原标题：单片机静电探针自动测量系统设计

单片机静电探针自动测量系统设计是一个涉及单片机、A/D和D/A转换技术、功率放大、电流检测及数据传输等多个方面的复杂工程。以下是对该系统设计的一个详细概述：

一、系统概述

静电探针，又称Langmuir探针，是一种用于等离子体参数测量的基本诊断工具。通过静电探针的I-V特性曲线，可以计算出等离子体的电子温度、密度、空间电位和悬浮电位等重要参数。单片机静电探针自动测量系统以单片机为核心，通过A/D和D/A技术，能够快速、准确地给出静电探针的I-V特性曲线，提高等离子体应用研究工作的效率。

二、系统硬件设计

1. 扫描电压产生模块

• 功能：产生±50V的扫描电压，加在静电探针的一端。

• 实现方式：系统通过MAX531（美信集成半导体公司生产的12位串行D/A转换器）产生±2.048V的电压，经PA81J（APEX公司生产的功率放大器）放大后产生±50V的扫描电压。MAX531采用±5V供电，内置单电源CMOS运算放大器，具有良好的电压偏移、增益和线性度，单片机通过SPI接口对其进行控制。

2. 电流测量模块

• 功能：测量静电探针上流过的微弱电流信号，并将其转换为电压信号进行放大和采样。

• 实现方式：电流信号首先通过取样电阻网络转换成电压信号，再经仪用放大器（如INAl21）放大到±5V的范围。然后，通过A/D转换器（如TLCl549）进行采样。由于TLCl549的输入电压范围为0-5V，因此需要将±5V电压转化为0-5V电压后再进行采样。

3. 数据传输模块

• 功能：将单片机采集到的数据通过串口上传给PC机进行进一步处理。

• 实现方式：为了提高系统的安全性、抗干扰性能及数据传输的可靠性，系统串口部分直接从PC端取电。当串口打开时，RTS和DTR处于5-15V之间，实际测量的电压在11.5V左右。通过7805转换后为MAX232提供工作电源，MAX232与单片机之间通过光耦隔开。PC端监控软件通过串口与系统相连，控制数据的接收和发送。

4. 系统抗干扰技术

• 模拟抗干扰技术：在数据采集的前端加T型LC滤波器，对射频信号有很大的阻抗。同时，用铁盒封闭测量设备并进行可靠的接地，可有效防止射频的空间耦合干扰。

• 数字抗干扰技术：采用多点求平均的方法降低工频干扰的影响。多点求平均的点数可以通过PC端软件进行设置。

三、系统测量效果

该系统同时适合单探针和双探针测量方式。当采用单探针进行测量时，锯齿波加在探针上，信号接收端接等离子体设备的外壳。当采用双探针进行测量时，锯齿波加在其中的一个探针上，另一个探针接信号接收端。所绘制的曲线为I-V特性曲线，横坐标为扫描电压值，纵坐标为取样电阻上的电压值。流过探针的电流值可以通过取样电阻上的电压除以取样电阻值得到。

四、总结

单片机静电探针自动测量系统以单片机为核心，利用现代A/D、D/A技术，大大缩短了静电探针采集数据的时间。通过针对性的采取一些抗干扰措施，提高了获取数据的可靠性和稳定性，从而为系统地开展等离子体特性的研究提供了保证。该系统已被国内多家高校和研究所采用，并取得了良好的测量效果。