非接触式静电电压检测仪设计硬件设计部分
随着人类社会的快速发展，静电检测技术已经发展的相对完善。然而目前我们所使用的静电检测系统在一定程度上暴露了它的不足之处：系统复杂且存在测量误差。
现在科技快速发展，单片机的研究更是逐渐深入，对于静电技术的改进和电压的实时显示也提供了技术支持，而本设计就是围绕AT89C51单片机芯片，外接模数转换和数码管显示电路，利用keil软件编程控制AT89C51芯片实现倍数关系。该系统除了可以根据被测物的带电量正确显示电压值还能够降低系统误差，提高灵敏度。静电检测系统为防止因静电荷放电起电引起的爆炸起到了重要作用，本次设计寄希望于能够准确测出静电电压，从而改善因静电引起的危害。
关键词 静电检测，非接触式，AT89C51
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 非接触式静电电压测量系统研究意义 1
1.2.1 静电防护的紧迫性 1
1.2.2 静电参数测量的必要性 2
1.3 静电电位测量系统发展趋势 2
1.4 静电测量国内外现有手段和方法 3
1.5 非接触式静电电压测试系统设计时存在的研究难点 3
2 系统方案设计 4
2.1 设计要求 4
2.2 基于单片机的实现方案 4
2.3 整体设计框图 5
2.4 单片机的选择 5
2.5 传感器的选择 7
3 硬件电路设计 7
3.1 振动电容式静电电位传感器 9
3.1.1 振动电容的工作原理 9
3.1.2 直接型和反馈型非接触式静电测量的区别 9
3.1.3 器件选择 9
3.2 放大电路 10< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 3.2.1 放大电路工作原理 10
3.2.2 参数计算 10
3.2.3 器件选择 10
3.3 相敏检波器 11
3.3.1 相敏检波器工作原理 11
3.3.2 相敏检波器的设计 12
3.3.3 相敏检波器的作用及特点 12
3.4 低通滤波器 13
3.5 模数转换 13
3.5.1 模数转换原理 13
3.5.2 模数转换参数计算 14
3.6 数据显示 15
4 系统电路调试与分析 16
总结 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
静电就是一种电流不平衡现象，且这些附在物体表面的静电荷能对周围其它物体产生影响。当原子获得或者丢失电子时就会发生静电现象。一般情况下，原子对外表现出不带电，这种不带电现象是由于原子的质子数和电子数相同即正负电平衡造成的。其实静电现象很久之前就存在了，例如当琥珀摩擦之后就会发生静电现象。这些静电有时会高达几千伏，一旦发生意外，将会对人体和设施造成极大损坏，因此要学会检测静电。其实在石油化工、国防军事等领域广泛应用着静电测量技术，而静电测量技术又可分为接触式和非接触式静电测量技术，本文所讨论的就是非接触式静电测量技术，而直接型和反馈型又是非接触式静电测量技术的两种基本类型。当要求电极安装精度较高时，就可用直接型静电电位测量系统，而反馈型静电电位测量系统主要是解决系统自身产生的高压问题。
1．1 课题研究的背景
我国在春秋战国时期就有记载琥珀摩擦后吸附轻小物体的现象，同时国外也发现了这种现象。从16世纪起，人们就发现了静电现象，到19世纪前期，人们根据库仑定律开始研究电磁感应规律，进入20世纪后，高分子材料和微电子技术等领域普遍应用静电技术进行解决问题。现在，静电技术已发展为与静电放电和静电电磁辐射相关联的静电应用技术和静电防护工程。而且，研究发现，关于静电放电起电的问题只依靠理论是解决不了的，还需要设计出一个完整的电位检测系统。所以，研究非接触式静电电压测量系统对完善静电学和发展静电技术有着重要作用。
1．2 非接触式静电电压测量系统研究意义
1.2.1 静电防护的紧迫性
进入21世纪，科学技术飞速发展。技术的发展带动了工业的现代化。所以一些恶性事故如气体静电起电现象屡见不鲜。90年代以来，我国液化石油气行业就发生了十多起静电放电事故。例如我国的某化工厂高压液泵站，在工人维修设备时，由于静电的放电起电就引发了工厂的大范围爆炸，死亡2人，伤4人。除此之外，当我们在实验室中做实验时，由于我们自身的静电起电可能会使一些精密仪器发生击穿或烧坏现象。综上所述，静电现象处处影响着我们的生活，所以静电防护工程已成为静电研究的重要问题。
要想做好静电防护工程，就要从做好静电电位测量系统出发。其中防护工作设计、改善产品自身抗静电性能和检测静电防护器材的带电性都必须以测量系统为依据。所以说设计好静电测量系统为做好静电防护工程打下了坚实基础。
1.2.2 静电参数测量的必要性
在静电防护工作中，静电参数的测量是必不可少的部分，其中静电基本参数包括静电电位、电荷、电容、电阻等。静电电荷决定带电体发生静电放电的危险性和概率。当需要确定静电源的安全电压和分析静电事故时，静电电容是重要判断依据。测出带电体表面某点到参考点的电压即静电电压，这里的参考点电位为零。静电泄露电阻和静电接地电阻是静电电阻的重要参数，电阻率和体电阻率又是描述材料导电性质的重要依据。这些参数直接影响着最终测量数据，因此精确测量出它们的电位值很重要。
我们周围的电磁辐射现象越来越严重，而静电电磁脉冲就是由静电放电起电时的高电压和瞬时大电流形成的。该电磁脉冲存在严重的危害，且此危害不易被人们所发觉，因此降低了电子设备的可靠性，严重危害着人们的生命安全。为了将静电引发的危害降低到最小，我们就要把与器件有关的静电参数控制在一定范围内，所以准确测出静电参数，特别是静电电位值非常关键。
1．3 静电电位测量系统发展趋势
随着电子器件的迅速发展，非接触式静电电位测量系统的发展趋势也逐渐显现出来：在测量原理上，静电电位测量系统按是否接触分为接触式和非接触式。由于接触式在测量静电电位时需要与被测物进行接触，使被测物的带电电荷减少，进而使测量结果与真实值相差较大，而且，当静电计与被测物接触时极易发生静电放电现象，因而又存在燃烧爆炸的危险。非接触式静电计因为不用接触被测物使危险指数降低而得到广泛应用。在探头上，传感器的探头主要分为：直接感应式、旋转叶片式、振动电容式和集电极式。直接感应式存在读数漂移，使得测量值按指数规律衰减，因而很少使用，旋转叶片式虽然没有读数漂移问题，但它的动态特性差，且探头受电路检波和机械振动频率的限制。在测距上，用两个LED灯的重影进行计算测量距离，但这种方法所允许的测量距离非常短，且存在测量误差。为了有效的进行静电测量，后来，人们又利用超声发射器和红外线进行测距，这两种测距方法由于方便，误差小而得到广泛应用。
2. 2 基于单片机的实现方案
静电电位测量原理如图2.1所示
图2.1 静电电位测量原理
由图可知，当用静电计测量带电体时，静电计不接触带电体，但在静电计和带电体之间会产生电位差，然后根据这个电位差计算得出带电体所带电量。
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1 引言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 非接触式静电电压测量系统研究意义 1
1.2.1 静电防护的紧迫性 1
1.2.2 静电参数测量的必要性 2
1.3 静电电位测量系统发展趋势 2
1.4 静电测量国内外现有手段和方法 3
1.5 非接触式静电电压测试系统设计时存在的研究难点 3
2 系统方案设计 4
2.1 设计要求 4
2.2 基于单片机的实现方案 4
2.3 整体设计框图 5
2.4 单片机的选择 5
2.5 传感器的选择 7
3 硬件电路设计 7
3.1 振动电容式静电电位传感器 9
3.1.1 振动电容的工作原理 9
3.1.2 直接型和反馈型非接触式静电测量的区别 9
3.1.3 器件选择 9
3.2 放大电路 10< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 3.2.1 放大电路工作原理 10
3.2.2 参数计算 10
3.2.3 器件选择 10
3.3 相敏检波器 11
3.3.1 相敏检波器工作原理 11
3.3.2 相敏检波器的设计 12
3.3.3 相敏检波器的作用及特点 12
3.4 低通滤波器 13
3.5 模数转换 13
3.5.1 模数转换原理 13
3.5.2 模数转换参数计算 14
3.6 数据显示 15
4 系统电路调试与分析 16
总结 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
静电就是一种电流不平衡现象，且这些附在物体表面的静电荷能对周围其它物体产生影响。当原子获得或者丢失电子时就会发生静电现象。一般情况下，原子对外表现出不带电，这种不带电现象是由于原子的质子数和电子数相同即正负电平衡造成的。其实静电现象很久之前就存在了，例如当琥珀摩擦之后就会发生静电现象。这些静电有时会高达几千伏，一旦发生意外，将会对人体和设施造成极大损坏，因此要学会检测静电。其实在石油化工、国防军事等领域广泛应用着静电测量技术，而静电测量技术又可分为接触式和非接触式静电测量技术，本文所讨论的就是非接触式静电测量技术，而直接型和反馈型又是非接触式静电测量技术的两种基本类型。当要求电极安装精度较高时，就可用直接型静电电位测量系统，而反馈型静电电位测量系统主要是解决系统自身产生的高压问题。
1．1 课题研究的背景
我国在春秋战国时期就有记载琥珀摩擦后吸附轻小物体的现象，同时国外也发现了这种现象。从16世纪起，人们就发现了静电现象，到19世纪前期，人们根据库仑定律开始研究电磁感应规律，进入20世纪后，高分子材料和微电子技术等领域普遍应用静电技术进行解决问题。现在，静电技术已发展为与静电放电和静电电磁辐射相关联的静电应用技术和静电防护工程。而且，研究发现，关于静电放电起电的问题只依靠理论是解决不了的，还需要设计出一个完整的电位检测系统。所以，研究非接触式静电电压测量系统对完善静电学和发展静电技术有着重要作用。
1．2 非接触式静电电压测量系统研究意义
1.2.1 静电防护的紧迫性
进入21世纪，科学技术飞速发展。技术的发展带动了工业的现代化。所以一些恶性事故如气体静电起电现象屡见不鲜。90年代以来，我国液化石油气行业就发生了十多起静电放电事故。例如我国的某化工厂高压液泵站，在工人维修设备时，由于静电的放电起电就引发了工厂的大范围爆炸，死亡2人，伤4人。除此之外，当我们在实验室中做实验时，由于我们自身的静电起电可能会使一些精密仪器发生击穿或烧坏现象。综上所述，静电现象处处影响着我们的生活，所以静电防护工程已成为静电研究的重要问题。
要想做好静电防护工程，就要从做好静电电位测量系统出发。其中防护工作设计、改善产品自身抗静电性能和检测静电防护器材的带电性都必须以测量系统为依据。所以说设计好静电测量系统为做好静电防护工程打下了坚实基础。
1.2.2 静电参数测量的必要性
在静电防护工作中，静电参数的测量是必不可少的部分，其中静电基本参数包括静电电位、电荷、电容、电阻等。静电电荷决定带电体发生静电放电的危险性和概率。当需要确定静电源的安全电压和分析静电事故时，静电电容是重要判断依据。测出带电体表面某点到参考点的电压即静电电压，这里的参考点电位为零。静电泄露电阻和静电接地电阻是静电电阻的重要参数，电阻率和体电阻率又是描述材料导电性质的重要依据。这些参数直接影响着最终测量数据，因此精确测量出它们的电位值很重要。
我们周围的电磁辐射现象越来越严重，而静电电磁脉冲就是由静电放电起电时的高电压和瞬时大电流形成的。该电磁脉冲存在严重的危害，且此危害不易被人们所发觉，因此降低了电子设备的可靠性，严重危害着人们的生命安全。为了将静电引发的危害降低到最小，我们就要把与器件有关的静电参数控制在一定范围内，所以准确测出静电参数，特别是静电电位值非常关键。
1．3 静电电位测量系统发展趋势
随着电子器件的迅速发展，非接触式静电电位测量系统的发展趋势也逐渐显现出来：在测量原理上，静电电位测量系统按是否接触分为接触式和非接触式。由于接触式在测量静电电位时需要与被测物进行接触，使被测物的带电电荷减少，进而使测量结果与真实值相差较大，而且，当静电计与被测物接触时极易发生静电放电现象，因而又存在燃烧爆炸的危险。非接触式静电计因为不用接触被测物使危险指数降低而得到广泛应用。在探头上，传感器的探头主要分为：直接感应式、旋转叶片式、振动电容式和集电极式。直接感应式存在读数漂移，使得测量值按指数规律衰减，因而很少使用，旋转叶片式虽然没有读数漂移问题，但它的动态特性差，且探头受电路检波和机械振动频率的限制。在测距上，用两个LED灯的重影进行计算测量距离，但这种方法所允许的测量距离非常短，且存在测量误差。为了有效的进行静电测量，后来，人们又利用超声发射器和红外线进行测距，这两种测距方法由于方便，误差小而得到广泛应用。
2. 2 基于单片机的实现方案
静电电位测量原理如图2.1所示
图2.1 静电电位测量原理
由图可知，当用静电计测量带电体时，静电计不接触带电体，但在静电计和带电体之间会产生电位差，然后根据这个电位差计算得出带电体所带电量。
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