基于單片機(jī)的對(duì)物理實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn).doc

基于單片機(jī)的對(duì)物理實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)作者：薛大騰 （物理與電子信息學(xué)院 02信電7班）指導(dǎo)老師：吳桂初 池賢興前言：弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)是用電子與原子碰撞的方法證實(shí)原子能級(jí)量子化的著名實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)證明了原子能級(jí)的存在，也證明了原子發(fā)生躍變時(shí)吸收能量是完全確定的、不連續(xù)的。以前觀察該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)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?？欤荒茉谑静ㄆ魃系玫椒€(wěn)定的波形，給實(shí)驗(yàn)者觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)一定的困難。為了克服上述困難，我們采用單片機(jī)作為主要控制器，將弗蘭克赫茲板極電流和柵極電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后再由D/A轉(zhuǎn)換后傳輸給示波器。一、 改進(jìn)后的弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)裝置的框圖如圖1所示是改進(jìn)后的弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)裝置的框圖，它主要由弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)裝置，穩(wěn)壓電路，濾波電路，柵極電壓降壓電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)小系統(tǒng)，示波器等組成。弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)裝置信號(hào)處理單片機(jī)AD0809存儲(chǔ)器6264DA0832信號(hào)處理示波器IgVgINT_0INT_1圖1 弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)裝置的框圖將Vg的信號(hào)經(jīng)過(guò)降壓和濾波電路后引到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，作為數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，其輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的通道1；Ig隨著柵極電壓Vg的變化而變化，Ig（本實(shí)驗(yàn)中電流的輸出是以電壓的形式，每一個(gè)電流值都有一個(gè)相應(yīng)的電壓）經(jīng)穩(wěn)壓電路及濾波電路后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的通道0轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)采集并進(jìn)行相應(yīng)的處理，存儲(chǔ)到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264中；Vg達(dá)到臨界電壓時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)從數(shù)據(jù)采集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閽呙栾@示狀態(tài)，取出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(fù)掃描，就可以得到穩(wěn)定的曲線圖形。二、 弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介1、 工作原理電子與原子碰撞過(guò)程可以用下面的方程表示：me是電子質(zhì)量、M是原子質(zhì)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(nèi)能變化。弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量第一激發(fā)態(tài)的實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。原理是熱電子從陰極（k極）出發(fā)經(jīng)過(guò)KG之間的電場(chǎng)逐漸加速，當(dāng)電子的動(dòng)能等于原子的第一激發(fā)態(tài)時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為原子的內(nèi)能，電子的動(dòng)能將為0，損失動(dòng)能等于原子的第一激發(fā)態(tài)，那么就會(huì)發(fā)生第二次碰撞甚至更多。在電子穿過(guò)柵極G后受到GP減速電場(chǎng)的作用。動(dòng)能只有大于eVGP 的電子才能達(dá)到陽(yáng)極P形成陽(yáng)極電流Ig。 圖2 弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)測(cè)量第一激發(fā)態(tài)實(shí)驗(yàn)示意圖2、本次設(shè)計(jì)弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀簡(jiǎn)介見(jiàn)附圖1。本次設(shè)計(jì)中采用的是復(fù)旦大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的FDFHI型弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀如圖3所示。該型號(hào)的弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀的Vg最大只能達(dá)到100V，超過(guò)100V則會(huì)造成擊穿。電流Ig是以電壓的形式輸出。其滿足以下關(guān)：Ig電流指示：電流=波段開(kāi)關(guān)指示增益X電壓值 （1）Ig實(shí)際輸出：輸出值=Ig/波段開(kāi)關(guān)增益指示 （2）通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到當(dāng)Vg達(dá)到90V時(shí)，Ig的值在5V左右。為了考慮儀器的安全使用本設(shè)計(jì)只考慮Vg在90V以下的。為了安全使用儀器，在開(kāi)機(jī)前必須將各按鈕逆時(shí)針旋至0，根據(jù)廠家提供的最佳參數(shù)調(diào)節(jié)各個(gè)電壓（Vf、VG1、VP）以及電流增益檔。三、 單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成1、單片機(jī)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器如圖3所示。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用的是AT89S52。它有40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，6中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2層中斷嵌套中斷，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。該款單片機(jī)的資源對(duì)于本設(shè)計(jì)已經(jīng)是非常豐富了。并且性價(jià)比好。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用6264，它的存儲(chǔ)容量達(dá)到8K。為了使重新顯示不會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象，數(shù)據(jù)的采集量不能太多，一般不會(huì)超過(guò)2k字節(jié)。所以外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264對(duì)本設(shè)計(jì)足夠了。圖3 單片機(jī)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（其中單片機(jī)用仿真器代替）2、A/D和D/A模塊如圖4所示。A/D轉(zhuǎn)換器選用常用的AD0809。它有八個(gè)模擬輸入通道，是8位的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為16個(gè)外部時(shí)鐘周期。它的轉(zhuǎn)換精度和速度在本設(shè)計(jì)中基本滿足要求，且性價(jià)比好，所以A/D轉(zhuǎn)換器選擇AD0809。D/A轉(zhuǎn)換器選用DA0832。它是一種8位的D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換建立時(shí)間一般為1微妙。其良好的性能能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要。圖4 A/D和D/A模塊四、 軟件設(shè)計(jì)a) 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)只有在鋸齒信號(hào)Vg為0時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，鋸齒信號(hào)Vg達(dá)到規(guī)定的臨界電壓時(shí)，結(jié)束數(shù)據(jù)采集。開(kāi)機(jī)時(shí)要對(duì)AD0809的通道1進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到0時(shí)開(kāi)始對(duì)通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并保存。每保存一個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)Vg電壓采集一次，判斷是否達(dá)到規(guī)定的臨界電壓，不是則通過(guò)求平均后保存電流值。直到Vg電壓達(dá)到規(guī)定的臨界電壓。每次采集之間延時(shí)60微秒。b) 掃描顯示將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DA0832轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。經(jīng)過(guò)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(kāi)始采集鍵是否按下數(shù)據(jù)采集DA轉(zhuǎn)化開(kāi)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(zhuǎn)換結(jié)束位中斷返回外部中斷1入口置開(kāi)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(shù)據(jù)采集子程序電壓Vg是否為0 采集電流并保存延時(shí)60微妙子程序電壓是否為最大值？保存電流值，個(gè)數(shù)加一返回是否否是圖6 數(shù)據(jù)采集子程序五、結(jié)束語(yǔ)我們使用的弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀是復(fù)旦大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的FDFHI型。該儀器出來(lái)的信號(hào)都是電壓形式的，所以我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改造的難度也有所降低。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)可以在示波器上得到比較直觀的電流電壓關(guān)系圖。這給實(shí)驗(yàn)者在觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)了一點(diǎn)的方便。最后忠心感謝指導(dǎo)老師的熱心指導(dǎo)，感謝學(xué)校給我們一次練兵的機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn):1 陳國(guó)杰,徐志民,朱星,智能弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x的研制,大學(xué)物理,2002年6月2 王梅生, 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中的峰間距問(wèn)題,物理實(shí)驗(yàn),2001年5月3 張毅剛,彭喜源, MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì), 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2