運用單片機設計大氣電場儀的相敏檢波器

李慧斌，張英彬，張修典，王華昕

（伊春市氣象局，黑龍江 伊春 153000）

運用單片機設計大氣電場儀的相敏檢波器

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儀前置放大電路的設計，運用單片機AT89C52設計相敏檢波器，把傳統設計中的同步信號設計為單片機的中斷信號。用單片機控制12位的AD574S轉換器，根據轉換器和單片機的引腳功能和編程要求，設計A/D轉換器與單片機的接口、軟件程序、電路來測量感應信號的大小及方向，并設計了警報電路系統。這樣的設計原理簡單，不用復雜的數學進行信號分析；電路的結構清晰，主要是單片機AT89C52和12位的AD574S轉換器兩個集成IC；抗干擾能力強，由于體積小，可以很好地做到屏蔽保護；提高了相敏檢波器的智能化程度，可以運用高級語言C編寫軟件，容易實現，可移植性好。

2 大氣電場儀工作原理

2.1 大氣電場儀感應頭

圖1 電場感應器結構示意圖

感應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稱扇形金屬片組成。下面的金屬片用來感應電荷，固定不動，稱為定片（圖1）。上面的金屬片由馬達驅動旋轉，稱為動片，并與地相聯接，它既起屏蔽定片的作用，又使葉片暴露于大氣電場中。當動片旋轉時，定片便交替地暴露在大氣電場中，由此產生交變電流信號，信號的大小與大氣電場強度成正比。當動片旋轉時，它對定片起了周期性的屏蔽作用，于是定片會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，在它上面出現感應電荷為ΔQ，ΔQ對時間求導，則得產生的電流信號為：

其中，I為電流大小；S為單塊葉片的面積；n為葉片的片數；T為動片轉動的周期；t為轉動的時間；E為大氣電場的強度；ε0為真空介電常數。當t為零時，定片和轉片重合。

2.2 信號放大處理

在測量系統中，通過傳感器獲取信號，即把被測物理量通過傳感器轉換為電信號，然后進行放大。因此，傳感器輸出的是放大器的信號源。然而，通常傳感器的等效電阻均不是常量，它們隨所測量的物理量的變化而變化。這樣對于放大器而言，信號源內阻Rs是變量，根據電壓放大倍數的表達式

3 相敏檢波器電路設計

3.1 單片機相敏檢波器的設計

3.1.1 總體的功能介紹

信號傳輸進入相敏檢波器的流程如圖2，要處理的感應信號，經過A/D轉換為數字信號之后和同步信號一起傳入單片機進行處理。

圖2 信號傳輸流程方框圖

在該設計中，并不是將感應信號和同步信號相乘，而是把同步信號作為單片機的中斷信號，中斷時對感應信號的波形進行翻轉操作。用單片機的4和6接口來判斷電流方向。采用三級報警設計，分別為：亮LED燈，閃爍LED燈，閃爍LED燈且蜂鳴。最后通過單片機11接口串行輸出經過處理的數字信號。

3.1.2 同步中斷信號的產生

在此電路中，可以采用光電開關TP880和電阻R1，R2來產生同步信號，這樣能有效地減小零點漂移的影響。當觀察圖1中的負電場時，在感應信號第一個周期前半周期內，感應信號輸出為高電平，即在這個時間段內，小葉片未穿過光電開關的凹槽，光電路處于導通狀態 ，同步信號處于高電平；在后半周期，葉片穿過光電開關的凹槽，同步信號處于低電平，即產生的同步信號與感應信號的周期相同。

3.1.3 A/D轉換器與單片機的接口設計

A/D轉換器采用AD574S。AD574S是AD公司的產品，是12位逐位逼近式帶三態輸出緩沖器的A/D轉換器，它可以直接與8位或16位微機總線連接。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（本設計采用單極性 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；內部參考電平 10.00±0.1（max）V;轉換時間 25 μs ；低功耗，390 mW。

圖4所示為AD574S讀操作時序圖。在轉換器被選中的情況下，使為高電平，即可讀出轉換結果。

根據AD574S的引腳功能和編程要求，可得如下接法（見圖 5）：

圖3 啟動時序

圖4 AD574S讀時序

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

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

3.1.4 電流方向的識別

圖5 單片機設計的電路圖

可以通過兩個二極管，將P2.7口輸入的信號作為判斷的周期，來采集識別電流的方向。因為4和6只會出現三種情況，分別為00、01、10，所以當4接口為高電平時，設為正方向；當6接口為高電平時，設為反方向。因為P2.7口的信號是12位感應數字信號，通過一個或門所得，所以AD574S轉換器采樣的頻率即為電流方向判斷的頻率。

3.1.5 程序設計

在設計電路中,P0口為12位數據的輸入端。P0口是一組8位漏極開路形雙向I/O口，也即是數據/地址總線復用口。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組接口線分時轉換地址和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫入高電平，通過內部上拉電阻拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。所以用P1.0口來控制LED燈，當P1.0口為高電平時，LED燈熄滅，當P1.0口為低電平時，LED燈亮。因為是用LED燈來顯示一級、二級的警報，所以一級警報時，直接給接口輸入低電平，點亮LED燈；二級時，設計定時計數程序，使LED燈按照一定的周期閃爍。用P1.1口來控制蜂鳴器，當電場值達到三級警報值時，給P1.1送入低電平。用P1.3和P1.5口來判斷電流方向，當這兩接口輸入00時，表示沒檢測的電流信號；當其輸入01時，表示輸入電流方向為反方向；當其輸入10時，表示輸入電流方向為正方向。用P1.7口來控制AD574S的CS，當P1.7為低電平時，AD574S的片選選通。用16口和17口，通過一個與非門使CE保持高電平，共同控制單片機對AD574S數字信號的讀寫。

程序的編寫流程思路：首先根據AT89C52單片機和AD574S轉換器的編程要求，對單片機編寫初始化程序。接著檢測感應信號、同步中斷信號的輸入，同時檢測P2.7口的信號，將該接口的信號作為判斷電流方向的控制頻率，即時檢測其絕對值的大小并和三個電場分界警報值a1、a2、a3進行比較，然后保存數據。當檢測到的電場值大于或等于某個設定電場值時，分別亮LED燈、閃爍LED燈、閃爍LED燈且蜂鳴，從而達到分級警報的效果。當P2.7為高電平時，就判斷P1.3和P1.5口電流的方向，并將這個數字信號加入到同一時刻接收到的感應數據信號中。通過同步信號來使單片機產生中斷信號，當同步信號為高電平時，感應信號的方向不改變輸出；當同步信號為低電平時，單片機產生中斷，對感應信號的方向進行翻轉輸出，即把判斷電流方向的數據信號由01（或10）改為10（或01）。因為通常是半個周期被翻轉，所以經過判斷翻轉后，將輸出較為平緩的波形信號。最后，結束一次流程，返回到初始化程序，并設計一個大循環，使單片機返回到初始化狀態后繼續重復執行之前的判斷處理程序。

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

2012-2-1

李慧斌（1977-），男，山東省招遠縣人，中央黨校，本科生，助理工程師.