静电场强测试仪软件设计
目录
1 绪论 1
1.1 静电场的危害 1
1.2 静电场场强测试仪的应用及发展 1
2 总体方案设计 2
2.1 系统设计的基本要求 2
2.2 关键技术难点与解决途径 2
2.3 总体硬件框图 2
3系统硬件设计部分 3
3.1 单片机的概念和特点 3
3.2电容传感器 5
3.3 电压跟随器 5
3.4 模数转换电路的设计 6
3.5 系统晶振电路的设计 8
3.6系统复位电路的设计 8
3.7 液晶显示器 9
3.8 系统报警电路设计 12
4 系统软件设计 13
4.1 程序编写语言介绍 13
4.2 主程序模块 13
4.3 模数转换流程图 14
4.4 按键模块 14
4.5 液晶显示与报警模块 16
5 系统仿真与调试 18
总结 21
致谢 22
参考文献 23
附录 24
1 绪论
1.1 静电场的危害
在人类的生产与生活中，静电对人类的影响是双方面的。由于人类科学的进步，使静电为人所利用，我们制造了静电复印机，电子相机等便利人类生产生活的工具，这就是静电有利于人类的一面；然而静电往往存在着人类所无法预知与解决的灾难性的问题，比如说，长期的从事与电子有关的工作而不加以预防的话，会对人身体造成伤害，加重病情，影响人的情绪使人机体生理平衡遭到破坏。当然在一些石油化工，军工企业，电子企业里边，由于静电而发生的意外爆炸等事故，枚不胜举。静电就是造成 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
生产与生命安全的罪魁祸首，有了静电的存在不仅使军工企业造成经济的损失，更重要的是威胁了人们的生命安全。静电放电电磁脉冲不光可以对电子设备构成严重的搅扰和损害, 并且还有极大的可能构成潜在性危害，让电子设备的可靠性得到相应的降低，从而引起严重的工程上的失误甚至于造成人命的事故[1]。
防治静电危害时，不经意的一个小小的参数测量值存在误差，也会对整体造成十分严重的危害，每年由于静电造成的全球经济损失是不可估量的，如果我们能够有效的测量出静电参数，并且将它控制在一定的安全范围，那么我们就可以减少甚至杜绝静电造成的危害，从而能够推进全人类的科学进步与发展。
1.2 静电场场强测试仪的应用及发展
正是由于上述的静电给人类带来的危害，所以针对静电参数的测量设计了静电场场强测试仪，这一具有历史性意义与实际应用性的产品。它可以有效地测量出设备及环境中所存在的静电大小，并报警，从而实现了安全的生产。
国内对静电测量方法多数采用直接感应和旋转叶片式[1]。两者都存在缺点，直接感应式静电测量仪它的缺点比较多：它的稳定性比较的差，容易受到外界的干扰，而旋叶式静电测量仪它的运转靠高速电机进行驱动，所以功耗相对一般的测试仪较为的多，它本身的体积就很大，造就了它的可靠性差，不适合长时间的使用。这和国内的经济及技术发展有直接的关系。这些测量仪往往精度不够，无法准确测量，很长一段时间静电对我国的石油化工及电子企业造成了严重的经济及生命安全威胁。所以针对以上的测量仪存在的缺点，国际上一般采用的是振动式电容传感器来对静电进行测量。
由于静电给人类造成的危害越来越严重，所以设计一种普及的，体积小，价格低廉的静电场测试仪成为人类和社会进步时期的一个趋势。有效的防治静电，才能使人类更加发展，社会经济财富才能不断增加，社会才会更加安定和谐。
2 总体方案设计
2.1 系统设计的基本要求
本课题要求：设计静电场强测量系统的软件部分，能够对目标场域静电场强的大小和方向进行测量和显示、可以根据需要设定预警阈值，并能够给出分级预警信号。
2.2 关键技术难点与解决途径
关键的技术难点在于：分压部分，由于所测量静电非常大，要考虑静电的放电作用又要兼顾考虑到后边A/D转换器所适用的电压范围，所以选择合适的电阻成为关键，我们仿真里用的电阻非常之大，达到了999.9M和100K的串联，在实际中，由于后边用到的电压跟随器存在一定的输入电阻并且不为无穷大（一般理想状态在无穷大的），还要考虑与连接在如下图3-3中的3脚处的电阻的分压，所以实际得到的值并不是我们想要的理想状态下的比值，这个问题非常的关键。造成这样的误差是不可避免的。由于静电场的难测量性，我们在保证可测的基础上尽可能的做到精确测量。
2.3 总体硬件框图
数据采集模块
图2-1 系统整体功能框图
单片机是设计整个系统的关键，它起到了控制作用。A/D转换器和单片机完成数据的转变和采集，液晶显示器实现数据的显示功能，并通过报警器实现分级预警的提示。一般理想状态下，用静电发生器产生静电并且将电容传感器置于静电场中，此时两极板间就会产生电势差，由公式 可知，通过测量出电容器两端电压U然后比上预先做出来的电容器的两端距离d（这里我做的是1cm）得到静电场场强大小E。由于电容式传感器抗干扰能力很弱，很容易放电,所以还要考虑电路的放电问题，这里我们在做分压电路的时候要选择比较大的电阻，这样就可以防止漏电，之后将分压以后的电压加到电压跟随器上，电压跟随器具有控制温漂的作用，在实际的生产中具有很好的物理作用。如果上述所得到的电压信号满足A /D转换的条件 ,则由A /D转换电路 ,完成将上述输出的电压模拟信号到单片机可以识别的数字信号的转换，单片机判断现场是否有超过预警阈值的静电场。如果有，系统以声音的形式报警。如果没有，则在LCD液晶屏上直接显示所得到的电压数值。
3系统硬件设计部分
3.1 单片机的概念和特点
单片机已经被广泛的运用到生活的方方面面。比如说，在航空航天方面，单片机被应用到了飞机飞船等的控制系统上边，还有的被安装到了洲际导弹的导航路线的装置上边；在互联网传输时代，又被用来进行计算机数据的传输操作；在日常生活中，用于电子产品中，比如我们的手机上的IC卡里，还有小时候玩的数码暴龙机等等游戏机上，方便了人们日常的娱乐生活[2]。一般来说，单片机就可以理解为是由集成电路芯片制成的[3]，包含下列几个计算机的主要功能部分：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等。所以单片机的功能是很强大的，熟练掌握单片机，已经成为这个时代的必修课。
通过查阅资料和对比分析，我拟采用STC89C52单片机来实现系统的控制功能。
3.3 电压跟随器
电压跟随器非常重要的特点是输入电阻高，输出电阻低。它其实就是反馈系数为1时候的同相输入放大器。当作为中间级使用的时候往往可以当成是一个缓冲级来使用，它存在一定的分离隔绝作用，因为它的输出与输入电压大小的比值是小于但是接近于1的，我们这里用到的LM324电压跟随器它的输出电压与负载电阻之间是存在一定的关系的，如果选用不当很可能会使其变得不再线性，不利于以后的计算。而对于LM324这个电压跟随器来说负载电阻的选择成了设计该电压跟随器的关键。
1 绪论 1
1.1 静电场的危害 1
1.2 静电场场强测试仪的应用及发展 1
2 总体方案设计 2
2.1 系统设计的基本要求 2
2.2 关键技术难点与解决途径 2
2.3 总体硬件框图 2
3系统硬件设计部分 3
3.1 单片机的概念和特点 3
3.2电容传感器 5
3.3 电压跟随器 5
3.4 模数转换电路的设计 6
3.5 系统晶振电路的设计 8
3.6系统复位电路的设计 8
3.7 液晶显示器 9
3.8 系统报警电路设计 12
4 系统软件设计 13
4.1 程序编写语言介绍 13
4.2 主程序模块 13
4.3 模数转换流程图 14
4.4 按键模块 14
4.5 液晶显示与报警模块 16
5 系统仿真与调试 18
总结 21
致谢 22
参考文献 23
附录 24
1 绪论
1.1 静电场的危害
在人类的生产与生活中，静电对人类的影响是双方面的。由于人类科学的进步，使静电为人所利用，我们制造了静电复印机，电子相机等便利人类生产生活的工具，这就是静电有利于人类的一面；然而静电往往存在着人类所无法预知与解决的灾难性的问题，比如说，长期的从事与电子有关的工作而不加以预防的话，会对人身体造成伤害，加重病情，影响人的情绪使人机体生理平衡遭到破坏。当然在一些石油化工，军工企业，电子企业里边，由于静电而发生的意外爆炸等事故，枚不胜举。静电就是造成 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
生产与生命安全的罪魁祸首，有了静电的存在不仅使军工企业造成经济的损失，更重要的是威胁了人们的生命安全。静电放电电磁脉冲不光可以对电子设备构成严重的搅扰和损害, 并且还有极大的可能构成潜在性危害，让电子设备的可靠性得到相应的降低，从而引起严重的工程上的失误甚至于造成人命的事故[1]。
防治静电危害时，不经意的一个小小的参数测量值存在误差，也会对整体造成十分严重的危害，每年由于静电造成的全球经济损失是不可估量的，如果我们能够有效的测量出静电参数，并且将它控制在一定的安全范围，那么我们就可以减少甚至杜绝静电造成的危害，从而能够推进全人类的科学进步与发展。
1.2 静电场场强测试仪的应用及发展
正是由于上述的静电给人类带来的危害，所以针对静电参数的测量设计了静电场场强测试仪，这一具有历史性意义与实际应用性的产品。它可以有效地测量出设备及环境中所存在的静电大小，并报警，从而实现了安全的生产。
国内对静电测量方法多数采用直接感应和旋转叶片式[1]。两者都存在缺点，直接感应式静电测量仪它的缺点比较多：它的稳定性比较的差，容易受到外界的干扰，而旋叶式静电测量仪它的运转靠高速电机进行驱动，所以功耗相对一般的测试仪较为的多，它本身的体积就很大，造就了它的可靠性差，不适合长时间的使用。这和国内的经济及技术发展有直接的关系。这些测量仪往往精度不够，无法准确测量，很长一段时间静电对我国的石油化工及电子企业造成了严重的经济及生命安全威胁。所以针对以上的测量仪存在的缺点，国际上一般采用的是振动式电容传感器来对静电进行测量。
由于静电给人类造成的危害越来越严重，所以设计一种普及的，体积小，价格低廉的静电场测试仪成为人类和社会进步时期的一个趋势。有效的防治静电，才能使人类更加发展，社会经济财富才能不断增加，社会才会更加安定和谐。
2 总体方案设计
2.1 系统设计的基本要求
本课题要求：设计静电场强测量系统的软件部分，能够对目标场域静电场强的大小和方向进行测量和显示、可以根据需要设定预警阈值，并能够给出分级预警信号。
2.2 关键技术难点与解决途径
关键的技术难点在于：分压部分，由于所测量静电非常大，要考虑静电的放电作用又要兼顾考虑到后边A/D转换器所适用的电压范围，所以选择合适的电阻成为关键，我们仿真里用的电阻非常之大，达到了999.9M和100K的串联，在实际中，由于后边用到的电压跟随器存在一定的输入电阻并且不为无穷大（一般理想状态在无穷大的），还要考虑与连接在如下图3-3中的3脚处的电阻的分压，所以实际得到的值并不是我们想要的理想状态下的比值，这个问题非常的关键。造成这样的误差是不可避免的。由于静电场的难测量性，我们在保证可测的基础上尽可能的做到精确测量。
2.3 总体硬件框图
数据采集模块
图2-1 系统整体功能框图
单片机是设计整个系统的关键，它起到了控制作用。A/D转换器和单片机完成数据的转变和采集，液晶显示器实现数据的显示功能，并通过报警器实现分级预警的提示。一般理想状态下，用静电发生器产生静电并且将电容传感器置于静电场中，此时两极板间就会产生电势差，由公式 可知，通过测量出电容器两端电压U然后比上预先做出来的电容器的两端距离d（这里我做的是1cm）得到静电场场强大小E。由于电容式传感器抗干扰能力很弱，很容易放电,所以还要考虑电路的放电问题，这里我们在做分压电路的时候要选择比较大的电阻，这样就可以防止漏电，之后将分压以后的电压加到电压跟随器上，电压跟随器具有控制温漂的作用，在实际的生产中具有很好的物理作用。如果上述所得到的电压信号满足A /D转换的条件 ,则由A /D转换电路 ,完成将上述输出的电压模拟信号到单片机可以识别的数字信号的转换，单片机判断现场是否有超过预警阈值的静电场。如果有，系统以声音的形式报警。如果没有，则在LCD液晶屏上直接显示所得到的电压数值。
3系统硬件设计部分
3.1 单片机的概念和特点
单片机已经被广泛的运用到生活的方方面面。比如说，在航空航天方面，单片机被应用到了飞机飞船等的控制系统上边，还有的被安装到了洲际导弹的导航路线的装置上边；在互联网传输时代，又被用来进行计算机数据的传输操作；在日常生活中，用于电子产品中，比如我们的手机上的IC卡里，还有小时候玩的数码暴龙机等等游戏机上，方便了人们日常的娱乐生活[2]。一般来说，单片机就可以理解为是由集成电路芯片制成的[3]，包含下列几个计算机的主要功能部分：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等。所以单片机的功能是很强大的，熟练掌握单片机，已经成为这个时代的必修课。
通过查阅资料和对比分析，我拟采用STC89C52单片机来实现系统的控制功能。
3.3 电压跟随器
电压跟随器非常重要的特点是输入电阻高，输出电阻低。它其实就是反馈系数为1时候的同相输入放大器。当作为中间级使用的时候往往可以当成是一个缓冲级来使用，它存在一定的分离隔绝作用，因为它的输出与输入电压大小的比值是小于但是接近于1的，我们这里用到的LM324电压跟随器它的输出电压与负载电阻之间是存在一定的关系的，如果选用不当很可能会使其变得不再线性，不利于以后的计算。而对于LM324这个电压跟随器来说负载电阻的选择成了设计该电压跟随器的关键。
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