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摘 要

大学物理实验中，在做弗兰克赫兹实验时，要测到两个实验数据：板极电流I_A，加速电压U_G2K。

由于老式仪器的先天性不足，因此难以胜任日益繁重的教学任务，致使学生难以深刻理解弗兰克赫兹实验的内在机理。针对上述问题，我们决定采用数字控制的方式，结合触摸屏、以及单片机系统，代替原有的电位器和机械控制按键，对弗兰克赫兹实验仪的电路控制部分重新设计，解决由于电位器和机械控制按键的经常使用所带来的一系列问题，达到了延长仪器使用寿命，提高仪器可靠性、提升仪器档次的目的。

本毕业设计是协助对全数字型弗兰克赫兹实验仪的开发设计，重点研究实验电路的接地部分，分析如何对各种干扰信号的处理以及接地方式的最优选择，处理棘手的接地问题等。

关键词：实验仪优化 单片机 接地 电路控制

ABSTRACT

In the Frank Hertz experiment ,two quantities should be measured : plate current I_A, acceleration voltage U_G2K.

Due to the congenital shortcomings of old-fashioned instruments, it is difficult to fulfill the increasingly arduous task of teaching, so that the students can not understand the inherent mechanism of Frank Hertz experiment profoundly. Regarding the issues above, a digital control method is adopted to solve the series of problems caused by excessive use of the potentiometer and mechanical control buttons. In contrast with the old-fashioned instruments, All-digital Frank Hertz experiment instrument redesigns the circuit part which integrates the touch screen and the microcontroller system instead of the original potentiometer and mechanical control buttons. In this way, it extends the life of the instruments, improves the reliability of the instruments and enhances the grade of the instruments immensely.

The thesis assisted us to design and develop the all-digital Frank-Hertz experiment instrument. It focuses on the grounding part of the experimental instrument circuit and analyzes how to deal with the interference signal and the optimal choice of grounding mode. Finally, the thought of this thesis will help us dealing with the difficult grounding problem.

Key words: experimental instrument optimization; single – chip; grounding ;circuit control

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1实验原理 1

1.2 实验总体思路 2

第二章 单片机及芯片的介绍 4

2.1单片机 4

2.2.光电耦合器 6

2.3TLV5616芯片 8

2.4 6N137; 10

2.5继电器 14

2.6运算放大器 16

第三章 接地技术原理及应用 20

3.1接地技术 20

3.2单片机中的接地技术 21

第四章 具体实验及分析 24

4.1整体电路分析 24

4.2U_G2K浮地设计 26

4.3隔离的多点接地 26

4.4作品特点 32

第五章结语 34

参考文献 34

致谢 34

第一章 绪论

弗兰克赫兹实验是近代物理学一个十分经典的实验，根据参考文献^[1]，弗兰克赫兹实验是通过提高加速电压U_G2K来观察板极电流I_A之间的关系来证明了波尔的原子能级理论。

在运用老式弗兰克赫兹实验仪进行实验时，加速电压UG2K的调节全是依靠实验人员通过电位器手动方式完成的。由于电位器以及机械按键存在的缺陷，频繁的使用导致接触不良，其仪器的长期使用性及可靠性就大大降低了，同时还增加了仪器的维护率，另外，人为地调节电压会导致实验结果的不精密性。

毕业设计主要研究了改进的弗兰克赫兹实验仪的接地原理及各个电路模块的接地方式，包括设计运用单片机之后数字信号与模拟信号的共地点等一系列复杂的问题的研究，通过反复实验得到最佳方案。

1.1实验原理

Frank-Hertz实验原理如图1.1-1所示。电子从热阴极发射，阴极K和栅极G₁之间的加速电压V_G1使电子加速，电子在空间中是向着阴极运动的，但是在这股外接各种电压的时候，当电子的能量小于外接电压时就会达不到阴极，当电子的加速电压足够高的时候，能量大于设定值就会运动到阴极从而就会有电流I_A的产生 ^[1]。

增大V_G2后，电子能量大于碰撞衰减以及减速电场的能量，I_A就会只增大，得到了如图1.1-2所示的曲线。对Ar来说，所得到的图像靠近两个极大值（或极小值）之间V_G2的相差值，就是Ar的First excitation potential。 上述所得到的值可以证明量子理论，也就是说明了原子能量存在间隙。

图1.1-1 实验原理图

图1.1-2 I_A-V_G2曲线

1.2 实验总体思路

实验小组在参考市场上已有的弗兰克赫兹实验仪以及结合市场、学校教学科研学术要求，提出设计了弗兰克赫兹实验仪的总体改造方案。具体的步骤流程如下：方案设计、器件选择、电路测试、以单片机为核心的控制电路的搭建、PCB构建、程序设计等。

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