李慧斌，張英彬，張修典，王華昕

（伊春市氣象局，黑龍江 伊春 153000）

運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)大氣電場(chǎng)儀的相敏檢波器

李慧斌，張英彬，張修典，王華昕

（伊春市氣象局，黑龍江 伊春 153000）

1 引言

本文介紹了大氣電場(chǎng)儀前置放大電路的設(shè)計(jì)，運(yùn)用單片機(jī)AT89C52設(shè)計(jì)相敏檢波器，把傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的同步信號(hào)設(shè)計(jì)為單片機(jī)的中斷信號(hào)。用單片機(jī)控制12位的AD574S轉(zhuǎn)換器，根據(jù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的引腳功能和編程要求，設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口、軟件程序、電路來測(cè)量感應(yīng)信號(hào)的大小及方向，并設(shè)計(jì)了警報(bào)電路系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，不用復(fù)雜的數(shù)學(xué)進(jìn)行信號(hào)分析；電路的結(jié)構(gòu)清晰，主要是單片機(jī)AT89C52和12位的AD574S轉(zhuǎn)換器兩個(gè)集成IC；抗干擾能力強(qiáng)，由于體積小，可以很好地做到屏蔽保護(hù)；提高了相敏檢波器的智能化程度，可以運(yùn)用高級(jí)語(yǔ)言C編寫軟件，容易實(shí)現(xiàn)，可移植性好。

2 大氣電場(chǎng)儀工作原理

2.1 大氣電場(chǎng)儀感應(yīng)頭

圖1 電場(chǎng)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

感應(yīng)頭是由上下兩片相互平的、有一定間距、形狀相似的幾片葉片連接在一起的對(duì)稱扇形金屬片組成。下面的金屬片用來感應(yīng)電荷，固定不動(dòng)，稱為定片（圖1）。上面的金屬片由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱為動(dòng)片，并與地相聯(lián)接，它既起屏蔽定片的作用，又使葉片暴露于大氣電場(chǎng)中。當(dāng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，定片便交替地暴露在大氣電場(chǎng)中，由此產(chǎn)生交變電流信號(hào)，信號(hào)的大小與大氣電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，它對(duì)定片起了周期性的屏蔽作用，于是定片會(huì)周期交替地暴露于大氣中。如果定片有面積為ΔS的部分暴露于大氣中，在它上面出現(xiàn)感應(yīng)電荷為ΔQ，ΔQ對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，則得產(chǎn)生的電流信號(hào)為：

其中，I為電流大?。籗為單塊葉片的面積；n為葉片的片數(shù)；T為動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)的周期；t為轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間；E為大氣電場(chǎng)的強(qiáng)度；ε0為真空介電常數(shù)。當(dāng)t為零時(shí)，定片和轉(zhuǎn)片重合。

2.2 信號(hào)放大處理

在測(cè)量系統(tǒng)中，通過傳感器獲取信號(hào)，即把被測(cè)物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行放大。因此，傳感器輸出的是放大器的信號(hào)源。然而，通常傳感器的等效電阻均不是常量，它們隨所測(cè)量的物理量的變化而變化。這樣對(duì)于放大器而言，信號(hào)源內(nèi)阻Rs是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式

3 相敏檢波器電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)相敏檢波器的設(shè)計(jì)

3.1.1 總體的功能介紹

信號(hào)傳輸進(jìn)入相敏檢波器的流程如圖2，要處理的感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后和同步信號(hào)一起傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖2 信號(hào)傳輸流程方框圖

在該設(shè)計(jì)中，并不是將感應(yīng)信號(hào)和同步信號(hào)相乘，而是把同步信號(hào)作為單片機(jī)的中斷信號(hào)，中斷時(shí)對(duì)感應(yīng)信號(hào)的波形進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作。用單片機(jī)的4和6接口來判斷電流方向。采用三級(jí)報(bào)警設(shè)計(jì)，分別為：亮LED燈，閃爍LED燈，閃爍LED燈且蜂鳴。最后通過單片機(jī)11接口串行輸出經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)。

3.1.2 同步中斷信號(hào)的產(chǎn)生

在此電路中，可以采用光電開關(guān)TP880和電阻R1，R2來產(chǎn)生同步信號(hào)，這樣能有效地減小零點(diǎn)漂移的影響。當(dāng)觀察圖1中的負(fù)電場(chǎng)時(shí)，在感應(yīng)信號(hào)第一個(gè)周期前半周期內(nèi)，感應(yīng)信號(hào)輸出為高電平，即在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，小葉片未穿過光電開關(guān)的凹槽，光電路處于導(dǎo)通狀態(tài) ，同步信號(hào)處于高電平；在后半周期，葉片穿過光電開關(guān)的凹槽，同步信號(hào)處于低電平，即產(chǎn)生的同步信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)的周期相同。

3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器采用AD574S。AD574S是AD公司的產(chǎn)品，是12位逐位逼近式帶三態(tài)輸出緩沖器的A/D轉(zhuǎn)換器，它可以直接與8位或16位微機(jī)總線連接。適用溫度-55～123℃；非線性誤差為±(1/2)LSB；模擬輸入量程為雙極性±5 V、±10 V，單極性0～10 V、0～20 V（本設(shè)計(jì)采用單極性 0～10 V）；供電電源VLOGIC邏輯電源+5 V，Vcc為+12 V/+15 V，VEE 為-12 V/-15 V；內(nèi)部參考電平 10.00±0.1（max）V;轉(zhuǎn)換時(shí)間 25 μs ；低功耗，390 mW。

圖4所示為AD574S讀操作時(shí)序圖。在轉(zhuǎn)換器被選中的情況下，使為高電平，即可讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

根據(jù)AD574S的引腳功能和編程要求，可得如下接法（見圖 5）：

圖3 啟動(dòng)時(shí)序

圖4 AD574S讀時(shí)序

A0：由Q0口控制，當(dāng)Q0口為低電平時(shí)，讀高8位，當(dāng)Q0為高電平時(shí)，讀低4位。

因此，AD574S（12位）啟動(dòng)地址為7FFCH，高8位讀取地址為7FFEH，低4位讀取地址為7FFFH。

3.1.4 電流方向的識(shí)別

圖5 單片機(jī)設(shè)計(jì)的電路圖

可以通過兩個(gè)二極管，將P2.7口輸入的信號(hào)作為判斷的周期，來采集識(shí)別電流的方向。因?yàn)?和6只會(huì)出現(xiàn)三種情況，分別為00、01、10，所以當(dāng)4接口為高電平時(shí)，設(shè)為正方向；當(dāng)6接口為高電平時(shí)，設(shè)為反方向。因?yàn)镻2.7口的信號(hào)是12位感應(yīng)數(shù)字信號(hào)，通過一個(gè)或門所得，所以AD574S轉(zhuǎn)換器采樣的頻率即為電流方向判斷的頻率。

3.1.5 程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電路中,P0口為12位數(shù)據(jù)的輸入端。P0口是一組8位漏極開路形雙向I/O口，也即是數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組接口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫入高電平，通過內(nèi)部上拉電阻拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。所以用P1.0口來控制LED燈，當(dāng)P1.0口為高電平時(shí)，LED燈熄滅，當(dāng)P1.0口為低電平時(shí)，LED燈亮。因?yàn)槭怯肔ED燈來顯示一級(jí)、二級(jí)的警報(bào)，所以一級(jí)警報(bào)時(shí)，直接給接口輸入低電平，點(diǎn)亮LED燈；二級(jí)時(shí)，設(shè)計(jì)定時(shí)計(jì)數(shù)程序，使LED燈按照一定的周期閃爍。用P1.1口來控制蜂鳴器，當(dāng)電場(chǎng)值達(dá)到三級(jí)警報(bào)值時(shí)，給P1.1送入低電平。用P1.3和P1.5口來判斷電流方向，當(dāng)這兩接口輸入00時(shí)，表示沒檢測(cè)的電流信號(hào)；當(dāng)其輸入01時(shí)，表示輸入電流方向?yàn)榉捶较颍划?dāng)其輸入10時(shí)，表示輸入電流方向?yàn)檎较?。用P1.7口來控制AD574S的CS，當(dāng)P1.7為低電平時(shí)，AD574S的片選選通。用16口和17口，通過一個(gè)與非門使CE保持高電平，共同控制單片機(jī)對(duì)AD574S數(shù)字信號(hào)的讀寫。

程序的編寫流程思路：首先根據(jù)AT89C52單片機(jī)和AD574S轉(zhuǎn)換器的編程要求，對(duì)單片機(jī)編寫初始化程序。接著檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)、同步中斷信號(hào)的輸入，同時(shí)檢測(cè)P2.7口的信號(hào)，將該接口的信號(hào)作為判斷電流方向的控制頻率，即時(shí)檢測(cè)其絕對(duì)值的大小并和三個(gè)電場(chǎng)分界警報(bào)值a1、a2、a3進(jìn)行比較，然后保存數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到的電場(chǎng)值大于或等于某個(gè)設(shè)定電場(chǎng)值時(shí)，分別亮LED燈、閃爍LED燈、閃爍LED燈且蜂鳴，從而達(dá)到分級(jí)警報(bào)的效果。當(dāng)P2.7為高電平時(shí)，就判斷P1.3和P1.5口電流的方向，并將這個(gè)數(shù)字信號(hào)加入到同一時(shí)刻接收到的感應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)中。通過同步信號(hào)來使單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)，當(dāng)同步信號(hào)為高電平時(shí)，感應(yīng)信號(hào)的方向不改變輸出；當(dāng)同步信號(hào)為低電平時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，對(duì)感應(yīng)信號(hào)的方向進(jìn)行翻轉(zhuǎn)輸出，即把判斷電流方向的數(shù)據(jù)信號(hào)由01（或10）改為10（或01）。因?yàn)橥ǔＪ前雮€(gè)周期被翻轉(zhuǎn)，所以經(jīng)過判斷翻轉(zhuǎn)后，將輸出較為平緩的波形信號(hào)。最后，結(jié)束一次流程，返回到初始化程序，并設(shè)計(jì)一個(gè)大循環(huán)，使單片機(jī)返回到初始化狀態(tài)后繼續(xù)重復(fù)執(zhí)行之前的判斷處理程序。

1002-252X(2012)02-0039-03

2012-2-1

李慧斌（1977-），男，山東省招遠(yuǎn)縣人，中央黨校，本科生，助理工程師.