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摘 要

弗兰克赫兹实验（以下简称F-H实验）是近代物理里面一个非常重要的实验，在进行这个实验时，需要测量两个量：加速电压和板极电流。测量时经常要调节该实验仪的加速电压，而目前常见的F-H实验仪的加速电压大多采用电位器来调节。电位器主要是由电阻体、接触刷、基体和骨架等部分组成。当操作者反复转动电位器时，由于触点与电阻膜频繁摩擦，经常出现电阻体和接触刷损坏，接触不良等情况。这些问题将导致仪器不能正常工作，从而影响实验的顺利进行。针对这些问题，我们准备采用数字控制的方式，利用光电编码器，三极管，运算放大器，以及单片机系统，替代原有的电位器，对F-H实验仪的电路控制部分重新设计，解决由于电位器的经常使用所带来的一系列问题。

关键词：线性电压 光电编码器 运算放大器 单片机  

Digital adjustment of linear voltage for

full - scale Frank Hertz experiment

ABSTRACT

Frank Hertz(F-H) experiment is an important experiment of modern physics. There are two quantities needed to be measured in this experiment：the acceleration voltage and the plate current .The acceleration voltage regularly needs to be adjusted in the experiment. Currently, the acceleration voltage in F-H experiment is mostly adopted potentiometer to adjust. The typical structure of potentiometer is composed by the resistor body, contact brush, matrix and skeleton.However, due to its frequent switching, it often causes contact damage, poor contact and control failure which may affect the smooth conduct of the experiment . In order to deal with the problems, it would be better to use photoelectric encoder and linear amplifier combined with single chip microcomputer system in the way of digital control. F-H experiment instrument is redesigned to solve a series of problems that results from the frequent use of potentiometer. The content of this paper is based on the redesign and amelioration of F-H experiment instrument.

Key words:  linear voltage; photoelectric encoder; operational amplifier; single chip

摘要 I

ABSTRACT II

第一章  绪论 2

1.1研究现状 2

1.2实验原理 3

1.3方案设计 4

第二章  硬件设计 6

2.1 单片机部分 6

2.1.1单片机简介 6

2.1.2 STC89C52RC单片机 8

2.2 电压调节 8

2.2.1光电编码器 8

2.2.2 TLV5616 D/A转换器 10

2.2.3电压调节模块 13

2.2.4电压输出在系统中的应用 21

第三章  主要软件设计 23

3.1光电编码器 23

3.2电压控制 24

3.3软件流程图 24

  25

第四章 数据分析及总结 26

4.1实测数据及处理 26

4.1.1 实测数据 26

4.1.2实验数据处理 26

4.2电路原理图 27

4.3电路PCB图 27

4.4作品特点 28

4.5作品展望 28

4.6 总结 28

参考文献 29

致谢 29

第一章  绪论

1.1研究现状

F-H实验是近代物理学上的一个非常经典的实验，据参考文献^[1]，1913年，丹麦物理学家玻尔(N．Bohr，1885-1962)在卢瑟福原子核模型的基础上，结合普朗克的量子理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论，玻尔理论是原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结构理论发表的第二年，即1914年，德国物理学家弗兰克(J．Frank，1882—1964)和赫兹(G．Hertz，1887—1975)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在．证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的，给玻尔的原子理论提供了直接的独立于光谱研究方法的实验证据。由于此项卓越的成就，他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。这是量子物理发展史上理论与实验相互印证的又一个极好的例证^[1]。因此，大多数国内外高校都开设了这个实验。

F-H实验主要是通过改变加速电压来确定原子的第一激发电位的。目前绝大多数实验室使用的F-H实验仪存在手动调节加速压不够细致，描点画~曲线准确度不高，直观性差的缺点。而实验中对加速电压的调节，主要是借助电位器完成的。电位器主要是由电阻体、接触刷、基体和骨架等部分组成，电阻体上有两个固定端，要改变电阻值，则需要通过手动调节接触刷，当电刷在电阻体上移动时，可得到与位移量有一定比例的电压，最后达到调节电压与电流大小的目的。F-H实验仪中使用的电位器主要是使用碳膜作为电阻膜，由于电位器的结构特点所致，在使用的过程中，由于电位器的接触点与电阻体产生摩擦，电阻体表面的碳膜等涂层被磨损，导致其调节失灵，经常导致仪器不能正常工作；其次，实验参数不能做到定量测量，得到的曲线将会出现偏差；最后，电位器所测量程较小，不能满足实验需求。

为了解决上述问题，我们小组将F-H实验仪做了改进，主要包括编码器输入单元、触摸控制单元、视频显示单元等，我主要负责线性电压的调节部分。

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