基于ARMCORTEXM4系列微控制器的阵列型石英晶体微天平(QCM)测量技术的研究与实现

摘要

在科学与技术的发展过程中，测试与测量技术也在不断的发展进而趋于完善，尤其是自工业革命以来，随着科学技术的突飞猛进，人类发展的方向比较之前的人类历史更加依赖于准确的测量和精密的仪器。在众多的被测量对象中，重量是发展时间最长，历史最悠久的测量技术之一。重量测量的发展在这一过程中分化为两个方向：其一是向大量程的方向发展测量方法和工具；其二是向高分辨率的方向发展精密测量方法及仪器。第一个方向的发展还以成语故事“曹冲称象”为代表，将被测物体以从大化小，从整化零的方法扩大测量的范围。第二个发展方向是以各种新型传感器的发明和应用普及为主要推动力，在电子行业兴起之后才得以长足的发展。
　　众所周知，石英晶体振荡器是一种具有其固有频率——谐振频率的无源电子元器件，它的主要工作原理就是“压电效应”的应用。当外力施加到晶体表面的时候，就会使得石英晶体振荡器的谐振频率产生相应的变化，而值得庆幸的是这一频率变化是线性可测的，故科学家根据这一原理发明出了一种新的测量重量变化的新型传感器——石英晶体微天平(QCM),它是一种具有高灵敏度、选择性及稳定性的感测元件，如果能将其微型阵列化，便能够大大提高其测量的稳定性，扩展其测量范围，这对QCM的各方面应用提供了更多的可能。
　　本论文针对石英晶体微天平所输出的频率信号设计了一款测量微重量的新型测量仪器，利用ARM CORTEX M4系列微控制器芯片对采集到的频率信号进行处理，将质量测量的最高分辨率提升到1毫克甚至几百微克。同时提出了一种针对QCM阵列分析的假设，即在不牺牲分辨率的前提下提高测量的最大量程，并对这一方法进行了验证。同时，在试验过程中发现了输出信号的幅度与石英晶体所负载的重量也有一定的关系，对此发现进行验证并加以使用。
　　这一结论可以广泛的应用于化学实验室，物理实验室，生物及医学实验室，并对这几个学科的发展起着明显的推动作用。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2石英晶体微天平（QCM）国内外的发展现状与趋势

1.3选题目的

1.4工作安排

第二章 石英晶体微天平（QCM）的工作原理

2.1石英晶体工作原理

2.2 AT切割晶体的各种特性

2.3 石英晶体具有标称频率的原理

第三章 方案论证及方案设计

3.1论证CORTEX-M4系列微控制器的优缺点

3.2 频率捕获的方法实现

3.3 单一QCM测量系统和阵列化QCM测量系统

第四章 驱动电路的硬件设计及实现

4.1 石英晶体起振电路的设计

4.2 下变频电路

4.3 基于Cortex-M4微处理器的频率测量模块电路原理

4.4 TFT液晶显示模块的电路原理

4.5信号的峰值的测量电路

第五章 测量及显示软件设计

5.1设计原理

5.2捕获流程

5.3 显示部分的软件实现

5.4 信号的峰值测量的软件实现

第六章 测量频率结果及误差分析

6.1 频率测量系统的静态特性

6.2 测试系统的测量不确定度

6.3 利用模糊区对频率测量结果的改善

第七章 总结与展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景

3.攻读硕士学位期间的研究成果