基于单片机的对物理实验仪器的改进Word文档格式.docx
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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:
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。
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,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes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。
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4A/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,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
图3主程序流程图
图4外部中断0流程图图5外部中断1流程图
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
附图2连机图
附图3单片机与数据存储器原理图
附图4A/D和D/A模块原理图
附图5A/D和D/A模块PCB图
附图6单片机与数据存储器PCB图
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