魏耀華　馬文英　唐雨竹

摘 要： 設(shè)計一種以 STC89C52RC為控制核心的高精度可調(diào)便攜式QCM檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)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(qū)動、頻率選擇、整形，輸出信號經(jīng)頻率處理模塊處理后交給單片機控制模塊計數(shù)并顯示，RS 232通信模塊實現(xiàn)單片機與計算機之間數(shù)據(jù)傳輸。與現(xiàn)有的檢測裝置相比硬件方面濾波器設(shè)置為巴特沃茲三階可調(diào)帶通濾波器，通過調(diào)節(jié)其中心頻率可滿足多種頻率晶振片需要，在軟件設(shè)計中加入溫度控制機制進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，測量誤差僅為0.03%，且成本低、攜帶方便，達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 便攜式QCM； 石英晶體多諧振蕩； 可調(diào)帶通濾波； 溫度控制機制

中圖分類號： TN305.1?34； TN707 文獻標(biāo)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(dāng)今社會傳感技術(shù)日益普及，作為一種可以檢測到納克級質(zhì)量改變，具備極高靈敏度的傳感技術(shù)[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(jiān)測膜厚的沉積速度和氣相中微量成分的測定，取得了相當(dāng)大的成功，特別是從20世紀(jì)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(wěn)定的振蕩，從此石英晶體微天平被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、電化學(xué)領(lǐng)域的研究[4?6]，從而開辟了石英晶體微天平應(yīng)用的全新領(lǐng)域。但是與之配套使用的檢測系統(tǒng)較少且多為國外生產(chǎn)，價格昂貴、體積較大，極大地限制了該傳感技術(shù)的普及與應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)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(yīng)用于生活的各個方面[7?8]。文中針對QCM檢測設(shè)備價格昂貴、體積較大且國內(nèi)較少的問題[9]，提出了基于單片機AT89C52RC的QCM檢測系統(tǒng)。介紹了QCM的工作原理，檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)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(tǒng)成本低且性能較為穩(wěn)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(yīng)， 如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)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(dāng)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(wěn)定，這種現(xiàn)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(xué)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(guān)系，該種關(guān)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(zhì)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(tǒng)整體框架設(shè)計

系統(tǒng)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(tǒng)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(gòu)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(gòu)成的正反饋回路中，只有當(dāng)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?qū)⒆畲蟮男盘栒答伒?4LS04D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(gòu)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(wěn)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(jù)實際選用的晶振片頻率調(diào)節(jié)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(nèi)部集成的計數(shù)器為16位，最高計數(shù)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(shè)計，可根據(jù)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(nèi)，如圖3所示。

2.3 單片機控制模塊

作為檢測系統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)部沒有上拉電阻[14]，是開漏的，不管它的驅(qū)動能力多大，相當(dāng)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(tǒng)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(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕸]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(diào)試周期短、成本低，所以文中電路采用 RS 232串口標(biāo)準(zhǔn)進行通信，見圖5。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用C語言編程。系統(tǒng)運行時首先進行初始化，該過程包括單片機計數(shù)器初始化和LCD液晶顯示屏的初始化；然后系統(tǒng)開始工作，使用單片機的定時器/計數(shù)器讀取系統(tǒng)的頻率，若不能讀取頻率則刷新重新讀數(shù)，若讀取頻率則將頻率發(fā)送給LCD顯示屏顯示。此外本系統(tǒng)還設(shè)置了溫度檢測模塊，由于在液相環(huán)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(tǒng)的穩(wěn)定，引入溫度控制策略，系統(tǒng)將根據(jù)溫度變化對頻率進行調(diào)節(jié)。

整體系統(tǒng)程序控制流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試

硬件和軟件設(shè)計完成后，首先將待測晶振片接入多諧振蕩電路，系統(tǒng)對晶振片的振蕩頻率和環(huán)境溫度會進行實時的監(jiān)測，并在LCD顯示屏上顯示出來，當(dāng)LCD的示數(shù)經(jīng)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(wěn)定時表示系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)如表1所示。由測試數(shù)據(jù)可以看出測試誤差僅為0.03%左右，精度較高。系統(tǒng)實物如圖7所示。

5 結(jié) 論

文中QCM檢測系統(tǒng)以STC89C52RC為控制核心結(jié)合QCM的基本工作原理以及相關(guān)電路知識實現(xiàn)了對石英晶振片的驅(qū)動和頻率的采集，能夠在氣相和液相環(huán)境中較穩(wěn)定的工作。系統(tǒng)的創(chuàng)新點為驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動能力強，可根據(jù)選用晶振片的諧振頻率調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率來滿足使用需要，設(shè)備大小僅為140 cm×80 cm，成本低，加入溫度控制機制提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)為同類檢測系統(tǒng)的設(shè)計與生產(chǎn)提供參考價值。

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