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一種用單片機(jī)控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
摘要：介紹利用單片機(jī)和A/D器件MAX120等構(gòu)成的光譜信號(hào)采集系統(tǒng)，由單片機(jī)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(hào)的采集。概述
在光譜測(cè)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(cè)量中使用PMT；對(duì)于閃光燈、熒光和磷光等強(qiáng)度隨時(shí)間變化時(shí)的光譜信號(hào)則采用CCD。PMT和CCD輸出的信號(hào)形式是不同的：光電倍增管輸出的是連續(xù)的模擬信號(hào)；CCD輸出的是視頻脈沖信號(hào)。由于輸出信號(hào)的不同，相應(yīng)的信號(hào)采集電路也不盡相同。本文所述的系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定控制開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài)，由單片機(jī)檢測(cè)、判斷和執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成對(duì)不同形式輸入信號(hào)的采集。采集到的光譜強(qiáng)度通過(guò)并口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)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(shí)間和信號(hào)存儲(chǔ)功能，因此，可以用來(lái)進(jìn)行光譜測(cè)量。被測(cè)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(duì)應(yīng)于光線色散后不同的波長(zhǎng)。CCD輸出的是被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)，在視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序。由采樣電路對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行逐位采樣，根據(jù)采樣的位數(shù)，就可以知道信號(hào)所在的波長(zhǎng)，而信號(hào)的幅度則是該波長(zhǎng)的光譜能量。這樣，只要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一次采樣，就可以得到在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜分布曲線，因而可以用來(lái)測(cè)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(cè)極微弱的光信號(hào)，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(hào)測(cè)量的領(lǐng)域。光電倍增管輸出的是一個(gè)理想的電流源，外接一個(gè)負(fù)載電阻，通過(guò)測(cè)量信號(hào)電流在負(fù)載上的電壓降，即可得到光譜信號(hào)。
一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
利用單片機(jī)控制A/D采集光譜信號(hào)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(jī)、CCD時(shí)序產(chǎn)生電路、
多路選擇開(kāi)關(guān)、A/D采樣電路、存儲(chǔ)器、并行口倍增管高壓調(diào)整電路等組成。我們?cè)O(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路可以用于兩種探測(cè)器。針對(duì)不同的探測(cè)器，單片機(jī)工作在不同的狀態(tài)，利用同一A/D采樣電路，完成信號(hào)的采集。A/D采樣通過(guò)并口和計(jì)算機(jī)通訊，由計(jì)算機(jī)完成光譜數(shù)據(jù)的處理。這在應(yīng)用中非常方便實(shí)用，可以滿(mǎn)足光譜測(cè)量要求。
AT89C52是美國(guó)ATMEL公司的產(chǎn)品。89系列的單片機(jī)與80C51系列完全兼容。它的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器容量、定時(shí)器和中斷能力上加以改進(jìn)）。AT89C52的內(nèi)部含有8KB可改寫(xiě)的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，可擦/寫(xiě)1000次，3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32根可編程I/O線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可編程串行口，中斷級(jí)8級(jí)。
1.A/D轉(zhuǎn)換
在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX120。其引腳和電路原理如圖2所示。MAX120是一種采用BiCMOS工藝、帶采樣電路的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）；它有片內(nèi)的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準(zhǔn)電路，而且轉(zhuǎn)換速度快、功耗低。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.6μs，其中包含了T/H電路250ns的采樣時(shí)間，因此，MAX120的吞吐率高達(dá)5×10 5次/s采樣，可以滿(mǎn)足一般測(cè)量需要。
MAX120可以接收-5～ 5V的模擬輸入電壓，惟一需要的外部元件是去耦電容（用于為電源電壓和基準(zhǔn)電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時(shí)鐘信號(hào)。MAX120采用了標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出可直接與12位數(shù)據(jù)總線連接。訪問(wèn)數(shù)據(jù)和在線釋放的時(shí)序特性參數(shù)允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數(shù)微處理器兼容。所有的邏輯輸入端和輸出端與TTL/COMS電平兼容。
圖2（b）所示電路圖中，內(nèi)部緩沖器對(duì)電容進(jìn)行充電以減少2次轉(zhuǎn)換之間所需的采集時(shí)間。模擬輸入端可以看作1個(gè)6kΩ
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