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摘 要

金属电子逸出功测定的实验，综合性地应用了理查孙直线法、外延法和补偿测量法等多种基本实验数据处理方法。此实验对学生在数据处理方面有较好的基本训练，所以目前国内众多的高校在《大学物理实验》课程中都开设了这个实验。由于实验装置的高频率使用，金属电子逸出功实验仪的电压调节电位器容易出现磨损，导致被调节参数出现波动、不稳定等现象，致使仪器无法正常使用，影响了实验教学的正常进行。本课题采用光电编码器结合单片机技术，取代原有的电位器来改装、完善金属电子逸出功实验仪，实现了电压调节装置的永久性使用而不产生机械磨损，克服了使用电位器带来的各种弊端,同时实验结果显示实验数据精度有所提高。

关键词：金属电子逸出功 光电编码器 电压调节

ABSTRACT

The Experimen of Electric discharged power teaches students many basic experimental data approachs, such as Richardson straight-line method, epitaxy and compensation measurement method. So many colleges have this experiment. In the conventional voltage control device, potentiometer is used to adjust the electric voltage and current. Here, we propose that photoelectric encoder can be used to provide the digital signal and adjust the high voltage DC. Using our device, there is little abrasion for permanent use and we do not need to replace the potentiometer. We apply this device in the experiment of the work function of metal electrons, and find that the data precision is significantly increased.

Keywords: Electron discharged power Potentiometer Voltage control

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1实验原理及有关装置 1

1.2总体方案设计 2

第二章 硬件设计 3

2.1单片机部分 3

2.2电流、电压调节 5

2.3电压、电流调节 8

2.4数据采样测量部分 16

2.5液晶显示 18

第三章 主要软件设计 22

3.1编码器 22

3.2电流、电压控制 23

3.3电流、电压测量 24

3.4数据显示 25

第四章 数据实测及总结 28

4.1实验数据及其处理: 28

4.2总结 29

4.2.1总体电路原理图 30

4.2.2 总体PCB(印刷电路板)图 31

4.3作品特点 31

4.4 展望 32

参考文献 33

致谢 34

第一章 绪论

金属电子逸出功的测定实验，综合性地应用了理查孙直线测量法、外延法和补偿测量法等多种实验数据处理方法。对培养学生在数据处理方面有较好的训练,多数高校都开设了这个实验。

在这个实验过程中，有很多地方需要调节电压。目前的实验仪器大多数都是采用电位器进行电压调节的。在使用的过程中，由于电位器的反复机械转动，触点与电阻膜频繁摩擦，经常出现触点和电阻膜损坏，接触不良等情况，造成控制质量下降以致控制失灵。尤其是在金属电子逸出功的测定这个实验中，电压是主要的调节参数，它的调节非常频繁，从而引起了电位器的磨损，导致了被调节参数出现波动、不稳定等现象，致使仪器无法正常使用，影响了教学实验的正常进行。针对这一问题，我采用了光电编码器结合单片机技术替代了原有的电位器，很好的解决了因电位器的磨损导致实验装置不能正常工作的问题，提高了实验设备的稳定性和完好率。

1.1实验原理及有关装置

图1-1-1 热电子发射电路图

给真空二极管阴极（钨丝）提供电流加热来提高阴极温度，温度升高导致钨丝内部电子的能量分布发生变化，使得动能大于的电子数目增加，使动能大于的电子达到可观测的程度，从金属表面发射出来的热电子数目达到可检测的数目，因此在阳极板未加正电压（图1-1-1中）时，连接两个电极板的外电路中也会检测到有热发射电流（零场电流）通过,此零场电流强度由理查逊•热西曼公式确定^[1]。有

(1-1)

它是热电子发射测量电子逸出功基本原理的公式。式中是与阴极表面化学纯度有关系的系数（单位为A/(m²·K²) ），为阴极的有效发射面积（单位为m²）

是发射热电子阴极的绝对温度（单位为K），是玻尔兹曼常数。此式表明电子逸出功（）对热电子发射强弱有着决定性作用^[1]。

将1-1式两边除以,取对数，得

（1-2）^[1]

此式表明与成线性关系。如果以为纵坐标，以为横坐标作图，由直线的斜率即可求出电子逸出电势进而求出电子逸出功^[1]。

完成本实验的关键就是要给真空二极管提供准确的灯丝电流、阳极电压和精确的测量阳极电流。

1.2总体方案设计

编码器模块向STC89C52单片机发出数字脉冲信号，STC89C52单片机将接收到脉冲信号用软件进行判别、处理，将计算出的需要调节的电压值通过电压电流输出模块输出并提供给金属灯丝，电压测量模块将经过调节的电压信号发送给单片机，由单片机处理后发送至显示模块显示；另外一路电流的控制方式与此类似。其与原理方框图如图1-2-1。

图1-2-1 原理框图

第二章 硬件设计

2.1单片机部分

单片机是集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括CPU处理器、RAM数据存储器、ROM程序存储器、定时器/计数器和多种I/O接口等^[2]。51系列单片机内主要包含下列几个部件^[2]：

（1）一个片内振荡器和时钟电路；

（2） 32根I/O口线；

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