基于單片機的對物理實驗儀器的改進.doc

基于單片機的對物理實驗儀器的改進作者：薛大騰 （物理與電子信息學院 02信電7班）指導老師：吳桂初 池賢興前言：弗蘭克赫茲實驗是用電子與原子碰撞的方法證實原子能級量子化的著名實驗。該實驗證明了原子能級的存在，也證明了原子發(fā)生躍變時吸收能量是完全確定的、不連續(xù)的。以前觀察該實驗是通過逐點測試法描出該曲線的，或用慢掃描示波器顯示，這種顯示速度非?？?，不能在示波器上得到穩(wěn)定的波形，給實驗者觀察實驗結果帶來一定的困難。為了克服上述困難，我們采用單片機作為主要控制器，將弗蘭克赫茲板極電流和柵極電壓，經A/D轉換后傳輸給單片機，經過單片機處理后再由D/A轉換后傳輸給示波器。一、 改進后的弗蘭克赫茲實驗裝置的框圖如圖1所示是改進后的弗蘭克赫茲實驗裝置的框圖，它主要由弗蘭克赫茲實驗裝置，穩(wěn)壓電路，濾波電路，柵極電壓降壓電路，A/D轉換電路，D/A轉換電路，單片機小系統(tǒng)，示波器等組成。弗蘭克赫茲實驗裝置信號處理單片機AD0809存儲器6264DA0832信號處理示波器IgVgINT_0INT_1圖1 弗蘭克赫茲實驗裝置的框圖將Vg的信號經過降壓和濾波電路后引到數據采集系統(tǒng)中，作為數據采集的同步信號，其輸入到A/D轉換器的通道1；Ig隨著柵極電壓Vg的變化而變化，Ig（本實驗中電流的輸出是以電壓的形式，每一個電流值都有一個相應的電壓）經穩(wěn)壓電路及濾波電路后輸入到A/D轉換器的通道0轉換成數字信號，由單片機采集并進行相應的處理，存儲到外部數據存儲器6264中；Vg達到臨界電壓時，單片機自動從數據采集狀態(tài)轉變?yōu)閽呙栾@示狀態(tài)，取出數據經過D/A轉換成模擬信號，經過濾波電路送給示波器顯示，只要掃描速率提高，并不斷的重復掃描，就可以得到穩(wěn)定的曲線圖形。二、 弗蘭克赫茲實驗簡介1、 工作原理電子與原子碰撞過程可以用下面的方程表示：me是電子質量、M是原子質量、v是電子的碰撞前速度、V是原子的碰撞前速度、v是電子碰撞后的速度，V是原子碰撞后的速度、E為原子的內能變化。弗蘭克赫茲實驗儀測量第一激發(fā)態(tài)的實驗示意圖如圖2所示。原理是熱電子從陰極（k極）出發(fā)經過KG之間的電場逐漸加速，當電子的動能等于原子的第一激發(fā)態(tài)時動能轉換為原子的內能，電子的動能將為0，損失動能等于原子的第一激發(fā)態(tài)，那么就會發(fā)生第二次碰撞甚至更多。在電子穿過柵極G后受到GP減速電場的作用。動能只有大于eVGP 的電子才能達到陽極P形成陽極電流Ig。 圖2 弗蘭克赫茲實驗測量第一激發(fā)態(tài)實驗示意圖2、本次設計弗蘭克赫茲實驗儀簡介見附圖1。本次設計中采用的是復旦大學科教儀器廠生產的FDFHI型弗蘭克赫茲實驗儀如圖3所示。該型號的弗蘭克-赫茲實驗儀的Vg最大只能達到100V，超過100V則會造成擊穿。電流Ig是以電壓的形式輸出。其滿足以下關：Ig電流指示：電流=波段開關指示增益X電壓值 （1）Ig實際輸出：輸出值=Ig/波段開關增益指示 （2）通過多次實驗測試得到當Vg達到90V時，Ig的值在5V左右。為了考慮儀器的安全使用本設計只考慮Vg在90V以下的。為了安全使用儀器，在開機前必須將各按鈕逆時針旋至0，根據廠家提供的最佳參數調節(jié)各個電壓（Vf、VG1、VP）以及電流增益檔。三、 單片機最小系統(tǒng)的組成1、單片機及數據存儲器如圖3所示。本設計中，單片機采用的是AT89S52。它有40個引腳，8k Bytes Flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，6中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。該款單片機的資源對于本設計已經是非常豐富了。并且性價比好。外部數據存儲器選用6264，它的存儲容量達到8K。為了使重新顯示不會發(fā)生閃爍現象，數據的采集量不能太多，一般不會超過2k字節(jié)。所以外部數據存儲器6264對本設計足夠了。圖3 單片機及數據存儲器（其中單片機用仿真器代替）2、A/D和D/A模塊如圖4所示。A/D轉換器選用常用的AD0809。它有八個模擬輸入通道，是8位的A/D轉換器。轉換時間一般為16個外部時鐘周期。它的轉換精度和速度在本設計中基本滿足要求，且性價比好，所以A/D轉換器選擇AD0809。D/A轉換器選用DA0832。它是一種8位的D/A轉換器。轉換建立時間一般為1微妙。其良好的性能能夠滿足本設計的需要。圖4 A/D和D/A模塊四、 軟件設計a) 數據采集數據只有在鋸齒信號Vg為0時開始采集數據，鋸齒信號Vg達到規(guī)定的臨界電壓時，結束數據采集。開機時要對AD0809的通道1進行檢測，當檢測到0時開始對通道0進行數據采集并保存。每保存一個數據，對Vg電壓采集一次，判斷是否達到規(guī)定的臨界電壓，不是則通過求平均后保存電流值。直到Vg電壓達到規(guī)定的臨界電壓。每次采集之間延時60微秒。b) 掃描顯示將數據存儲器中采集的數據經DA0832轉換成模擬信號。經過濾波電 路在示波器上顯示。循環(huán)掃描。c) 程序框圖主程序入口開始采集鍵是否按下數據采集DA轉化開始采集鍵是否按下是否否是圖3 主程序流程圖外部中斷0入口置AD轉換結束位中斷返回外部中斷1入口置開始采集鍵按下位中斷返回圖4 外部中斷0流程圖 圖5外部中斷1流程圖數據采集子程序電壓Vg是否為0 采集電流并保存延時60微妙子程序電壓是否為最大值？保存電流值，個數加一返回是否否是圖6 數據采集子程序五、結束語我們使用的弗蘭克赫茲實驗儀是復旦大學科教儀器廠生產的FDFHI型。該儀器出來的信號都是電壓形式的，所以我們對該實驗的改造的難度也有所降低。經過改進后弗蘭克赫茲實驗可以在示波器上得到比較直觀的電流電壓關系圖。這給實驗者在觀察實驗結果帶來了一點的方便。最后忠心感謝指導老師的熱心指導，感謝學校給我們一次練兵的機會。參考文獻:1 陳國杰,徐志民,朱星,智能弗蘭克-赫茲實驗測量儀的研制,大學物理,2002年6月2 王梅生, 弗蘭克-赫茲實驗中的峰間距問題,物理實驗,2001年5月3 張毅剛,彭喜源, MCS-51單片機應用設計, 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2