工频电场测试仪硬件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 选题的背景 1
1.2 选题的现实意义 2
1.3 主要研究内容 3
2 总体设计 3
2.1 设计目标 3
2.2 整体结构 4
2.3 单片机的选择 4
3 主要模块 6
3.1 主芯片控制模块 7
3.2 霍尔传感器模块 8
3.3 运算放大模块 9
3.4 A/D转换模块 11
3.5 液晶显示模块 14
3.6 报警和示警模块 17
4 系统测试 18
结 论 21
致 谢 23
参 考 文 献 24
附录A 硬件总设计图 26
附录B 元器件清单 27
1 绪论
1.1 选题的背景
当今社会，电力方向发展越来越来快，城市的发展越来越好，电力的需求也越来越大，因此出现了大量的高压作业，高压电源，基于高压电源产生的电场对人体的伤害较大，工频电场的测量也逐渐被人们所重视。一般在大型的工厂，或者城市建造时，都会首先测量下该场区的电场量是否符合人体适应的标准值，如果高于人体的标准值，相关人员会事先穿好电磁防护服再进入相关场地工作，如果低于人体标准值则会允许相关人员可以暴露作业。可见，工频电场的测量在我们现代生活中有着多么重要的地位。
再者，现在网上的大多数有关工频电场的暴露值对人体的伤害的言论，虽然没有官方的数据和证据，但这仍然间接反映了工频电场对人体是有伤害的。然而，现在出现在市场上面的产品价格上非常贵，很难普及并推广给所有人；而且，当前还没 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
有系统的报警系统用来直观的警告人们，该地区场强是否危险，而公众和一线生产工人迫切需要监测高压电力设备附近的工频电场，所以这类专用仪器具有广泛的实用价值。
1.2 选题的现实意义
在电力工业中，准确地测量电力设备周围空间电场及变化，对电力设备的设计制造和安全运行有重要的意义，比如高压电力设备的绝缘结构优化，带有高电压的设备和监测大小型电力系统的运行状态是否良好等；并且，随着电压的电压值的不断提升，人们不仅对研究输变电设备本身的电场分布越来越感兴趣，同时电力系统的有关电磁兼容方面存在的问题也成为了大家研究的热点，然而，研究这两个方面都是需要测量相关方面的电场量的。当然，除电力系统存在有关电磁是否兼容问题外，其它的领域也大都存在存在这种问题，其实验的前提也都需要测量工频电场的场强分布。
当前市场上的工频电场测试仪大多数都是使用红外传感器，球形传感器，电荷感应式电场传感器等这类的高精度的仪器，而普通的用户及工厂如果买这种高精度的工频电场测试仪，在经济上来说并不合算，性价比不高，从而不会购进这种工频电场测试仪，物品得不到市场的需求，开发进度就会降下来，从而使这方面的研究止步不前。因此，研究这种精度并不是很高，但性价比很高的工频电场测试仪。
为了适应目前市场的需求，我们本次课题采用的是基于线性霍尔传感器的工频电场测试仪，这款测试仪具有以下几个特点：
（1） （2） 该测试仪较市场普通的测试仪相比，造价更加廉洁，结构简单，可修理性和可制造性较高。
（3） 该测试仪的精度大约是0.1%，较市场上相对较低，但实用性强，适用范围较广，适用于大部分的工频环境的场强测量。
（4） 该测量仪的操作较为简单，人人都可操作，拓展性较强，市场上的多数工频电场测试仪使用场合有限制或需要特殊位置使用，而这个测试仪不需要在特殊的位置使用，因为传感器是对应多面性的。
1.3 主要研究内容
本文主要研究的内容有三点：
1、如何使得线性霍尔变为能测量工频电场的传感器；
2、如何通过霍尔传感器测量出工频电场的大小和方向，并加以显示出来；
3、如何通过设定报警阈值，使得超过阈值时，实现不同频率的分级报警。
2 总体设计
2.1 设计目标
本设计名为工频电场测试仪硬件设计，本设计是以51单片机为核心，利用软件来控制硬件，再单片机的功能，实现警示灯亮和报警声响，若时间充裕，可考虑无线控制、角度显示、滤波等功能。
工频电场测试仪设计要完成任务如下：
1.将霍尔传感器置于工频电场中，接收电路接收到信号后，首先经过数模转换后转为数字信号发送给单片机，单片机接收到信号后，单片机被激活开始工作，在显示屏上显示场强值，紧接着，单片机会发送信号给报警示警电路，如果低于设定的第一个值则绿色的灯会亮，黄色和红色的灯以及喇叭都不会工作，这表示该地区的场强值在人体可接受的范围内，对人体没有伤害；
2.我们可以继续转动移动霍尔传感器，如果高于设定的第一个值但低于第二个设定值，则黄灯会亮，并发出频率较低的间歇性报警声，这表示该地区的场强已超出人体承受范围，对人体有轻微伤害，需穿上相应工作防电磁服进入该区高压作业；
3.继续测量如果高于第二个设定值，则红灯会亮，并且蜂鸣器发出频率较高的间歇性的报警声，这表示该区的场强值已远远超出人体的承受范围，对人体有很大的伤害，防护服也不能完全避免，不宜在该地区高压作业。
2.2 整体结构
工频电场测试仪的整体系统结构如图2.1所示，由传感器模块、接收模块、处理模块、转换模块、显示模块、复位模块以及报警模块组成，主要流程为：首先给霍尔传感器加个5V电压，即正常工作电压，并将霍尔传感器置于一根通有220V50HZ长直导线周围，并使得磁场方向与霍尔元件内部电流方向垂直，这样霍尔元件就会产生电动势，产生的电压信号经过运算放大器放大后送入A/D转换进行AD转换，形成数字信号，再将数字信号送入51单片机中进行运算处理显示出相应场强值，通过设定2个定值，低于设定的第一个值则绿色的灯会亮，黄色和红色的灯以及喇叭都不会工作，如果高于设定的第一个值但低于第二个设定值，则黄灯会亮，并发出频率较低的间歇性报警声，如果高于第二个设定值，则红灯会亮，并且蜂鸣器发出频率较高的间歇性的报警声。如果想要进行第二次测量，按下复位键即可。
图2.1 系统结构图
具体的电路设计图如附录1所示，根据线性霍尔器件的霍尔效应UH=KHIB，（在这个计算公式中UH是输出的感应电动势，KH是霍尔元器件的系数，I是通过霍尔器件的电流，B则为该区的通过霍尔器件垂直面的场强。）可以知道输出为电压信号，输出的电压信号紧接着被送入放大器LM324中，电压信号放大后再被送入A/D转换器中，经过转换后送入单片机处理显示，当超过阈值时单片机的P2.3-P2.5口输出低电平，低电平经过和电源相连的LED构成回路，从而报警灯亮，同时P2.6口输出脉冲信号，脉冲信号经过NPN三极管，当输入为高电平时，三极管导通，喇叭发出声音，当输入为低电平时三极管断开，喇叭不响。
器件标号:324
器件标记:LM324AD
LM324引脚图（管脚图）
图3.3运算放大模块
3.4 A/D转换模块
1 绪论 1
1.1 选题的背景 1
1.2 选题的现实意义 2
1.3 主要研究内容 3
2 总体设计 3
2.1 设计目标 3
2.2 整体结构 4
2.3 单片机的选择 4
3 主要模块 6
3.1 主芯片控制模块 7
3.2 霍尔传感器模块 8
3.3 运算放大模块 9
3.4 A/D转换模块 11
3.5 液晶显示模块 14
3.6 报警和示警模块 17
4 系统测试 18
结 论 21
致 谢 23
参 考 文 献 24
附录A 硬件总设计图 26
附录B 元器件清单 27
1 绪论
1.1 选题的背景
当今社会，电力方向发展越来越来快，城市的发展越来越好，电力的需求也越来越大，因此出现了大量的高压作业，高压电源，基于高压电源产生的电场对人体的伤害较大，工频电场的测量也逐渐被人们所重视。一般在大型的工厂，或者城市建造时，都会首先测量下该场区的电场量是否符合人体适应的标准值，如果高于人体的标准值，相关人员会事先穿好电磁防护服再进入相关场地工作，如果低于人体标准值则会允许相关人员可以暴露作业。可见，工频电场的测量在我们现代生活中有着多么重要的地位。
再者，现在网上的大多数有关工频电场的暴露值对人体的伤害的言论，虽然没有官方的数据和证据，但这仍然间接反映了工频电场对人体是有伤害的。然而，现在出现在市场上面的产品价格上非常贵，很难普及并推广给所有人；而且，当前还没 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
有系统的报警系统用来直观的警告人们，该地区场强是否危险，而公众和一线生产工人迫切需要监测高压电力设备附近的工频电场，所以这类专用仪器具有广泛的实用价值。
1.2 选题的现实意义
在电力工业中，准确地测量电力设备周围空间电场及变化，对电力设备的设计制造和安全运行有重要的意义，比如高压电力设备的绝缘结构优化，带有高电压的设备和监测大小型电力系统的运行状态是否良好等；并且，随着电压的电压值的不断提升，人们不仅对研究输变电设备本身的电场分布越来越感兴趣，同时电力系统的有关电磁兼容方面存在的问题也成为了大家研究的热点，然而，研究这两个方面都是需要测量相关方面的电场量的。当然，除电力系统存在有关电磁是否兼容问题外，其它的领域也大都存在存在这种问题，其实验的前提也都需要测量工频电场的场强分布。
当前市场上的工频电场测试仪大多数都是使用红外传感器，球形传感器，电荷感应式电场传感器等这类的高精度的仪器，而普通的用户及工厂如果买这种高精度的工频电场测试仪，在经济上来说并不合算，性价比不高，从而不会购进这种工频电场测试仪，物品得不到市场的需求，开发进度就会降下来，从而使这方面的研究止步不前。因此，研究这种精度并不是很高，但性价比很高的工频电场测试仪。
为了适应目前市场的需求，我们本次课题采用的是基于线性霍尔传感器的工频电场测试仪，这款测试仪具有以下几个特点：
（1） （2） 该测试仪较市场普通的测试仪相比，造价更加廉洁，结构简单，可修理性和可制造性较高。
（3） 该测试仪的精度大约是0.1%，较市场上相对较低，但实用性强，适用范围较广，适用于大部分的工频环境的场强测量。
（4） 该测量仪的操作较为简单，人人都可操作，拓展性较强，市场上的多数工频电场测试仪使用场合有限制或需要特殊位置使用，而这个测试仪不需要在特殊的位置使用，因为传感器是对应多面性的。
1.3 主要研究内容
本文主要研究的内容有三点：
1、如何使得线性霍尔变为能测量工频电场的传感器；
2、如何通过霍尔传感器测量出工频电场的大小和方向，并加以显示出来；
3、如何通过设定报警阈值，使得超过阈值时，实现不同频率的分级报警。
2 总体设计
2.1 设计目标
本设计名为工频电场测试仪硬件设计，本设计是以51单片机为核心，利用软件来控制硬件，再单片机的功能，实现警示灯亮和报警声响，若时间充裕，可考虑无线控制、角度显示、滤波等功能。
工频电场测试仪设计要完成任务如下：
1.将霍尔传感器置于工频电场中，接收电路接收到信号后，首先经过数模转换后转为数字信号发送给单片机，单片机接收到信号后，单片机被激活开始工作，在显示屏上显示场强值，紧接着，单片机会发送信号给报警示警电路，如果低于设定的第一个值则绿色的灯会亮，黄色和红色的灯以及喇叭都不会工作，这表示该地区的场强值在人体可接受的范围内，对人体没有伤害；
2.我们可以继续转动移动霍尔传感器，如果高于设定的第一个值但低于第二个设定值，则黄灯会亮，并发出频率较低的间歇性报警声，这表示该地区的场强已超出人体承受范围，对人体有轻微伤害，需穿上相应工作防电磁服进入该区高压作业；
3.继续测量如果高于第二个设定值，则红灯会亮，并且蜂鸣器发出频率较高的间歇性的报警声，这表示该区的场强值已远远超出人体的承受范围，对人体有很大的伤害，防护服也不能完全避免，不宜在该地区高压作业。
2.2 整体结构
工频电场测试仪的整体系统结构如图2.1所示，由传感器模块、接收模块、处理模块、转换模块、显示模块、复位模块以及报警模块组成，主要流程为：首先给霍尔传感器加个5V电压，即正常工作电压，并将霍尔传感器置于一根通有220V50HZ长直导线周围，并使得磁场方向与霍尔元件内部电流方向垂直，这样霍尔元件就会产生电动势，产生的电压信号经过运算放大器放大后送入A/D转换进行AD转换，形成数字信号，再将数字信号送入51单片机中进行运算处理显示出相应场强值，通过设定2个定值，低于设定的第一个值则绿色的灯会亮，黄色和红色的灯以及喇叭都不会工作，如果高于设定的第一个值但低于第二个设定值，则黄灯会亮，并发出频率较低的间歇性报警声，如果高于第二个设定值，则红灯会亮，并且蜂鸣器发出频率较高的间歇性的报警声。如果想要进行第二次测量，按下复位键即可。
图2.1 系统结构图
具体的电路设计图如附录1所示，根据线性霍尔器件的霍尔效应UH=KHIB，（在这个计算公式中UH是输出的感应电动势，KH是霍尔元器件的系数，I是通过霍尔器件的电流，B则为该区的通过霍尔器件垂直面的场强。）可以知道输出为电压信号，输出的电压信号紧接着被送入放大器LM324中，电压信号放大后再被送入A/D转换器中，经过转换后送入单片机处理显示，当超过阈值时单片机的P2.3-P2.5口输出低电平，低电平经过和电源相连的LED构成回路，从而报警灯亮，同时P2.6口输出脉冲信号，脉冲信号经过NPN三极管，当输入为高电平时，三极管导通，喇叭发出声音，当输入为低电平时三极管断开，喇叭不响。
器件标号:324
器件标记:LM324AD
LM324引脚图（管脚图）
图3.3运算放大模块
3.4 A/D转换模块
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