原標題：單片機靜電探針自動測量系統設計

單片機靜電探針自動測量系統設計是一個涉及單片機、A/D和D/A轉換技術、功率放大、電流檢測及數據傳輸等多個方面的復雜工程。以下是對該系統設計的一個詳細概述：

一、系統概述

靜電探針，又稱Langmuir探針，是一種用于等離子體參數測量的基本診斷工具。通過靜電探針的I-V特性曲線，可以計算出等離子體的電子溫度、密度、空間電位和懸浮電位等重要參數。單片機靜電探針自動測量系統以單片機為核心，通過A/D和D/A技術，能夠快速、準確地給出靜電探針的I-V特性曲線，提高等離子體應用研究工作的效率。

二、系統硬件設計

1. 掃描電壓產生模塊

• 功能：產生±50V的掃描電壓，加在靜電探針的一端。

• 實現方式：系統通過MAX531（美信集成半導體公司生產的12位串行D/A轉換器）產生±2.048V的電壓，經PA81J（APEX公司生產的功率放大器）放大后產生±50V的掃描電壓。MAX531采用±5V供電，內置單電源CMOS運算放大器，具有良好的電壓偏移、增益和線性度，單片機通過SPI接口對其進行控制。

2. 電流測量模塊

• 功能：測量靜電探針上流過的微弱電流信號，并將其轉換為電壓信號進行放大和采樣。

• 實現方式：電流信號首先通過取樣電阻網絡轉換成電壓信號，再經儀用放大器（如INAl21）放大到±5V的范圍。然后，通過A/D轉換器（如TLCl549）進行采樣。由于TLCl549的輸入電壓范圍為0-5V，因此需要將±5V電壓轉化為0-5V電壓后再進行采樣。

3. 數據傳輸模塊

• 功能：將單片機采集到的數據通過串口上傳給PC機進行進一步處理。

• 實現方式：為了提高系統的安全性、抗干擾性能及數據傳輸的可靠性，系統串口部分直接從PC端取電。當串口打開時，RTS和DTR處于5-15V之間，實際測量的電壓在11.5V左右。通過7805轉換后為MAX232提供工作電源，MAX232與單片機之間通過光耦隔開。PC端監(jiān)控軟件通過串口與系統相連，控制數據的接收和發(fā)送。

4. 系統抗干擾技術

• 模擬抗干擾技術：在數據采集的前端加T型LC濾波器，對射頻信號有很大的阻抗。同時，用鐵盒封閉測量設備并進行可靠的接地，可有效防止射頻的空間耦合干擾。

• 數字抗干擾技術：采用多點求平均的方法降低工頻干擾的影響。多點求平均的點數可以通過PC端軟件進行設置。

三、系統測量效果

該系統同時適合單探針和雙探針測量方式。當采用單探針進行測量時，鋸齒波加在探針上，信號接收端接等離子體設備的外殼。當采用雙探針進行測量時，鋸齒波加在其中的一個探針上，另一個探針接信號接收端。所繪制的曲線為I-V特性曲線，橫坐標為掃描電壓值，縱坐標為取樣電阻上的電壓值。流過探針的電流值可以通過取樣電阻上的電壓除以取樣電阻值得到。

四、總結

單片機靜電探針自動測量系統以單片機為核心，利用現代A/D、D/A技術，大大縮短了靜電探針采集數據的時間。通過針對性的采取一些抗干擾措施，提高了獲取數據的可靠性和穩(wěn)定性，從而為系統地開展等離子體特性的研究提供了保證。該系統已被國內多家高校和研究所采用，并取得了良好的測量效果。