance,applicablefrequencywiderangeandapplicationprospectarewidelyforbroadbandelectromagneticfield,microwave,DCelectromagneticfieldelectromagneticfield,computerroom,powerplantsandelectricityenvironmentpermanentmagneticfield,withgreatapplicationvalue.
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Keywords：
Measuringinstrument；hardware；software；magneticfield
吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文）
第1章绪论
1.1设计场强测量仪的背景及意义
静电场普遍存在于人们的生产生活中，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。
可见，静电场的测量极为重要，目前静电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、场强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，场强测量仪具有较强的应用价值及重大意义。
1.2静电场场强研究的国内外研究现状
1.2.1测量电场常用的研究方法
测量电磁场方法如下：
1.电磁感应法
在电磁感应定律中得到了电磁场强度。
一些屏蔽措施与接地是这些测量和单线圈的重要环节。
我们这样做可以使系统更加稳定与牢固。
我们要算出电流的计算值，然后再将磁场的数值与原来的数值进行比较,如果差别很小的话,就说明这个方案是可以的。
这里有很多问题，但最主要的问题就是屏蔽的问题。
我们要更多的去了解那些问题，才可以让方案更好的实施。
2.霍尔效应法
霍尔效应法是可以测量传感器数值的办法。
它是由电外部的电源来给提供电压的，从而获得电流。
这种方法有很多好处，它可以调节我们制作电路图中电阻，从而得到我们想要的电流数值。
它的作用就是可以显示仪表的数值还可以记录仪器中的输入阻抗。
霍尔元器件一般在仪器中的作用就是记录磁通的状态，开关的属性就是随着材料的不同而不动，当我们设计中需要的磁场达到饱和状态，我们都会按照要求选择元器件的开关。
它采用霍尔传感器的电位，相应的范围太小，阻力。
通过不断输入励磁电流作为传感器的输出。
3.电阻效应法
电场的变化就是随着电阻的变化而变化。
这些效应的变化就是在这个力的作用下变化而来的。
在系统达到稳定的时候也就是电场力等于这个力，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，大大减少，从而使电阻增加该方法的一个装置将在一个外部磁场和一个串联电阻，在电流源连接的电阻，通过调整约束装置的尺寸大小的电流，用电压表测量电压和电阻可以抑制电压，最后电力。
4.电通门法
这就是传感器的最主要的材料。
它的属性很好，材料更加稳定。
我们需要有两个线圈都是围绕着它来运转的。
在这两个线圈的运转上我们可以确定信号的来源以及变化。
我们可以通过电场来判断磁场以及谐波的变化。
这些方法各有优缺点，核磁共振光谱测量方法具有较高的灵敏度，但测量误差是比较大的。
高分辨率的我的门方法测量约10赫兹的频率，但是，只适用于测量缓变的恒定磁场对一般职业低，测量地磁勘探。
是一种理想的方法来测量的霍尔器件，具有灵敏度高，体积小，一个范围广泛的频率和温度可以测量的,而且这种方法不仅能测量恒定电场,还能测量交变电场，简单、方便又可靠。
1.2.2场强测量仪的国外研究现状
当然，必须有相应的静电场的测量仪器检测场强测量仪的过程中需要很多测量仪来检测。
我们要通过了解这些测量仪的知识与用法才能知道它的频率。
1.宽带辐射测量仪
现在比较这种测量仪的结构都是由两个探头来组成的。
这种测量的是通过测量流过电阻的大小来判断数据的从而我们能测量出来数值。
它的探头是通过的它反应的快慢。
来实现天线的长度小于半波长。
这个仪器是由二极管，正交天线组成的，它这样就能确保检测到子弹的速度。
2.选频式窄带辐射测量仪
这是一种在我们日常生活中常见的测量仪。
它测的电场强度比较的小的东西。
选它是通过测量频率来确定场强的。
它的测量范围比较小，但是他的优点就是他的精准度要比一般的测量仪要精准的多。
在一些特定的情况下我们只能用这种测量仪，它的实用与便捷为我们生活提供了很多便利。
1.2.3场强测量仪的国内研究现状
1.液注式测量仪
1998年，苏永宏等对高绝缘性烃类液体燃料的静电雾化进行了试验研究，所采用的试验装置由静电雾化器、高压电源和测量装置三部分组成，高压电源采用电压0～60KV的直流高压电源和高压脉冲电源两种，油雾颗粒尺寸测量用MalvernST2600测量仪，利用Fraunhofer衍射法，并由摄像器拍照成放大四倍的图片。
在试验中发现，采用高压脉冲电源时其雾化效果优于直流高压，但当电压达到某一最大值时，充电水平骤然下降，平均电荷密度大幅度下降，对此苏永宏等运用Kelly理论将其看成液柱表面电晕放电进行了解释。
2.雾化式测量仪
2002年，江苏理工大学以煤油为喷雾介质，研制了非极性燃料的充电装置和喷雾试验台并对煤油的荷电特性和雾化特性进行了实验研究，首次采用PIV技术对荷电喷雾流场进行了测量和分析，通过电晕荷电实现了非极性绝缘液体的雾化，并发现：
荷电能有效的减少雾滴粒径的大小；荷质比增加，射流扩散角增大。
1.3本课题研究的主要内容
本课题主要研究静电场的检测方法，结合智能测量技术实现静电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、适应频率和温度范围宽,而且既可测量恒定电场,又可测量交变电场。
现在我们生活中需要更加深入的了解太阳能，开发出更加方便的能源。
社会污染的比较严重，我们就要进一步的研究一些更加环保的能源，为我们这个美丽的家园尽自己全部力量。
我想在以后的社会里我们开的汽车都会是用电的，不要再用汽油了。
所以我会更加努力，争取在我的有限的时间创造出无限的价值。
第2章整体方案设计
本章将首先介绍一种静电场场强测量仪的总体设计方案，并对该设计方案的重要元件加以介绍。
然后对该设计方案的关键技术难点和解决方法进行进一步的说明。
2.1总体实现原理概述
系统主要由霍尔传感器、A/D转换器、微处理器、LCD组件的硬件系统，磁强，如图2-1。
霍尔元件输出的霍尔电压的区域科尔放大A/D转换，通过单片机实时采集处理、计算机硬件、软件的实现思想，并将采集数据通过程序个软件的计算和存储的液晶屏显示相应的位移和电感应的霍尔电压，并将数据存储在R单片机的结果，以便产生的位移。
可以实时显示。
霍尔传感器
电场
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2-1总体设计方案
2.2系统主要元器件的介绍
2.2.1霍尔传感器
设计系统就需要采集信号，在这里我用的是传感器来采集的信号。
本设计用到的霍尔传感器型号为AH350。
AH350线性霍尔传感器由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成。
其输入是电磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压。
AH350产品不仅线性好，灵敏度高，输出电阻小，便于设计中的使用，而且它功耗比较低，温度稳定性较好，寿命长，深受使用者的喜爱。
这些参数如表2-1和表2-2所示；
表2-1极限参数
参数
符号
型号与量值
单位
电源电压
Vcc
6
V
电磁感应强度
B
不限
mT
工作环境温度
TA
-20~+85
℃
高温存储温度
TS
150
℃
表2-2霍尔传感器的电特性
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压
Vcc
-
4.5
-
6
V
电源电流
Icc
-
-
9
14
mA
静态输出电压
Vout
B=0
2.252.5
2.5
2.75
V
灵敏度
S
B=±90mT
7.5
13.5
17.5
mV/mT
2.2.2集成运放
设计系统在完成信号的采集之后，要对信号进行放大，因此，需要用到集成运放。
集成运放是一种高增益多级直接耦合运算放大器，其应用一般分为反相放大器，同相放大器，差分放大器等，内部结构如图2-2所示。
本设计用到的集成运算放大器型号为OP07。
差动输入级
放大级
输出级
偏置电路
图图2-2内部结构图
OP07是低噪声高精度运算放大器，具有无限大的差模输入电阻、趋于零的输出电阻和无限大的差模电压增益及共模抑制比，其共模抑制比为126dB。
具有较低的输入失调电压，较低的输入噪声电压幅度和无限大的频带宽度。
当V0为有限值时，则输入的差模电压就必须趋于零。
同时采用差分输入阻抗是无限的，所以在输入电流集成放大器。
OP07元件图如图2-3所示。
OP07运算放大器作用十分广泛，可应用于电压比较器，稳定积分，绝对值电路及微小信号的精确放大。
尤其适用于航天、军工及要求微型化的、可靠性高的精密仪器中。
图2-3OP07元件图
2.2.3A/D转换器
设计系统在数据输出过程中需要通过A/D转换才能有效输出。
原因在于霍尔传感器采集的信号转换为模拟信号，使读取数据的模拟信号的数字信号。
A/D转换器即为模拟信号与数字信号之间的转换，也称模数转换器。
本系统采用的A/D转换器型号为TLC1543，如右图2-3所示。
TI公司设计的多通道、价格低。
而且性能超级好，还有就是检测方便简单。
该转换器采用串行通信接口，可以任意三个内部测试或测试，可广泛应用于各种大数据采集系统。
图2-3A/D转换器
TLC1543的分辨率为10位，电源电压为5V，接口形式为串行数据总线接口，转换时间为10us。
它有11路模拟信号输入端，模拟信号输入由内部多路器选择。
2.2.4液晶显示器
设计系统的A／D转换输出信号的液晶显示系统。
液晶显示器的测量。
因此系统中我用的是LCD1602这个型号的显示器。
LCD1602液晶显示能力很强。
最适合工作的电压为5V。
为显示在一个嵌入式控制器80千兆字节的RAM缓冲区。
控制器必须在阅读和写作，阅读和写作的认识。
该显示器显示状态。
如表2-3所示
表2-3状态字说明
ST7
D7
ST6
D6
ST5
D5
ST4
D4
ST3
D3
ST2
D2
ST1
D1
ST0
D0
ST0-6
当前数据地址指针的数值
ST7
操作
1代表禁止0代表允许
初始化过程包括：
延时15ms，写指令38H，延时5ms，写指令38H，再延时5ms，写指令38H，以后每次写指令、读/写操作之前均需要检测忙信号。
然后进行显示模式的设置，关闭，清屏直至结束。
2.3关键技术难点与解决途径
通过对目标系统的技术指标进行分析，结合场强测量的基本原理，不难发现，设计该测量仪的关键技术难点如下：
1.信号的采集
2.小信号的放大
3.2.6V基准电压的实现
针对以上三个关键技术难点，在本设计中采用了以下的解决措施：
1.对信号的采集，本设计采用高灵敏度霍尔传感器。
但是，元件库中没有霍尔传感器，因此，本设计中在Proteus软件中创建了一个模拟霍尔传感器。
2.根据本设计中采用的TLC1543型号A/D转换器，电压范围为0~5V，而霍尔传感器采集到的信号均为弱小信号，则需要将小信号进行放大，使其满足A/D转换器的电压范围。
因此，本设计采用集成运算放大器（差分运算放大器和反向运算放大器）进行放大。
3.由于霍尔传感器的基准电压为2.6V，而现实生产生活中，一般使用的电源电压均为5V或者12V,一般电池电压均为1.5V，由此可见，想要直接得到2.6V的电压比较困难。
因此，本设计中连接了一个外接电路，输入电源电压为5V，通过我的计算得出输出端口的电压为2.6V。
第3章静电场场强测量仪的具体设计
本章通过对静电场场强测量仪所采用的各部分电路进行分析，说明相关设计原理。
本设计包括霍尔元件的设计、基准电压的设计、调理电路的设计、AD转换电路的设计、液晶显示的设计及单片机存储六个模块。
设计过程中，首先需要采集周围电场的信号，因此本设计中采用霍尔传感器进行信号采集。
将采集到的信号通过调理电路模块、AD转换模块、液晶显示模块进行有效的输出显示，以完成设计。
3.1霍尔元件
3.1.1霍尔效应
霍尔效应的基本原理是通过电流的半导体在垂直于电流方向的电场作用下，在导体的垂直于电流和电场方向的两个面会出现电势差，这个电势差被称为霍尔电动势。
方便起见，假设导体是一个长方体，如图3-1所示。
在y方向的电流I，Z轴方向的磁通密度和电场在X方向。
受两端的洛伦兹力的影响。
用公式表示为Eh=（Rh*I*B0）/d。
B0
I
d
Eh
X
Y
Z
图3-1霍尔效应原理图
霍尔元件就是确定霍尔电动势与外电场的比例关系。
这样可以通过改变电流I的大小。
使它达到预先设置的霍尔电动势Eh与外电场B0的比例关系。
3.1.2霍尔元件模型的创建
创建霍尔元件模型流程如下：
1.绘制原理图符号
选择在ProteusISIS2D工具霍尔元件的电路图符号。
如图3-2及3-3所示：
编辑和引脚图。
引脚对话框编辑。
图3-2霍尔元件原理图符号图3-3编辑引脚
2.霍尔元件制作
选中霍尔元件原理图符号，点击MakeDevice命令，跳出一个对话框如图3-4所示，按该图所示设置相应属性。
元件名称为SHEN，前缀为U。
按NEXT键直到出现“ComponentProperties&Definitions”对话框。
新建VHI属性，按图3-5所示设置各相关项。
再按NEXT键，直到出现“IndexingandLibrarySelection”对话框，选择元件分类及存放库，单击“OK”即可完成。
这样新的元件模型原理图符号就存在指定的库中并出现在对象列表框中。
图3-4“DeviceProperties”设置图3-5VHI属性设置
3.霍尔元件仿真模型内电路设计
上面的步骤创建的模型只是个模型外壳，还没仿真功能，其仿真功能主要由内电路完成。
将新建的模型放入ISIS编辑区，打开属性编辑框，选中“Attachhierarchymodel”一栏，如图3-6所示，再按OK键。
然后按键盘Pgdn键，则自动创建并进入内电路设计页。
接着进行内电路的设计，设计好如图3-7所示的内电路，并设置内电路中所有DAC原型的属性VHI=。
图3-6新建元件绑定内电路
内电路的设计原理描述：
当磁场为零的时候，霍尔传感器的基准输出电压为2.6V，在考虑元件性能有极限的情况下，压差范围为1.4—2.6V。
本设计以典型值1.8为标准，则反向电场的电压极限值为0.8V,正常电场的电压极限值为4.4V，即电压范围为0.8—4.4V。
但是目前，我们无法达到这个要求，为方便设计，我们模拟了一个电场，取电压范围为0.6—4.6V。
由于不是固定值，则需要在创建模型中加一个控制端，通过控制端对电压值进行有效的调节。
这样就可以假设通过两个数学表达式来表示，即
a）3.6+sin（wt）
b）1.6+sin（wt）
图3-7中接了两个加法电路，分别接至U3的X0、X1口，即为输入端。
U3的A端为霍尔元件的控制端C端，控制其为反相电场还是正向电场。
例如C端为高电平是其为反相电场，低电平时其为正向电场。
U3的X端为霍尔元件的DOUT端，即为输出端。
3.1.3AD/DA转换电路
设计中AD转换电路采用的芯片是ADC0809其内电路如图3-7所示；
图3-7AD转换电路内电路
1.生成文件，设置属性
在内电路页点击Tools，选中ModelCompiler，创建模型文件，选择路径并取名存盘。
然后返回主页，选中新建元器件，再次启动MakeDevice命令，进入“ComponentProperties&Definitions”，如图3-8所示。
按照图进行Modfile属性操作的设置。
再按NEXT键直到出现“IndexingandLibrarySelection”菜单，如图3-9所示，设置分类和所在的库。
单击OK则结束原理图模型的创建。
图3-8设置
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