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基于单片机的QCM检测系统的设计与实现

发布时间:2019-03-12 02:15:01 文章来源:工具之家    

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魏耀华 马文ying 唐雨竹

摘 要 sheji一zhong以 STC89C52RCweikongzhihexindegao精dukediao便携shiQCM检cexitong。xitong包kuoshiyingjingtiduoxiezhendangpinlvchuli、单pianji控zhiRS 232tong信等模kuaishiyongshiyingjingti多xiezhen荡mokuaiwan成jingzhenpiandequ动、pinlv选择、整形shu出xinhao经pinlv处li模块处理后交给单pianji控制模块jishu并xian示RS 232tong信模块实xian单片ji与计suanji之间数ju传输。与现youde检ce装置xiang比硬jianfangmianlvboqi设置为巴特沃兹san阶可调带通滤波器通过调jie其zhongxin频lv可manzu多种频率晶振片需要在软件设计zhongjia入wen度控制ji制jin一步提高liao系统dewending性测量误差仅为.3%,且chengben低、携带fang便,da到了设计要求。

关键词 便携shiQCM shi英jingti多谐振荡; 可调带通滤波; 温度控制ji制

zhong图fen类hao TN305.1?34; TN707 文献标识码 A 文章编号 1004?373X2017)16?0144?04

Abstract A high?precision, tunable and portable QCM detection system taking STC89C52RC as its control core was designed. The system includes the quartz crystal multi?harmonic oscillation module, frequency processing module, single chip microcomputer control module and RS 232 communication module. The quartz crystal multi?harmonic oscillation module is used to drive the quartz crystal, select the frequency, and shape the waveform. The output signal is processed with frequency processing module to hand over to the single chip microcomputer control module for count and display. The data is transmitted between single chip microcomputer and computer through RS 232 communication module. In comparison with the available detection devices, the filter is set for a tunable three?order Butterworth bandpass one, which can satisfy the requirement of quartz crystal with different frequencies by adjusting the center frequency. The temperature control mechanism is added into the software design to further improve the stability of the system. The detection error of the system is only 0.03%. The system has low cost, is easy to carry, and can reach the design requirement.

Keywords portable QCM; quartz crystal multi?harmonic oscillator; tunable bandpass filtering; temperature control mechanism

0 引 言

当今社会传ganjishu日yi普ji,作为一种可以检测到纳ke级质量改变,具备极高灵mindude传gan技术[1?3],石英晶体wei天pingQCM)也越来越weiren们suo熟知。早qide石英晶体微天平yong于监测膜厚的沉积su度和气相中微量成分的测定qude了相当da的成功,特别是cong20世纪80年代以来,石英晶体微天平在单面接触液体的条件下获得了wen定的振荡,从ci石英晶体微天平被广泛yingyong于sheng物化xue、dian化xue领yu的研jiu[4?6],从而开辟了石英晶体微天平应用的全新领域。但是与之配套使用的检测系统jiao少且多为国外生产,价geang贵、体积较大,极大地限制了该chuangan技术的普及与应用。

隨着科xue技术的日益jin步,单片机的功neng愈加强大且价格低廉,被广泛地应用于生活的各个方面[7?8]wen中针对QCM检测设备价格ang贵、体积较大且国内较少的问ti[9],提出了基yudan片机AT89C52RC的QCM检测系统。介绍了QCM的gong作yuan理,检测系统由硬件和软件liang部分构成,系统硬件分别是石英晶体多谐振荡模块、频率处理模块、单片机控制模块、RS 232通信模块。在软件中加入温度控制机制,该系统成ben低且性能较为稳定,可以满足日常需要。

1 QCM工作原理

石英晶体微天平的工作原理是利用了石英晶体的压dianxiao应, 如果在晶piande两极shang加交变dian压,晶片就会产生机xie振动。在一般情况下,晶片机械振动的zhenfu和交变dian场的振幅fei常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明xian加大,并保chi稳定,这种现象cheng为压电谐振,此时的频率称为晶片的谐振频率[10?11]。1959年德国科学家Sauerbrey首次提出频率的改变量与晶振片表面的fu着物存在一定的关系,该种关系可用Sauerbrey方cheng表示:

式中:f0为晶振片的谐振频率;[μq]和[ρq]为石英晶振片的剪切模量和密度,分别为2.947×1011 gcm-1·s-2和2.648 g·cm-3,[Δm]为石英晶体的质量g);A为石英晶振片的有效面积du电极部分的面积),若为对称电极,则为电极部分面积,若为非对称电极,则为两个电极之间的相对部分面积[12]。endprint

2 系统整体kuang架设计

系统以STC89C52RC为控制核心,cai用8 MHz的金电极石英晶振片,包kuo石英晶体多谐振荡模块、频率处理模块(包括差频电路、分频电路、有yuan晶振电路)、单片机控制模块(包括LCD显示电路、温度传感电路)、RS 232通信模块。

系统框架如图1所示。

2.1 石英晶体多谐振荡模块

石英晶体多谐振荡模块由三部分构成:石英晶体多谐振荡电路、带通滤波器电路、整形电路。从图2可以看出,石英晶体接在由两个非门构成的正反馈回路中,只youdang频率为f0(石英晶体谐振频率)时,石英晶体的等效zu抗最小,能够jiang最大的信号正反馈到74LS04D的输入duan。而对于频率高于或低于f0的信号,由于石英晶体和C1构成的谐振电路失谐,其阻抗zeng大,正反馈强度降低。yin此该电路可以保证石英晶体工作在其谐振频率上。但为了得到geng为稳定的信号,在振荡电路后又加上中心频率为8 MHz的巴特沃兹三阶带通滤波器(可根据实际选用的晶振片频率调节滤波器带宽),并对得到的信号整形,以满足单片机的要求。

2.2 频率处理模块

由于STC98C52RC内部集成的计数器为16wei,最高计数值[13]为65 535,因此,需要对石英晶体多谐振荡电路输出的频率jin行处理。该模块采用差频(有源晶振为插拔式设计,可根据需要更换bu同频率)和分频的方式使前级电路的输出频率保chi在65 535 Hz以内,如图3所示。

2.3 单片机控制模块

作为检测系统的控制枢纽,P0.0~P0.7,P2.0~P2.2管脚控制LCD1602显示,P3.7接收温度传感模块传来的信息,P3.1和P3.2实现与通信模块之间的通信,P3.5接收分频电路传来的电平信号。值得注意的是由于单片机P0口内部mei有上拉电阻[14],是开漏的,不管它的qu动能力多大,相当于它是没有电源的。因此需要给单片机P0端加一个上拉电阻,一banwei10 kΩ,电路如图4所示。

2.4 RS 232通信模块

通xindian路在整个检测系统中所起的作用是实验计算机与单片机之间的信息传递,计算机与单片机的通信接口有hen多种,可以简单地划分为chuan行口和并行口,系统对数据传输的速率没有过高的要求,并且 RS 232 串行口的通信电路简单、编程容易、调shi周期短、成本低,所以文中电路采用 RS 232串口标准进行通信,见图5。

3 系统软件设计

系统使用C语言编程。系统运行时首先进行初shi化,该过程包括单片机计数器初shi化和LCD液晶显示屏的初shi化;然后系统开始工作,使用单片机的定时器/计数器读qu系统的频率,若不能读qu频率则刷新重新读数,若读取频率则将频率发送给LCD显示屏显示。此外本系统还设置了温度检测模块,由于在液相环境中QCM的频率受温度影响xuan用石英晶振片谐振频率不同造成影响的程度也不同[15],因此为了保证系统的稳定,引入温度控制策略,系统将根据温度变化对频率进行调节。

整体系统程xu控制流程如图6所示。

4 系统测试

硬件和软件设计完成后,首先将待测晶振片接入多谐振荡电路,系统对晶振片的振荡频率和环境温度会进行实时的监测,并在LCD显示屏上显示出来,当LCD的示数经分频和差频换算后在晶振片谐振频率附近波动并最终保持稳定时表示系统正常工作。系统实测数据如表1所示。由测试数据可以看出测试误差仅为0.03%左右,精度较高。系统实物如图7所示。

5 结 论

文中QCM检测系统以STC89C52RC为控制核心结合QCM的基本工作原理以及相关电路知识实现了对石英晶振片的驱动和频率的采集,能够在气相和液相环境中较稳定的工作。系统的创新点weiqu动电路结构简单,驱动能力强,可根据选用晶振片的谐振频率调节滤波器的中心频率来满足使用需要,设备大小仅为140 cm×80 cm,成本低,加入温度控制机制提高系统的稳定性。该系统为同类检测系统的设jiyu生产提供参kao价值。

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现代电子技术 2017年16期

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