运用单片机设计大气电场仪的相敏检波器

李慧斌，张英彬，张修典，王华昕

（伊春市气象局，黑龙江 伊春 153000）

运用单片机设计大气电场仪的相敏检波器

李慧斌，张英彬，张修典，王华昕

（伊春市气象局，黑龙江 伊春 153000）

1 引言

本文介绍了大气电场仪前置放大电路的设计，运用单片机AT89C52设计相敏检波器，把传统设计中的同步信号设计为单片机的中断信号。用单片机控制12位的AD574S转换器，根据转换器和单片机的引脚功能和编程要求，设计A/D转换器与单片机的接口、软件程序、电路来测量感应信号的大小及方向，并设计了警报电路系统。这样的设计原理简单，不用复杂的数学进行信号分析；电路的结构清晰，主要是单片机AT89C52和12位的AD574S转换器两个集成IC；抗干扰能力强，由于体积小，可以很好地做到屏蔽保护；提高了相敏检波器的智能化程度，可以运用高级语言C编写软件，容易实现，可移植性好。

2 大气电场仪工作原理

2.1 大气电场仪感应头

图1 电场感应器结构示意图

感应头是由上下两片相互平的、有一定间距、形状相似的几片叶片连接在一起的对称扇形金属片组成。下面的金属片用来感应电荷，固定不动，称为定片（图1）。上面的金属片由马达驱动旋转，称为动片，并与地相联接，它既起屏蔽定片的作用，又使叶片暴露于大气电场中。当动片旋转时，定片便交替地暴露在大气电场中，由此产生交变电流信号，信号的大小与大气电场强度成正比。当动片旋转时，它对定片起了周期性的屏蔽作用，于是定片会周期交替地暴露于大气中。如果定片有面积为ΔS的部分暴露于大气中，在它上面出现感应电荷为ΔQ，ΔQ对时间求导，则得产生的电流信号为：

其中，I为电流大小；S为单块叶片的面积；n为叶片的片数；T为动片转动的周期；t为转动的时间；E为大气电场的强度；ε0为真空介电常数。当t为零时，定片和转片重合。

2.2 信号放大处理

在测量系统中，通过传感器获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因此，传感器输出的是放大器的信号源。然而，通常传感器的等效电阻均不是常量，它们随所测量的物理量的变化而变化。这样对于放大器而言，信号源内阻Rs是变量，根据电压放大倍数的表达式

3 相敏检波器电路设计

3.1 单片机相敏检波器的设计

3.1.1 总体的功能介绍

信号传输进入相敏检波器的流程如图2，要处理的感应信号，经过A/D转换为数字信号之后和同步信号一起传入单片机进行处理。

图2 信号传输流程方框图

在该设计中，并不是将感应信号和同步信号相乘，而是把同步信号作为单片机的中断信号，中断时对感应信号的波形进行翻转操作。用单片机的4和6接口来判断电流方向。采用三级报警设计，分别为：亮LED灯，闪烁LED灯，闪烁LED灯且蜂鸣。最后通过单片机11接口串行输出经过处理的数字信号。

3.1.2 同步中断信号的产生

在此电路中，可以采用光电开关TP880和电阻R1，R2来产生同步信号，这样能有效地减小零点漂移的影响。当观察图1中的负电场时，在感应信号第一个周期前半周期内，感应信号输出为高电平，即在这个时间段内，小叶片未穿过光电开关的凹槽，光电路处于导通状态 ，同步信号处于高电平；在后半周期，叶片穿过光电开关的凹槽，同步信号处于低电平，即产生的同步信号与感应信号的周期相同。

3.1.3 A/D转换器与单片机的接口设计

A/D转换器采用AD574S。AD574S是AD公司的产品，是12位逐位逼近式带三态输出缓冲器的A/D转换器，它可以直接与8位或16位微机总线连接。适用温度-55～123℃；非线性误差为±(1/2)LSB；模拟输入量程为双极性±5 V、±10 V，单极性0～10 V、0～20 V（本设计采用单极性 0～10 V）；供电电源VLOGIC逻辑电源+5 V，Vcc为+12 V/+15 V，VEE 为-12 V/-15 V；内部参考电平 10.00±0.1（max）V;转换时间 25 μs ；低功耗，390 mW。

图4所示为AD574S读操作时序图。在转换器被选中的情况下，使为高电平，即可读出转换结果。

根据AD574S的引脚功能和编程要求，可得如下接法（见图 5）：

图3 启动时序

图4 AD574S读时序

A0：由Q0口控制，当Q0口为低电平时，读高8位，当Q0为高电平时，读低4位。

因此，AD574S（12位）启动地址为7FFCH，高8位读取地址为7FFEH，低4位读取地址为7FFFH。

3.1.4 电流方向的识别

图5 单片机设计的电路图

可以通过两个二极管，将P2.7口输入的信号作为判断的周期，来采集识别电流的方向。因为4和6只会出现三种情况，分别为00、01、10，所以当4接口为高电平时，设为正方向；当6接口为高电平时，设为反方向。因为P2.7口的信号是12位感应数字信号，通过一个或门所得，所以AD574S转换器采样的频率即为电流方向判断的频率。

3.1.5 程序设计

在设计电路中,P0口为12位数据的输入端。P0口是一组8位漏极开路形双向I/O口，也即是数据/地址总线复用口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组接口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写入高电平，通过内部上拉电阻拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。所以用P1.0口来控制LED灯，当P1.0口为高电平时，LED灯熄灭，当P1.0口为低电平时，LED灯亮。因为是用LED灯来显示一级、二级的警报，所以一级警报时，直接给接口输入低电平，点亮LED灯；二级时，设计定时计数程序，使LED灯按照一定的周期闪烁。用P1.1口来控制蜂鸣器，当电场值达到三级警报值时，给P1.1送入低电平。用P1.3和P1.5口来判断电流方向，当这两接口输入00时，表示没检测的电流信号；当其输入01时，表示输入电流方向为反方向；当其输入10时，表示输入电流方向为正方向。用P1.7口来控制AD574S的CS，当P1.7为低电平时，AD574S的片选选通。用16口和17口，通过一个与非门使CE保持高电平，共同控制单片机对AD574S数字信号的读写。

程序的编写流程思路：首先根据AT89C52单片机和AD574S转换器的编程要求，对单片机编写初始化程序。接着检测感应信号、同步中断信号的输入，同时检测P2.7口的信号，将该接口的信号作为判断电流方向的控制频率，即时检测其绝对值的大小并和三个电场分界警报值a1、a2、a3进行比较，然后保存数据。当检测到的电场值大于或等于某个设定电场值时，分别亮LED灯、闪烁LED灯、闪烁LED灯且蜂鸣，从而达到分级警报的效果。当P2.7为高电平时，就判断P1.3和P1.5口电流的方向，并将这个数字信号加入到同一时刻接收到的感应数据信号中。通过同步信号来使单片机产生中断信号，当同步信号为高电平时，感应信号的方向不改变输出；当同步信号为低电平时，单片机产生中断，对感应信号的方向进行翻转输出，即把判断电流方向的数据信号由01（或10）改为10（或01）。因为通常是半个周期被翻转，所以经过判断翻转后，将输出较为平缓的波形信号。最后，结束一次流程，返回到初始化程序，并设计一个大循环，使单片机返回到初始化状态后继续重复执行之前的判断处理程序。

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

2012-2-1

李慧斌（1977-），男，山东省招远县人，中央党校，本科生，助理工程师.