摘 要

弗兰克赫兹实验（以下简称F-H）是大学物理实验的重要组成部分。在F-H实验中我们需要调节实验中第Ⅱ栅极电压，并且测量板极电流的变化量。如果原子能级存在，且基态和第一激发态之间存在确定的能量差的话就能得到有规律的波峰和波谷的曲线。

进行实验时，我们需要通过不断调节电位器和机械按键来记录数据，因此电位器的频繁扭动和按钮的按动会使仪器遭到损坏。为了解决上述问题,我们对弗兰克赫兹仪的电路控制部分重新设计,采用数字控制的方式，利用光电耦合器件、触摸屏、以及单片机系统，替代原有的电位器和控制按键。最终达到延长仪器使用寿命，提高仪器可靠性、提升仪器档次的目的。

关键词：电路设计 光电耦合 单片机 触摸屏

ABSTRACT

Frank Hertz experiment (F-H) is an important part of college physics experiment. In the F-H experiment, we need to adjust the second gate voltage and measure the corresponding amount of the plate current。If the atomic level does exist, and there is a certain energy difference between the grand state and the first excited state, we can obtain a curve that has regular crests and roughs.

In the experiment, we need to record the data by rotating the potentiometer and press the buttons of the instruments. It will bring large damage when operated frequently. In order to solve the problems that concerned above, we redesigned the control part of circuit for the Frank Hertz instrument. We replaced the potentiometer and the buttons by the optocoupler and touch screen combined with single chip system. By doing this, it finally achieved the purpose of extending the life，improving the reliability and upgrading the grade of the instrument.

Keywords:Circuitdesign;Photoelectriccoupling;singlechip;touchscreen;

第一章绪论 3

1.1实验原理： 3

1.2总体方案设计 3

第二章单片机部分 4

2.1单片机简介 4

2.1.1.MCS-51单片机简介 4

2.2AT89S52单片机简介 5

第三章：D/A转换电压控制系统： 6

3.1TLV5616D/A转换器 6

3.1.2.TLV5616内部结构图： 6

3.1.3.TLV5616引脚配置图： 7

3.1.4.TLV5616引脚描述如下图所示： 7

3.1.5.数模转换 7

3.1.6.时序图： 7

3.1.7.时序说明： 7

3.2TLV5616D/A转换在系统中的应用 7

第四章A/D采样系统电压采集 8

4.1ADS7816A/D转换器 8

4.1.1.主要特性： 8

4.1.2.ADS7816内部结构图： 8

4.1.3.ADS7816引脚配置图： 8

4.1.4.引脚说明图： 8

4.1.5.ADS7816时序图： 8

4.2ADS7816在电压测量模块中的应用 9

第五章触摸屏控制模块 9

5.1DGUS指令说明 9

5.2接线方式： 10

5.3触摸屏控制模块在系统中的应用 10

第六章光电耦合电路 11

6.1光电耦合电路原理 11

6.2光耦电路在本试验仪中的作用 12

6.3光电耦合电路的接入： 12

第七章弗兰克赫兹管中的稳压放大电路 12

7.1线性稳压放大电路： 12

7.1.1LM358运算放大器： 12

7.1.2LM358运算放大器的具体应用： 13

7.2微电流放大电路： 14

7.2.1UA741运算放大器基本原理： 14

7.2.2微电流放大电路： 14

第八章电源模块： 15

8.1电源的选用 15

8.2全智能型F-H仪电源的选用。 15

第九章自检模块： 15

9.1自检模块电路应用： 15

9.2自检模块原理： 16

9.3具体流程框图： 16

第十章数据分析和总结 16

10.1实测数据及处理 16

10.1.1新F-H仪实验数据 16

10.1.2分析以上数据得出现象： 18

10.2电路图绘制： 18

10.2.1电路原理图： 18

10.2.2电路pcb图 19

10.3作品特点 21

10.4作品展望 21

1. 绪论

F-H实验是近代物理学史上最经典的实验之一。根据参考文献[1]。本实验研究了电子与原子之间相互碰撞之后的能量的变化。如果电子的能量不超过某一确定值，它与原子之间是完全的弹性碰撞。此时电子并不具有能量的损失。当该电子的能量达到一定的临界值。该电子与所实验的原子之间的碰撞会变成非弹性的。电子把一定的能量交给原子，使原子过度到一个较高的稳态，这直接证明了波尔的原子能级假设的存在[1]。

市面上的传统智能F-H仪虽然已经做到了使用简单的单片机组合半智能化，数据采集，而且传统智能实验操作相对而言比较简单直观。然而，经过市场调查，我们发现仍需要对现有的市面上的传统智能F-H仪进行重新设计克服一些问题：

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