一種用單片機控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

一種用單片機控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：介紹利用單片機和A/D器件MAX120等構(gòu)成的光譜信號采集系統(tǒng),由單片機控制A/D產(chǎn)生不同的采樣頻率,用于光電倍增管和CCD輸出的光譜信號的采集。

　　關(guān)鍵詞：單片機 A/D 信號采集 光譜

　　概述

　　在光譜測量中,常用光電倍增管（PMT）和電荷耦合器件（CCD）作為光電轉(zhuǎn)換器。在慢變化、高精度光譜測量中使用PMT;對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時間變化時的光譜信號則采用CCD。PMT和CCD輸出的信號形式是不同的：光電倍增管輸出的是連續(xù)的模擬信號;CCD輸出的是視頻脈沖信號。由于輸出信號的不同,相應(yīng)的信號采集電路也不盡相同。本文所述的系統(tǒng)通過設(shè)定控制開關(guān)的不同狀態(tài),由單片機檢測、判斷和執(zhí)行相應(yīng)的操作,完成對不同形式輸入信號的采集。采集到的光譜強度通過并口送入計算機進(jìn)行處理、計算,并顯示和打印出光譜曲線。

由于CCD像元幾何尺寸小、精度高,有光積分時間和信號存儲功能,因此,可以用來進(jìn)行光譜測量。被測光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫落在光柵平面上,經(jīng)光柵色散后在CCD像元上成像,CCD各像元的位置對應(yīng)于光線色散后不同的波長。CCD輸出的是被測對象的視頻信號,在視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收光強的強弱,而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序。由采樣電路對CCD輸出信號進(jìn)行逐位采樣,根據(jù)采樣的位數(shù),就可以知道信號所在的波長,而信號的幅度則是該波長的光譜能量。這樣,只要對目標(biāo)進(jìn)行一次采樣,就可以得到在一定波長范圍內(nèi)的光譜分布曲線,因而可以用來測量閃光燈等瞬態(tài)發(fā)光光譜。

　　光電倍增管以其特有的倍增系統(tǒng),成為一種理想的低噪聲放大器。它可以探測極微弱的光信號,而且響應(yīng)速度很快,有效面積也大,被廣泛應(yīng)用于光信號測量的領(lǐng)域。光電倍增管輸出的是一個理想的電流源,外接一個負(fù)載電阻,通過測量信號電流在負(fù)載上的電壓降,即可得到光譜信號。

　一、系統(tǒng)設(shè)計

　　利用單片機控制A/D采集光譜信號是一種方便快捷的方法。光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由單片機、CCD時序產(chǎn)生電路、

　　多路選擇開關(guān)、A/D采樣電路、存儲器、并行口倍增管高壓調(diào)整電路等組成。我們設(shè)計的信號采集電路可以用于兩種探測器。針對不同的探測器,單片機工作在不同的狀態(tài),利用同一A/D采樣電路,完成信號的采集。A/D采樣通過并口和計算機通訊,由計算機完成光譜數(shù)據(jù)的處理。這在應(yīng)用中非常方便實用,可以滿足光譜測量要求。

　　AT89C52是美國ATMEL公司的產(chǎn)品。89系列的單片機與80C51系列完全兼容。它的最大特點就是在片內(nèi)含有Flash存儲器。我們選用的AT89C52是在標(biāo)準(zhǔn)型AT89C51基礎(chǔ)上改進(jìn)的（在存儲器容量、定時器和中斷能力上加以改進(jìn)）。AT89C52的內(nèi)部含有8KB可改寫的Flash內(nèi)部程序存儲器,可擦/寫1000次,3級程序存儲器加密,256字節(jié)內(nèi)部RAM,32根可編程I/O線,3個16位定時/計數(shù)器,可編程串行口,中斷級8級。