摘 要

随着生活水平的提高，公众对电磁辐射的关注度也越来越高，对于简单易用的电磁辐射监测设备的需求也越来越迫切。本毕业设计拟探讨工频电场场强仪的原理及具体的实现方法，并在此基础上给出实际可行的软件实现方法，与另一组负责硬件的毕业设计团队合作完成一个完整的工频电场强度计的设计和实现。

本文选择平行极板电容传感器对所测环境的电场强度进行实时采集，采用STC15W4K56S4单片机作为主控CPU，通过单片机片内自带的AD转换器进行AD转换， 经FFT变换，计算出最主要电场的幅值和频率，最后通过LCD1602液晶显示模块显示结果以达到测量场强的目的。

论文给出了包括AD转换、FFT、LCD显示部分的完整软件设计，经过仿真，该软件方案可以达到预期的要求。

关键字：电磁辐射；AD转换；FFT变换；LCD1602显示

Abstract

With the improvement of living standards, the public is paying more and more attention to electromagnetic radiation. The demand for simple and easy-to-use electromagnetic radiation monitoring equipment is also increasingly urgent. The graduation project intends to explore the principle and specific implementation of the power frequency electric field strength meter, and based on this, it gives a practical and feasible software implementation method, and completes a complete power frequency in cooperation with another group of responsible engineering graduates. Electric field strength meter design and implementation.

This paper chooses parallel plate capacitance sensor to collect the electric field strength of the measured environment in real time, and adopts STC15W4K56S4 MCU as the main control CPU, and AD conversion is carried out through the AD converter built in the on-chip microcontroller. After FFT transformation, the main electric field is calculated. Amplitude and frequency, finally through the LCD1602 liquid crystal display module display results to achieve the purpose of measuring the field strength.

The paper gives a complete software design including AD conversion, FFT, and LCD display parts. After simulation, the software solution can meet the expected requirements.

Key Words：electromagnetic radiation；AD converter；FFT；AD converter

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1超高压环境电场及其影响 1

1.2研究目的及意义 2

1.3国内外发展及研究现状 2

1.4 设计内容和任务 3

第2章STC15W4K56S4单片机介绍 4

2.1性能特点 4

2.2引脚功能 4

第3章系统软件设计 7

3.1 KEIL开发环境的介绍 7

3.2 AD转换部分 7

3.2.1片内AD转换器在微控制器中的结构 7

3.2.2 AD转换过程 8

3.3傅里叶变换部分 10

3.3.1傅里叶变换的意义 10

3.3.2程序中的结构体 10

3.3.3主函数流程 11

3.4结果显示部分 16

3.4.1LCD1602液晶显示屏 16

3.4.2LCD1602与单片机的连接 17

3.4.3主要函数 17

第4章 结论 19

致谢 20

参考文献 21

附录 22

第1章 绪论

1.1超高压环境电场及其影响

电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场；磁体和电流在其周围产生磁场。电磁场具有能量和动量，并且是传输电磁力的媒介，它存在于整个空间。电磁环境是指给定地方存在的所有电磁现象的总和，可分为天然电磁环境和人为电磁环境两大类。

自然电磁环境主要由地磁场和太阳电磁波组成。人类已经适应这种环境，并且一旦他们处于“电磁真空”环境中就不会适应它。随着科学技术的发展，各种电子电器设备极大地丰富和增强了人类的物质文化生活和精神文化生活。超高压输变电工程形成的电磁环境就是其中之一。

尽管电力系统运行了一百多年，但人们对电力传输和变电系统的电磁环境和生物效应的关注和争论主要发生在20世纪60年代。1960年，苏联学者Korobsova首先提出假设：工频电磁场的暴露可能损害人体健康。1972年，在大型电网会议上发布了关于特高压变电站对工人身体影响的报告。引起了巨大轰动。1979年，一项流行病学研究首次提出了公众对于工频磁场暴露和童年期白血病相关问题的关注。四十年后，国际上对高压输电线路电磁环境的长期生物效应的研究一直非常热烈。这是一个非常复杂的问题，因此在研究的结论中存在不一致和极大的争议。

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，电力需求持续增长，电网和配电规模发生重大变化。电网的电压水平由高压（110〜220 kV）提高到超高压（500 kV）甚至超高压（1000 kV）。传输线和设备周围空间的电磁场强度不可避免地会增加，电磁环境将恶化。另外，为了提高供电质量，越来越多的输电线路和输配电设施靠近或拥挤的地区。人们非常担心高压输电和变电系统的电磁环境问题和可能的生物效应。^[1]相关媒体的报道也给公众带来了巨大的心理压力。集体阻挠和抵制新建电力设施，请愿或诉讼等事件也时有发生，矛盾激化影响社会稳定和谐。公众的抵制也给输电线路走廊和变电站的位置带来了许多困难。

特高压输电工程的环境影响主要包括以下几个方面：

（1）输电线路和变电站需要占用大量的土地，破坏环境的美观和谐。

（2）交流输电线路和变电站周围存在工频电场和工频磁场。这些电场和磁场与通信设施，自动控制二次设备，地下金属管道等其他设施相邻形成电磁感应，导致电磁兼容性问题或电气安全问题。另一方面，这些电场和磁场也可能对动物，植物和人类产生影响，即生物效应。^[2]

（3）高压输电线路上电晕放电引起的无线电干扰，噪声，空气化学污染（产生臭氧和氮氧化物）等。

1.2研究目的及意义

电场测量在科学研究和工程技术中有广泛的应用。在航天领域，发射到太空的航天器可能遭受自然或诱发的雷击，造成严重的损害。为确保飞机安全空运，空间部门需要在发射飞机前实时监测空间电场。在国防，医药和生物等领域，电场监测是必不可少的。

在电力行业中，精确测量电力场和电力设备周围空间的变化，对设备的设计制造和安全运行具有重要意义。例如，高压电力设备绝缘结构的优化，高压设备和电力系统运行状况的检测等，都必须了解空间电场的变化。随着电力系统电压水平的提高，不仅输变电设备本身的电场分布已成为研究热点，而且电力系统的电磁兼容问题也引起了人们的关注，因此，高压工频电场测量原理和测量系统对电力工业的发展具有重要意义^[3]。

1.3国内外发展及研究现状

早期，人们运用功率原理来测量工频电场，如球法，电容式充电法和充电法。电位平衡法的测量原理是测量电位，以精确度较差的方式测量电场。电荷法的测量原理是通过计算电场中球捕获的电荷来测量电场，这具有很大的局限性。近年来，在测量包括工频电场的强电场时，基于电学原理的电荷感应电场装置仍被广泛使用。当测量具有小振幅和高频率的电场时，更经常使用基于光学原理的电场仪器。

在20世纪60年代首次提出使用电荷感应电场传感器来测量高压工频电场。1984年，德国斯图加特大学的Feser改进了原有的球形传感器，并设计了一种使用光纤作为数据传输并隔离高压的二维球形电场仪器。探针直径为4厘米，最大可测场强为10千伏/厘米，最小可测场强为0.5千伏/厘米。测量带宽达10 MHz。瑞士Haefely公司还开发了一个直径为8厘米，测量宽度为8厘米的二维电场仪器。除了球形结构之外，箱形结构在美国的商用工频电场装置中也更常用。美国国家标准局的Misakian等人分析了均匀和非均匀电场中一维球形传感器的原理和误差。通过实际测试，证明平行板结构和箱形电场仪的测量精度与球体的测量精度非常接近。它可以满足工频电场测量的一般要求。^[4]后来，科学家和技术人员进一步开发了一种能够测量三维电场的电荷感应电场传感器。例如，Thomson等人开发的直径为45厘米的三维球形电场仪器长距离雷电冲击产生的瞬态电场测量误差小于0.1％。目前，常用于测量电磁场的PMM8053A型电磁场测量仪是其 EHP-50 C探头在50 Hz、1 KV/ m时的相对误差为±0.5 dB，具有很高的准确度。

国内外也有一些新监测方法的研究。上海交通大学徐毅中提出了多通道集成工频电场环境的监测分析方法。在V-f变换之后，通过频率测量将场强信号转换成电压信号，然后检查校准表获得的场强与频率之间的关系，以获得场强的实际值。山西大学周健研制了一种新的微波电场测量方法 - 宽带里德伯原子电场测量方法，并解释了基于里德伯原子的EIT-AT效应检测微波电场的基本原理。华北电力大学新能源动力系统国家重点实验室齐波提出了一种非接触式实时测量油纸绝缘在冲击电压下的电场分布的方法。构建了由光路系统，光电转换装置，密封腔和冲击电源组成的油纸绝缘空间电场测量装置。并使用平板电极来校准和测试设备的性能。国家电网陈昊等通过对线路周围电场的近场区建模，提出一种电场强度测量方法，借助于电场中导体感生电流的分析计算，完成工频电场强度检测装置的设计和测试^[5]。W.Hansen，W.P.Spencer，T.F.Gallagher，M.Hugon 等对不同环境中的电场强度检测方法做了深入的研究，得出了较多新颖的结论。李东林、仲亮、周继武、贾亦卓、吴顶顶等针对不同领域内的电场强度检测做了很多研究，电场检测的应用领域更加广阔。

综上所述，目前工频电场监测方法的研究成果较多，针对目前的研究现状及应用前景，本文设计了一种工频电场场强仪，同时对软件实现方法进行了研究。

1.4 设计内容和任务

主要从软件角度着手，掌握交流电场检测的基本理论；掌握交流电场检测所需的软件基本知识；结合另一组毕业设计小组的硬件设计，给出了实际可行工频电场检测器的软件设计。

第2章STC15W4K56S4单片机介绍

2.1性能特点

经过各方面性能比较，最终选择STC15W4K56S4/IAP15WSK58S4作为本设计软件的芯片，该芯片有如下主要特性：支持Keil仿真，单片机是仿真器;支持程序加密USB下载程序；低功耗设计，低速模式，空闲模式，关断模式，支持掉电唤醒功能;片内硬件“看门狗”；最多62跟I/O口线，可设置4种工作模式；6路可编程时钟输出（T0~T4以及主时钟输出）；高速串行通信接口；2通道捕获、比较单元CCP；6通道15位专用PWM；8路PWM可用作8路DAC使用；8通道高速10位ADC，速度高达每秒300,000次4个全双工异步串行口；5个16位可重装初始定时器T0〜T4，2个CCP可以实现2个定时器;^[6]大容量数据闪存数据存储器，擦除次数超过100,000次;4096字节的SRAM存储器，包括传统的256字节片上RAM和3840字节的片上扩展XRAM;具有ISP / IAP功能，无需特殊编程器和仿真器;内部高可靠性复位设计，16个可选复位阈值电压，可省略外部复位电路;增强型8051内核每个机器周期只需要一个系统时钟，比传统8051快8至12倍。

2.2引脚功能

STC15W4K56S4单片机采用LOFP、PDIP和SOP封装，其中LQFP封装的引脚功能如图所示，引脚排列与传统8051单片机不兼容，除了18、20脚分别为电源、地以外，其他引脚都可用作 I/0端口，而且大多数端口都是复用的，可以通过相关的特殊功能寄存器进行配置。

·P0口

P0.0〜P0.7引脚可用作8位1/0端口；当访问外部存储器时，时分多路复用被用作低8位地址线和8位数据线。还可进行如下配置：

PO.O和PO.1可配置为串行口3的RxD3和TxD3。

PO.2和PO.3可配置为串行口4的RxD4和TxD4。

PO.4和PO.5可以配置为定时器T3的时钟输出和外部计数输入端。

PO.6和PO.7可以配置为定时器T4的时钟输出和外部计数输入端。

PO.5可配置为PWMFLT_2（PWM异常停止控制引脚的切换端）。

P0.6和P0.7可配置为PWM通道6和通道7的输出端。

·P1口

P1.0〜P1.7引脚可用作8位I/O端口；也可配置为8路A/D模拟输入通道。还可进行如下配置：

P1.0和P1.1引脚可配置为CCP1和CCPO用于外部信号捕获，高速脉冲输出或脉宽调制输出通道;或者配置为串行口2的RxD2和TxD2。

P1.2引脚可配置为SS（SPI同步串行接口从机选择信号）或ECI（PCA计数器外部脉冲输入），或者将其配置为CMPO（比较器的比较结果输出）。

P1.3〜P1.5引脚可以配置为SPI同步串行接口的MOSI（主输出从输入），MISO（主输入从输出），SCLK（同步时钟）信号线。

P1.6和P1.7引脚可以配置为串口3的引脚开关端口RXD_3和TxD_3。

·P2口

P2.0〜P2.7引脚可用作8位I/O端口；当作为高8位地址线访问外部存储器。还可进行如配置：

P2.0引脚可配置为RSTOUT_LOW，并在上电复位后输出低电平。

P2.1〜P2.3引脚可以配置成SPI同步串行接口的引脚切换端SCLK2，MISO2和MSOL_2。

P2.4引脚可配置为ECI_3（PCA计数器外部脉冲输入引脚切换端口）。

P2.5和P2.6引脚可以配置成CCPO_3（CCP输出通道0引脚开关）和CCP1_3（CCP输出端口1引脚切换端）。

P2.7引脚可配置成PWM2_2（PWM通道2输出引脚切换端口）。

·P3口

P3.0〜P3.7引脚可用作8位I/O端口。还可进行如下配置：

P3.0和P3.1引脚可配置为串行口1的RxD和TxD。P3.0引脚还可配置为INT4（外部中断4，下降沿触发)；或者配置为T2CLKO（定时器T2的时钟输出端）。P3.1引脚也可以配置为定时器T2的外部计数脉冲输入。

P3.2和P3.3引脚可以配置为外部中断INTO和INT1，触发方式有两种，上升沿或者下降沿触发。

P3.4和P3.5引脚可以配置成定时器T1和TO的外部计数脉冲输入口；或者配置T1CLK0（定时器T1时钟输出）和T0CLK0（定时器T0时钟输出）。P3.4还可配置为ECI_2（PCA计数器的外部计数脉冲输入引脚开关端）。P3.5还可配置为CCPO_2（CCP通道0引脚切换端）。

P3.6以及P3.7引脚可设置成INT2（外部中断2，下降沿触发）和INT3（外部中断3，下降沿触发）；或者可配置为串行口1的引脚切换端RxD_2和TxD_2；P3.6还可配置为CCP通道1的引脚切换端。P3.7还可配置为PWM通道2输出端。

·P4口

P4.0引脚可以配置为MOS1_3（SPI接口的主/从开关引脚）。注意该引脚只有LQFP44封装芯片才有。

P4.1引脚可以配置为MISO_3（SP1接口的主输出从输入引脚切换端）。

P4.2引脚可配置为WR（外部数据写入信号，低电平有效）;或者配置为PWM5_2（PWM通道5输出引脚切换端）。

P4.3引脚可以配置为SCLK_3（SPI接口的同步时钟信号引脚开关），该引脚与P4.0一样，只有LQFP44才有。

P4.4引脚可配置为RD（低电平有效，外部数据读取信号）;或者配置为PWM4_2（PWM通道4输出引脚切换端）。

P4.5引脚可配置为ALE（外部数据存储器扩展时，低8位地址锁存信号）;或者配置为PWM3_2（PWM通道3输出引脚切换端）。

P4.6和 P4.7引脚可配置为串行口2的引脚切换端 RxD2_2和 TxD2_2，注意该引脚只有 LQFP44封装芯片才有。

·P5口

P5.4引脚可配置为RST（复位端口，需要ISP烧录软件设置）;或者配置为MCLKO（主时钟输出，可以输出不分频，2分频或者4分频主时钟信号）;或者配置为SS_3（SP1接口的丛机选择信号引脚切换端口）;或者配置为CMP-（比较器负极输入端）。

还可以配置成CMP （正比较器输入）。

下面介绍几个特殊引脚的功能配置：

（1）P1.7、P1.6引脚

当P1.7和P1.6引脚用于外部晶振输入时，上电复位后它们处于高阻抗输入模式。

（2）P5.4/RST 引脚

P5.4引脚可用作I / O端口和复位输入RST。需要STC-ISP软件对该引脚进行设置。

（3）P2.0/RSTOUT-LOW引脚

上电复位后P2.0引脚可以输出低电平，也可以输出高电平，同样需要使用STC-ISP软件P2.0引脚进行设置。

第3章.系统软件设计

3.1 KEIL开发环境的介绍

51系列微控制器被用作工业微控制器。与汇编语言相比，使用C语言和其他高级语言编程微控制器具有许多优点，例如：