电子自旋共振仪中嵌入单片机测控系统的设计

中文摘要:

   嵌入式单片机系统与传统的实验仪器相结合,是实现测量自动化和提高实验精度的有效方法。在经典近代物理实验仪器———电子自旋共振仪中嵌入8051单片机系统,用计算机代替人眼对信号的观测,克服了传统示波显示方法的弱点,实现了共振峰的客观判定,显著地提高了判断的准确度。同时,由于共振谱线等信号被量化,可以被方便地存储、调用,还可通过串行通信口送往PC机做进一步的处理。与传统实验仪器相比,测量数据的分散性得到了明显的改善,g因子的相对误差由大于0.5%减小为0.1%左右。

英文摘要：

  The combination of embedded single chip p rocessor system and traditional laboratory apparatus is an effective method of realizing the measuring of automation and imp roving the experiment p recision. In the classical modern physics laboratory apparatus—the electron sp ins resonance appearance 8051 single chip p rocessor system is embedded, the observation of the signal of human eye is rep laced with that of the computer, the weakness of the traditionalwave showing is overcome, the objective judgement of resonance peak is realized, and the accuracy of judgement is remarkably imp roved. At the same time because the signal of resonance spectral line is quantized, which can be conveniently memorized, transferred, and sent to the PC to do further treatment through the serial communication port. Compared to traditional laboratory apparatus, the decentralisation of measurement data is remarkably imp roved. Relative error of g factor can be reduced from > 0. 5 % to 0. 1 %.

0　引　言
     射频段电子自旋共振实验仪是重要的经典物理实验仪 器[ 1 ] ,目前,各高等院校所开设的电子自旋共振实验大多 采用传统的自旋共振仪,通过扫描磁场来捕获共振信号,并 将共振信号送入示波器中观察。在示波器使用共振仪提供 的外扫描信号,且改变扫场幅度而共振峰位置不移动时,即 认为恒磁场B0 已经调准,可记录数据。由于电子自旋共振 信号线宽较大,信号微弱,峰位置是否移动靠人眼判别时存 在较大的偶然误差,因此,传统实验仪器的测量精度不够高 (相对误差通常大于0. 5 % ) ,并且,观测者的眼睛容易疲 劳。 为了提高实验测量的精度,本文作者成功设计了内嵌 单片机系统的新型电子自旋共振仪,由计算机代替人眼实 现共振信号的判定,数据的获取变得快速而准确,采用计算 机软件对结果做进一步处理,可方便地得到谱线线宽及仪 器所在地的地磁场分量等数据,仪器的使用取得了很好的 效果。
3　单片机系统软硬件设计
    
3. 1　硬件设计的有关问题
     嵌入式单片机系统采用国内常用的AT89C52 ( 89S52) 单片机[ 2 ] ,它内含8 kB程序存储器, 256字节RAM,省去了 外部存储器,节约了印板空间。由该单片机外配整形分频 模块、A /D变换模块、显示模块、串行通信模块等组成嵌入 式自动测试系统。 由于89C52单片机时钟频率较低,不能直接进行兆赫 兹以上信号的测量计数,而电子自旋共振仪工作在20MHz 以上射频频段, 故缓冲器输出的高频信号经数字IC (74LS190)组成的分频器降频后再送入I/O口线。共振谱 线信号和磁场线圈中的电流信号则经过A /D转换器量化 为数字信号后送往8位I/O口(使用TI公司ADC0820,送 P1口) ,显示器选用4位LED共阴数码管交替显示频率和 电流,以便节约成本, 4位有效数字的选取也与本实验所能 达到的精度相匹配。 相邻共振峰之间是否等间隔,是借助单片机定时器对 I/O口线电平变化的时间间隔进行计算,计算结果送判定 过程指示器显示,这个指示器简洁明了,用几个不同颜色的 发光二极管指示间隔相等与否,间隔相等时,同时会有声音 提示(图中未画出) 。仪器还设计有一个串行通信接口,由 MAX232等器件构成的通信模块经此口输出标准RS232 电平信号,以便与PC机相连,仪器测出的频率和电流值、 共振谱线信号和判定指示等信号均通过后面板的插口送 往PC机,有关数学运算的工作(包含计算g因子及地磁 场垂直分量、水平分量、共振线宽等)在PC机由应用软件 完成。 除此之外,还预留了几条I/O线作为控制线,为仪器以 后升级留下空间。 本仪器可以独立工作,完成全部实验数据的测量,也可 以借助外接示波器进行手动测量,还可借助PC机进行后 期数据处理,为具有不同要求的使用者提供了方便。