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摘 要

本毕设针对市面上在售的相当一部分弗兰克—赫兹实验仪存在的例如用于参量调节的电位器和按键在反复使用后易失准和损坏、无法将实验数据和实时曲线直观显示等一系列缺陷和不够人性化的设计，从增长仪器寿命，实现功能多样化和获得更准确实验结果的角度考虑，用触摸屏替代了传统仪器按键加数码管的构造，依照人机交互系统的基本设计原则制作了新的控制系统，完成了触摸屏与单片机系统之间硬件电路连接和软件联通的设计。

关键词：弗兰克-赫兹实验 触摸屏 单片机 人机交互

Abstract

This graduation thesis focus on a serious of defects and designs which are not user-friendly of a considerable part of the Frank - Hertz experiment instruments sold on the market.For example, the potentiometers and keys applied for adjustment may lose accuracy and break down easily after repeated use,the experimental data and real-time curves can not be displayed directly and so on.From the perspective of increasing the life of the instrument, realizing the diversification of functions and obtaining more accurate experimental results, traditional instrument keys plus digital tube structure have been replaced by touch-screen,a new control system has been designed according to basic design principles of human-computer interaction systems.And also,designs of the hardware circuit connection and software connection between Single Chip Microcomputer System and the touch screen have been completed.

Key words: Frank-Hertz experiment, touch screen, MCU, human-machine interaction

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1实验简述 1

1.2现有仪器缺陷分析 2

1.3方案设计 3

第二章 与显示系统相关的硬件选择 5

2.1液晶触摸屏部分 5

2.1.1触摸屏简介 5

2.1.2市面上几款主流触摸屏的比较 6

2.1.3迪文DGUS触摸屏 8

2.2单片机部分 10

2.2.1单片机简介 10

2.2.2STC89C52和STC89C58单片机 11

第三章 实验装置的界面设计及配置 13

3.1自检界面 13

3.2主界面 14

3.3参数预设界面 15

3.4实验界面 15

3.5曲线对比界面 16

3.6数据存储界面 17

3.7过渡界面 18

第四章 软件设计 20

4.1基本指令简述 20

4.2采用预置数组的测试程序 21

4.2.1串口通信程序 21

4.2.2曲线控制函数 23

4.2.3数据存储录入及清空 25

4.3最终程序（部分） 27

第五章 实验装置的原理图及实物界面 31

5.1原理图及PCB图 31

5.1.1原理图 31

5.1.2 PCB图（屏幕部分） 33

5.2实物图示 34

5.2.1参数预设（此时为手动模式） 34

5.2.2曲线显示和数据存储实物界面 34

第六章 总结 35

参考文献 36

致谢 37

第一章 绪论

弗兰克-赫兹实验是大学物理实验中比较经典的内容，其通过对经过氩管（或充有其他惰性气体的赫兹管）的电子电流的测量，测定氩原子等元素的第一激发电位，证明原子能级的存在，至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，已经成为广泛应用的实验技术^[1]。

在实验过程中，有四个需要改变的参量：灯丝电压、第一加速电压、第二加速电压和拒斥电压。其中，第二加速电压的改变最为频繁，在整个实验过程中需时刻调节使电子获得不同的能量。

现有的实验仪器对上述四个电压的调节一般采用电位器和按键调节,在长时间使用后容易出现故障，影响实验效果，增加了维护成本，且无法保证精度。除此以外，大部分的市售弗兰克-赫兹实验仪需要手动记录所有实验数据，且需要外接示波器才能够实现曲线的显示，使用不便。

本次毕设的目的主要在于改良现有的弗兰克-赫兹实验仪。以触摸屏取代原有仪器上繁复的按键，并设计、编写触摸屏与单片机之间相应的硬件电路和软件程序，在原有仪器的基础上延长其寿命并增加功能。

1.1实验简述

(1)原子受激辐射

由玻尔理论我们得知，原子只能停留在一些稳定能量状态，且这些状态是不连续的，被称作定态。原子跃迁，即原子在吸收或辐射出一定的能量之后（该能量需等于两个定态之间的能量差），从一个定态过渡到另一个定态。

(2)夫兰克-赫兹实验

图1-1 夫兰克-赫兹实验原理图

F-H管是一种充有惰性气体的密封玻璃管。阴极K对灯丝进行加热使其发射出电子。阴极电子流随灯丝电压U_灯丝的增大而增大。第一栅极G1和阴极K之间存在第一加速电压U_G1K，作用是消除F-H管中本身存在的电荷对阴极电子流的影响。第二栅极G2和K之间存在一加速电压。U_G2K用于构建对电子加速的静电场。在板极A和G2之间有一反向电压。这一电压会使发生碰撞后剩余能量非常低的电子折回。在经历一系列电压作用后，部分电子到达板极A，产生极微小的电流并被测出。

在整个实验过程中，U_G2k逐渐增大（范围一般在0.5~80V之间），电子获得的能量相应增大。由于一开始电子拥有的能量小于惰性气体原子的激发能，所以电子与惰性气体原子只发生弹性碰撞。能量不损失，微安电流同时递增。当U_G2K达到原子激发电位时，电子和惰性气体原子之间发生非弹性碰撞。惰性气体原子吸收电子的能量被激发，电子损失能量无法继续穿越拒斥电压场，致使微安电流骤降。如图1-2，在实验图谱中，明显的峰谷起伏就是由前述的原因造成。中肯电位可以根据两个定态间的能量差算出。

图1-2 I_A-U_G2K曲线

1.2现有仪器缺陷分析

虽然夫兰克-赫兹实验仪已经是十分成熟的实验仪器，但仍有值得改进的地方，主要存在于仪器寿命、实验精确度和对实验数据的处理三方面。

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