基于單片機的QCM檢測系統的設計與實現

魏耀華　馬文英　唐雨竹

摘 要： 設計一種以 STC89C52RC為控制核心的高精度可調便攜式QCM檢測系統。系統包括石英晶體多諧振蕩、頻率處理、單片機控制、RS 232通信等模塊，使用石英晶體多諧振蕩模塊完成晶振片的驅動、頻率選擇、整形，輸出信號經頻率處理模塊處理后交給單片機控制模塊計數并顯示，RS 232通信模塊實現單片機與計算機之間數據傳輸。與現有的檢測裝置相比硬件方面濾波器設置為巴特沃茲三階可調帶通濾波器，通過調節其中心頻率可滿足多種頻率晶振片需要，在軟件設計中加入溫度控制機制進一步提高了系統的穩定性，測量誤差僅為0.03%，且成本低、攜帶方便，達到了設計要求。

關鍵詞： 便攜式QCM； 石英晶體多諧振蕩； 可調帶通濾波； 溫度控制機制

中圖分類號： TN305.1?34； TN707 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）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

當今社會傳感技術日益普及，作為一種可以檢測到納克級質量改變，具備極高靈敏度的傳感技術[1?3]，石英晶體微天平（QCM）也越來越為人們所熟知。早期的石英晶體微天平用于監測膜厚的沉積速度和氣相中微量成分的測定，取得了相當大的成功，特別是從20世紀80年代以來，石英晶體微天平在單面接觸液體的條件下獲得了穩定的振蕩，從此石英晶體微天平被廣泛應用于生物化學、電化學領域的研究[4?6]，從而開辟了石英晶體微天平應用的全新領域。但是與之配套使用的檢測系統較少且多為國外生產，價格昂貴、體積較大，極大地限制了該傳感技術的普及與應用。

隨著科學技術的日益進步，單片機的功能愈加強大且價格低廉，被廣泛地應用于生活的各個方面[7?8]。文中針對QCM檢測設備價格昂貴、體積較大且國內較少的問題[9]，提出了基于單片機AT89C52RC的QCM檢測系統。介紹了QCM的工作原理，檢測系統由硬件和軟件兩部分構成，系統硬件分別是石英晶體多諧振蕩模塊、頻率處理模塊、單片機控制模塊、RS 232通信模塊。在軟件中加入溫度控制機制，該系統成本低且性能較為穩定，可以滿足日常需要。

1 QCM工作原理

石英晶體微天平的工作原理是利用了石英晶體的壓電效應， 如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，并保持穩定，這種現象稱為壓電諧振，此時的頻率稱為晶片的諧振頻率[10?11]。1959年德國科學家Sauerbrey首次提出頻率的改變量與晶振片表面的附著物存在一定的關系，該種關系可用Sauerbrey方程表示：

式中：f0為晶振片的諧振頻率；[μq]和[ρq]為石英晶振片的剪切模量和密度，分別為2.947×1011 g·cm-1·s-2和2.648 g·cm-3，[Δm]為石英晶體的質量（g）；A為石英晶振片的有效面積（鍍電極部分的面積），若為對稱電極，則為電極部分面積，若為非對稱電極，則為兩個電極之間的相對部分面積[12]。endprint

2 系統整體框架設計

系統以STC89C52RC為控制核心，采用8 MHz的金電極石英晶振片，包括石英晶體多諧振蕩模塊、頻率處理模塊（包括差頻電路、分頻電路、有源晶振電路）、單片機控制模塊（包括LCD顯示電路、溫度傳感電路）、RS 232通信模塊。

系統框架如圖1所示。

2.1 石英晶體多諧振蕩模塊

石英晶體多諧振蕩模塊由三部分構成：石英晶體多諧振蕩電路、帶通濾波器電路、整形電路。從圖2可以看出，石英晶體接在由兩個非門構成的正反饋回路中，只有當頻率為f0（石英晶體諧振頻率）時，石英晶體的等效阻抗最小，能夠將最大的信號正反饋到74LS04D的輸入端。而對于頻率高于或低于f0的信號，由于石英晶體和C1構成的諧振電路失諧，其阻抗增大，正反饋強度降低。因此該電路可以保證石英晶體工作在其諧振頻率上。但為了得到更為穩定的信號，在振蕩電路后又加上中心頻率為8 MHz的巴特沃茲三階帶通濾波器（可根據實際選用的晶振片頻率調節濾波器帶寬），并對得到的信號整形，以滿足單片機的要求。

2.2 頻率處理模塊

由于STC98C52RC內部集成的計數器為16位，最高計數值[13]為65 535，因此，需要對石英晶體多諧振蕩電路輸出的頻率進行處理。該模塊采用差頻（有源晶振為插拔式設計，可根據需要更換不同頻率）和分頻的方式使前級電路的輸出頻率保持在65 535 Hz以內，如圖3所示。

2.3 單片機控制模塊

作為檢測系統的控制樞紐，P0.0～P0.7，P2.0～P2.2管腳控制LCD1602顯示，P3.7接收溫度傳感模塊傳來的信息，P3.1和P3.2實現與通信模塊之間的通信，P3.5接收分頻電路傳來的電平信號。值得注意的是由于單片機P0口內部沒有上拉電阻[14]，是開漏的，不管它的驅動能力多大，相當于它是沒有電源的。因此需要給單片機P0端加一個上拉電阻，一般為10 kΩ，電路如圖4所示。

2.4 RS 232通信模塊

通信電路在整個檢測系統中所起的作用是實驗計算機與單片機之間的信息傳遞，計算機與單片機的通信接口有很多種，可以簡單地劃分為串行口和并行口，系統對數據傳輸的速率沒有過高的要求，并且 RS 232 串行口的通信電路簡單、編程容易、調試周期短、成本低，所以文中電路采用 RS 232串口標準進行通信，見圖5。

3 系統軟件設計

系統使用C語言編程。系統運行時首先進行初始化，該過程包括單片機計數器初始化和LCD液晶顯示屏的初始化；然后系統開始工作，使用單片機的定時器/計數器讀取系統的頻率，若不能讀取頻率則刷新重新讀數，若讀取頻率則將頻率發送給LCD顯示屏顯示。此外本系統還設置了溫度檢測模塊，由于在液相環境中QCM的頻率受溫度影響，選用石英晶振片諧振頻率不同造成影響的程度也不同[15]，因此為了保證系統的穩定，引入溫度控制策略，系統將根據溫度變化對頻率進行調節。

整體系統程序控制流程如圖6所示。

4 系統測試

硬件和軟件設計完成后，首先將待測晶振片接入多諧振蕩電路，系統對晶振片的振蕩頻率和環境溫度會進行實時的監測，并在LCD顯示屏上顯示出來，當LCD的示數經分頻和差頻換算后在晶振片諧振頻率附近波動并最終保持穩定時表示系統正常工作。系統實測數據如表1所示。由測試數據可以看出測試誤差僅為0.03%左右，精度較高。系統實物如圖7所示。

5 結 論

文中QCM檢測系統以STC89C52RC為控制核心結合QCM的基本工作原理以及相關電路知識實現了對石英晶振片的驅動和頻率的采集，能夠在氣相和液相環境中較穩定的工作。系統的創新點為驅動電路結構簡單，驅動能力強，可根據選用晶振片的諧振頻率調節濾波器的中心頻率來滿足使用需要，設備大小僅為140 cm×80 cm，成本低，加入溫度控制機制提高系統的穩定性。該系統為同類檢測系統的設計與生產提供參考價值。

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