原標(biāo)題：單片機(jī)靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及單片機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)、功率放大、電流檢測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)方面的復(fù)雜工程。以下是對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)詳細(xì)概述：

一、系統(tǒng)概述

靜電探針，又稱(chēng)Langmuir探針，是一種用于等離子體參數(shù)測(cè)量的基本診斷工具。通過(guò)靜電探針的I-V特性曲線，可以計(jì)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(shù)。單片機(jī)靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過(guò)A/D和D/A技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確地給出靜電探針的I-V特性曲線，提高等離子體應(yīng)用研究工作的效率。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1. 掃描電壓產(chǎn)生模塊

• 功能：產(chǎn)生±50V的掃描電壓，加在靜電探針的一端。

• 實(shí)現(xiàn)方式：系統(tǒng)通過(guò)MAX531（美信集成半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的12位串行D/A轉(zhuǎn)換器）產(chǎn)生±2.048V的電壓，經(jīng)PA81J（APEX公司生產(chǎn)的功率放大器）放大后產(chǎn)生±50V的掃描電壓。MAX531采用±5V供電，內(nèi)置單電源CMOS運(yùn)算放大器，具有良好的電壓偏移、增益和線性度，單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)其進(jìn)行控制。

2. 電流測(cè)量模塊

• 功能：測(cè)量靜電探針上流過(guò)的微弱電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行放大和采樣。

• 實(shí)現(xiàn)方式：電流信號(hào)首先通過(guò)取樣電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)儀用放大器（如INAl21）放大到±5V的范圍。然后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器（如TLCl549）進(jìn)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(zhuǎn)化為0-5V電壓后再進(jìn)行采樣。

3. 數(shù)據(jù)傳輸模塊

• 功能：將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

• 實(shí)現(xiàn)方式：為了提高系統(tǒng)的安全性、抗干擾性能及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)串口部分直接從PC端取電。當(dāng)串口打開(kāi)時(shí)，RTS和DTR處于5-15V之間，實(shí)際測(cè)量的電壓在11.5V左右。通過(guò)7805轉(zhuǎn)換后為MAX232提供工作電源，MAX232與單片機(jī)之間通過(guò)光耦隔開(kāi)。PC端監(jiān)控軟件通過(guò)串口與系統(tǒng)相連，控制數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

4. 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

• 模擬抗干擾技術(shù)：在數(shù)據(jù)采集的前端加T型LC濾波器，對(duì)射頻信號(hào)有很大的阻抗。同時(shí)，用鐵盒封閉測(cè)量設(shè)備并進(jìn)行可靠的接地，可有效防止射頻的空間耦合干擾。

• 數(shù)字抗干擾技術(shù)：采用多點(diǎn)求平均的方法降低工頻干擾的影響。多點(diǎn)求平均的點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)PC端軟件進(jìn)行設(shè)置。

三、系統(tǒng)測(cè)量效果

該系統(tǒng)同時(shí)適合單探針和雙探針測(cè)量方式。當(dāng)采用單探針進(jìn)行測(cè)量時(shí)，鋸齒波加在探針上，信號(hào)接收端接等離子體設(shè)備的外殼。當(dāng)采用雙探針進(jìn)行測(cè)量時(shí)，鋸齒波加在其中的一個(gè)探針上，另一個(gè)探針接信號(hào)接收端。所繪制的曲線為I-V特性曲線，橫坐標(biāo)為掃描電壓值，縱坐標(biāo)為取樣電阻上的電壓值。流過(guò)探針的電流值可以通過(guò)取樣電阻上的電壓除以取樣電阻值得到。

四、總結(jié)

單片機(jī)靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，利用現(xiàn)代A/D、D/A技術(shù)，大大縮短了靜電探針采集數(shù)據(jù)的時(shí)間。通過(guò)針對(duì)性的采取一些抗干擾措施，提高了獲取數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，從而為系統(tǒng)地開(kāi)展等離子體特性的研究提供了保證。該系統(tǒng)已被國(guó)內(nèi)多家高校和研究所采用，并取得了良好的測(cè)量效果。