单片机的对物理实验仪器的改进.docVIP

基于单片机的对物理实验仪器的改进 作者：薛大腾 （物理与电子信息学院 02信电7班） 指导老师：吴桂初 池贤兴 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。 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。 弗兰克—赫兹实验简介 工作原理 电子与原子碰撞过程可以用下面的方程表示： me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K—G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G—P减速电场的作用。动能只有大于eVG—P 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FD—FH—I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、VG1、VP）以及电流增益档。 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，中断优先级2层中断嵌套中断，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。 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 软件设计 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，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。 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。 程序框图 图3 主程序流程图 图4 外部中断0流程图 图5外部中