基于Small RTOS51的光電效應實(shí)驗系統

引言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電效應己廣泛應用于工農業(yè)生產(chǎn)、國防和許多科技領(lǐng)域。普朗克常數是自然界中一個(gè)很重要的普適常數，它可以用光電效應法簡(jiǎn)單而又較準確地求出。所以，進(jìn)行光電效應實(shí)驗并通過(guò)實(shí)驗求取普朗克常數有助于人們理解量子理論和更好地認識這個(gè)普適常數。然而傳統手動(dòng)測量和數據處理方法采集的數據量非常有限，不但引入很大人為誤差，而且限制了各種數字信號處理方法的使用，從而引入系統誤差。同時(shí)，如果將主要精力放在如何準確調整輸出電壓以及輸出電流等重復性勞動(dòng)上，則會(huì )忽視對實(shí)驗本身的物理規律的研究。
用單片機控制系統自動(dòng)采集和處理數據可以解決以上問(wèn)題。但此時(shí)對于控制系統軟件設計的可靠性、實(shí)時(shí)響應等各個(gè)方面的性能都要有嚴格的要求。使用嵌入式操作系統，可以將具體應用分解成多個(gè)任務(wù)，簡(jiǎn)化應用系統軟件的設計，使控制系統的實(shí)時(shí)性得到保證，使其達到理想狀態(tài)。另外，良好的多任務(wù)設計，還有助于提高系統的穩定性和可靠性。本文將具體介紹基于嵌入式操作系統Small RTOS51的光電效應實(shí)驗系統設計。
1、 系統功能及硬件描述
該系統可以根據實(shí)驗操作者的選擇，對各單色光逐個(gè)自動(dòng)采集光電流隨反向電壓變化的實(shí)驗數據，計算普朗克常數,并在液晶顯示器上顯示出實(shí)驗曲線(xiàn)和實(shí)驗結果。由于裝置采樣速度很快，軟硬件均采取了抗干擾措施，大大減小了實(shí)驗數據的離散性。由于裝置根據一定的規則計算確定截止電壓，避免了人為因素造成的隨意性，改善了實(shí)驗效果。該系統的研制開(kāi)發(fā)主要目的是用于大學(xué)物理光電效應實(shí)驗中，除了具有一般光電效應實(shí)驗裝置功能外，還有其它的特點(diǎn)和功能，具體如下：
① 輸出到光電管的電壓可以在-3v~1v范圍內調節，每隔0.001v連續輸出，同時(shí)在液晶顯示器上顯示出I-U曲線(xiàn)；
② 根據I-U曲線(xiàn)，用曲率法判斷出相應截止電壓；
③ 如果已經(jīng)測出≥2種單色光截止電壓，則可根據選擇求普朗克常量，并顯示出主要計算步驟和結果；
④ 單色儀智能化，只要輸入波長(cháng)，即可得到相應單色光；
⑤ I-U曲線(xiàn)可保存到XRAM或傳到PC機中；
⑥ 增加測量輸入單色光波長(cháng)功能。
該實(shí)驗儀硬件框圖如圖1所示。

該裝置采用新華龍公司型號為C8051F005的快速單片機。該單片機集成了兩個(gè)12位逐次逼近型（SAR）ADC，可編程轉換速率，最大可達100kps；兩個(gè)具有16個(gè)可編程回差電壓值模擬比較器；片內調試電路提供全速、非侵入式的JTAG在系統調試、高速8051微控制器內核，70%指令的執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期可達25MIPS；256字節RAM，2K字節XRAM，32K字節flash程序存儲器；4個(gè)字節寬I/O口，4個(gè)通用定時(shí)器。該單片機以上資源在本系統中得到了充分利用。換而言之，選擇該單片機在滿(mǎn)足系統要求的前提下，大大節約了成本。
2、 操作系統在C8051F005上的移植

Small RTOS51是一款專(zhuān)門(mén)為51系列單片機設計的實(shí)時(shí)操作系統(實(shí)際上應該稱(chēng)其為實(shí)時(shí)內核)，大部分代碼用C語(yǔ)言編寫(xiě)，易于移植，十分適合于資源緊張的51系列8位機。由于C8051F005單片機集成了很多資源，如2K外部數據存儲器，4個(gè)定時(shí)器等?？梢詫Σ僮飨到y做必要的、合理的配置以達到性能最優(yōu)和資源的充分利用。