基于P89LPC932单片机的夫兰克-赫兹实验仪的设计

　　1引言

　　夫兰克-赫兹实验是近代物理中非常重要的实验[1]，在一定条件下 (主要是一定的第一栅极电压 UG1K、 阻滞电压UG2P、 灯丝电压 UF)， 通过研究阳极电流 Ip随第二栅极电压UG2P的变化关系， 根据电子在碰撞中的能量变化特征来证实原子能级的存在。 所以， 夫兰克-赫兹实验仪中重点要控制UG1K、UG2P、UF电压的大小并产生一个变化电压 U　　G2K和测出电流 Ip及电压 UG2P的大小。 早期仪器中采用机械电位器调节UG1K、UG2K、UG2P、UF电压，只能手动操作;而采用普通运算放大器弱电流放大，稳定性差。 为了提高仪器的智能化、稳定性等性能， 这里提出一种基于 P89LPC932 单片机的夫兰克-赫兹实验仪设计方案。

　　2仪器整体设计

　　本设计以单片机 P89LPC932 为核心，A/D 转换器采用12 位、11 个输入通道、SPI 串口接口的 TLC2543。 测量经高性能运放 OPA128 组成的放大电路放大后的 Ip电流 (10-9~10-7A)和经电阻分压的 UG1K、UG2K、UG2P、UF电压，其测量结果分别用 2 个相同的 4 位 7 段 LED 显示， 同时保存在 64 K 字节的E2PROM 器件 CAT24C256 中。 数字电位器 MAX5481 在单片机的 SPI 接口控制下， 通过电路产生一个 0~100 V 左右、分辨率约为 0.1 V 的变化 UG2K电压。 数字电位器 DS1844 在单片机的 I2C 接口控制下，通过电路产生 3 路 64 阶变化的电压UG1K、UG2P、UF。 USB-串口转换器 PL2303H 使仪器通过伪 USB接口与计算机相连,进行数据传输。 图 1 为仪器的整体框图.

　　3基本电路

　　该仪器的核心是 P89LPC932 型单片机[2]，该器件接口丰富，具有 768 字节 RAM 数据存储器，8 KB 可擦除 Flash 程序存储器， 支持 ISP 下载;400 kHz 字节方式 I2C 通信端口 、SPI通信端口和增强型 UART 串口， 这使其与具备 I2C 和 SPI 接口的器件连接和使用都很方便。 其内部 512 字节 E2PROM 可用于保存开机的初始状态和 F-H 管 (充氩气的夫兰克-赫兹管)的使用安全工作条件。

　　3.1 A/D转换电路

　　A/D 转换电路采用 TLC2543，它具有 11 个输入端 ，12 位分辨率，10 μs 的转换时间， 内部带有采样保持器和时钟电路，采用 SPI 接口。 单片机 P89LPC932 通过 SPI 接口的 4 个引脚与其相连，以控制其控制字的写入和转换操作。 其中控制字规定 TLC2543 所要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。 转换结果由单片机通过 SPI 接口读出。 UG1K、UG2K、UG2P、UF电压通过电阻分压以及放大后的 IP电流加到 TLC2543 的 5 个输入端，进行测量。

3.2 UG2K电压产生电路

　　早期设计中， 夫兰克-赫兹实验仪采用机械电位器手工调节来获得变化电压。 为了减少设计工作量，充分利用仪器成熟的模拟电路部分电路，本设计采用数字电位器代替机械　　电位器。数字电位器 MAX5481[3]是 10 位(1 024 阶)非易失、线性变化、可编程分压器(其两个固定端电阻为 10 kΩ)，实现机械电位器的功能，采用 SPI 接口。 硬件上，单片机 P89LPC932 通过 SPI 接口 4 个引脚与该器件相连;软件上，通过写入控制字来控制电位器的增大、减小和设定。 由于 MAX5481 的负载能力有限(电阻上的电流范围为几百微安到毫安级)，一般需采用放大电路扩展其负载能力[4]。