基于单片机的对物理实验仪器的改进.docx
前言：弗兰克赫兹实验是用电子与原子碰撞的方法证实原子能级量子化的著名 实验。该实验证明了原子能级的存在，也证明了原子发生跃变时吸收能量是完全 确定的、不连续的。以前观察该实验是通过逐点测试法描出该曲线的，或用慢扫 描示波器显示，这种显示速度非常快，不能在示波器上得到稳定的波形，给实验 者观察实验结果带来一定的困难。为了克服上述困难，我们采用单片机作为主要 控制器，将弗兰克赫兹板极电流和栅极电压，经A/D转换后传输给单片机，经 过单片机处理后再由D/A转换后传输给示波器。一、 改进后的弗兰克赫兹实验装置的框图如图1所示是改进后的弗兰克赫兹实验装置的框图，它主要由弗兰克赫 兹实验装置，稳压电路，滤波电路，栅极电压降压电路，A/D转换电路，D/A转 换电路，单片机小系统，示波器等组成。弗 兰 克 赫 兹实 验 装置IgVg信号处理INT_0INT_1AD0809单片机DA0832存储器信号处理示波器6264图1 弗兰克赫兹实验装置的框图将Vg的信号经过降压和滤波电路后引到数据采集系统中，作为数据采集的同 步信号，其输入到A/D 转换器的通道1；Ig随着栅极电压Vg的变化而变化，Ig（本 实验中电流的输出是以电压的形式，每一个电流值都有一个相应的电压）经稳压 电路及滤波电路后输入到 A/D转换器的通道 0转换成数字信号，由单片机采集并 进行相应的处理，存储到外部数据存储器 6264中；Vg达到临界电压时，单片机 自动从数据采集状态转变为扫描显示状态，取出数据经过D/A转换成模拟信号， 经过滤波电路送给示波器显示，只要扫描速率提高，并不断的重复扫描，就可以 得到稳定的曲线图形。二、 弗兰克赫兹实验简介1、工作原理电子与原子碰撞过程可以用下面的方程表示：m 是电子质量、M 是原子质量、v 是电子的碰撞前速度、V 是原子的碰撞 e前速度、v是电子碰撞后的速度， V是原子碰撞后的速度、 E 为原子的1内能变化。弗兰克赫兹实验仪测量第一激发态的实验示意图如图 2 所示。原理是热 电子从阴极（k 极）出发经过 KG 之间的电场逐渐加速，当电子的动能等于 原子的第一激发态时动能转换为原子的内能，电子的动能将为 0，损失动能 等于原子的第一激发态，那么就会发生第二次碰撞甚至更多。在电子穿过栅极 G 后受到 GP 减速电场的作用。动能只有大于 eVGP的电子才能达到阳极P 形成阳极电流 Ig。图 2 弗兰克赫兹实验测量第一激发态实验示意图2、本次设计弗兰克赫兹实验仪简介见附图 1。本次设计中采用的是复旦大学科教仪器厂生产的 FDFHI 型弗 兰克赫兹实验仪如图 3 所示。该型号的弗兰克-赫兹实验仪的 Vg 最大只能达到 100V，超过 100V 则会造成击穿。电流 Ig 是以电压的形式输出。其满足以下关：Ig 电流指示：电流=波段开关指示增益 X 电压值 （1）Ig 实际输出：输出值=Ig/波段开关增益指示 （2）通过多次实验测试得到当 Vg 达到 90V 时，Ig 的值在 5V 左右。为了考虑仪器 的安全使用本设计只考虑 Vg 在 90V 以下的。为了安全使用仪器，在开机前必须将各按钮逆时针旋至 0，根据厂家提供的 最佳参数调节各个电压（Vf、V 、V ）以及电流增益档。G1 P三、 单片机最小系统的组成1、单片机及数据存储器如图 3 所示。本设计中，单片机采用的是 AT89S52。它有 40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双 向输入/输出（I/O）口，6 中断源，2 个中断优先级，2 层中断嵌套中断，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟 振荡器。该款单片机的资源对于本设计已经是非常丰富了。并且性价比好。外部数据存储器选用 6264，它的存储容量达到 8K。为了使重新显示不会发 生闪烁现象，数据的采集量不能太多，一般不会超过 2k 字节。所以外部数据存 储器 6264 对本设计足够了。2图 3 单片机及数据存储器（其中单片机用仿真器代替）2、A/D 和 D/A 模块如图 4 所示。A/D 转换器选用常用的 AD0809。它有八个模拟输入通道，是 8 位的 A/D 转换器。转换时间一般为 16 个外部时钟周期。它的转换精度和速度在 本设计中基本满足要求，且性价比好，所以 A/D 转换器选择 AD0809。D/A 转换器选用 DA0832。它是一种 8 位的 D/A 转换器。转换建立时间一般为 1 微妙。其良好的性能能够满足本设计的需要。图 4 A/D 和 D/A 模块四、 软件设计a) 数据采集数据只有在锯齿信号 Vg 为 0 时开始采集数据，锯齿信号 Vg 达到规定 的临界电压时，结束数据采集。开机时要对 AD0809 的通道 1 进行检测，3当检测到 0 时开始对通道 0 进行数据采集并保存。每保存一个数据，对 Vg 电压采集一次，判断是否达到规定的临界电压，不是则通过求平均后 保存电流值。直到 Vg 电压达到规定的临界电压。每次采集之间延时 60 微秒。b) 扫描显示将数据存储器中采集的数据经 DA0832 转换成模拟信号。经过滤波电 路在示波器上显示。循环扫描。c) 程序框图主程序入口否开始采集键是否按下是数据采集是DA 转化否开始采集键是否按下图 3 主程序流程图外部中断 0 入口置 AD 转换结束位外部中断 1 入口置开始采集键按下位中断返回图 4 外部中断 0 流程图中断返回图 5 外部中断 1 流程图4数据采集子程序否电压 Vg 是否为 0是采集电流并保存延时 60 微妙子程序保存电流值， 个数加一否电压是否为最大值？是返回图 6 数据采集子程序五、结束语我们使用的弗兰克赫兹实验仪是复旦大学科教仪器厂生产的FD FH I型。该仪器出来的信号都是电压形式的，所以我们对该实验的改造的难度也有所 降低。经过改进后弗兰克赫兹实验可以在示波器上得到比较直观的电流电 压关系图。这给实验者在观察实验结果带来了一点的方便。最后忠心感谢指导老 师的热心指导，感谢学校给我们一次练兵的机会。参考文献:1 陈国杰,徐志民,朱星,智能弗兰克-赫兹实验测量仪的研制,大学物理,2002 年 6 月2 王梅生, 弗兰克-赫兹实验中的峰间距问题,物理实验,2001 年 5 月3 张毅刚,彭喜源, MCS-51 单片机应用设计, 哈尔滨工业大学出版社, 2004 年 1 月4 李广弟,朱月秀,王秀山,单片机基础,北京航空航天大学出版社,2004 年 10 月附图 1 弗兰克赫兹实验仪5附图 2 连机图附图 3 单片机与数据存储器原理图6ODR1u4AX2+31RV -6-R1PSEN r-2 06.ddbfEABCDCON21 2J1VC30p CF 1X1C1KR011.0592MHzXTAL11P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1LEDD0C1 2N2J033 C0 2pF2X2P3 P3 P3 P3 P3 P3 TXDRX7 6 5 4 3 2D6 D4 D2 D07 6 5 4 3 2 1 041VCC1KR2SWSWD 1IP-2 HEA2 4 6 8 1 1 1 10 2 4 6DERJ4HEA7 5 3 1DERJ3HEA2 4 6 8 1 1 1 10 2 4 6DERJ28X21 1 11 3 5 7 9 1 3 54X28 6 4 28X21 1 11 3 5 7 9 1 3 5VC10KR110uFRESETC3CR W T1 T0 INT1INT0ALEPSEN DP3 P3D7 D5 D3 D1P3 P3P3 P36 7VC4 52 32MC74HC08APSEN RD2 1U4AGND150.CFTXD ETXD1 1 13 1 0 1 8 3M U5 C C T2 T1 R R 1 1 2 1-G ND IN IN IN IN2 V +20. C7uFR R1 16 7W RDCR15R R1 14 3T0 T1R R R R R R R R R R 1 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0INT0INT1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 7 6 5 4 3 2 1 0100*1223V C C16OEC C2 2+T2 T1 R R2 1OUTOUTOUTOUTVCC1 16 7RESET9X2 X11 18 9311 14 51 12 38 7 6 5 4 3 2 1DBETXDERXD5 9 4 8 3 7 2 6 1Tran5 4 71 94ERXD12RXD0.1uFGNC689S52W RDR X2 X1ESETEA/VPT0 T1INT0INT1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 7 6 5 4 3 2 1 0/T /TU19sport0. C5uFD3ALE/PTXDRXD2 3 1 19 0 1 0PSENALETXDRXDP2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 7 6 5 4 3 2 1 02 2 2 2 2 2 2 2 8 7 6 5 4 3 2 1A1 A1 A1 A1 A1 A1 A9 A8 5 4 3 2 1 0P0 P0 P0 P0 P0 P0 P0 P0 7 6 5 4 3 2 1 03 3 3 3 3 3 3 3 2 3 4 5 6 7 8 9D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ALE3File:Date: SizeA4TitleA1 A1 A1 A84 2 0R R R R2 2 2 14 2 0 8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GN1 D 1 1 1 11 1 8 7 4 3 8 7 4 374LS3 LE OED7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0U24D:22薛 -Ap大腾文 0件夹科研复件单片机最小系统DrawnSheetBoy:1Number89C52最小系统模块HEA2 4 6 8DER4 1 3 5 7 X2R R R R2 2 2 15 3 1 9J7A1 A1 A1 A84 2 0HEA7 5 3 1DER4 8 6 4 2 X2A1 A1 A1 A95 3 1J6A6 A4 A2 A0HEA2 4 6 8DER4 1 3 5 7 X2A7 A5 A3 A1J5VCC6264W OEA1 R52 2 2 20 6 7 2C C W OES1 S273Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q01 1 1 1 9 6 5 2A1 A1 A1 A9 A8 9 6 5 22 1 02 2 2 2 1 2 3 1 4 5 3 4 5 6 7 8 9 0A1 A1 A1 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 2 1 0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0U?4Revision1.1A1 A1 A1 A95 3 11 1 1 1 1 1 1 1 9 8 7 6 5 3 2 1D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ABCD7111111I0CC2r-206b附图 4A/D 和 D/A 模块原理图ABCDVCCIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN01D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 R R R R R R R R2 2 2 2 2 1 1 1 4 3 2 1 0 9 8 712GND0. 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