基于單片機控制的光譜數據采集系統的設計

一種用單片機控制的光譜數據采集系統的設計

摘要：介紹利用單片機和A/D器件MAX120等構成的光譜信號采集系統,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(shí)間變化時(shí)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,相應的信號采集電路也不盡相同。本文所述的系統通過(guò)設定控制開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài),由單片機檢測、判斷和執行相應的操作,完成對不同形式輸入信號的采集。采集到的光譜強度通過(guò)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(xiàn)。

由于CCD像元幾何尺寸小、精度高,有光積分時(shí)間和信號存儲功能,因此,可以用來(lái)進(jìn)行光譜測量。被測光源發(fā)出的光線(xiàn)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各像元的位置對應于光線(xiàn)色散后不同的波長(cháng)。CCD輸出的是被測對象的視頻信號,在視頻信號中每一個(gè)離散電壓信號的大小對應著(zhù)該光敏元所接收光強的強弱,而信號輸出的時(shí)序則對應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,根據采樣的位數,就可以知道信號所在的波長(cháng),而信號的幅度則是該波長(cháng)的光譜能量。這樣,只要對目標進(jìn)行一次采樣,就可以得到在一定波長(cháng)范圍內的光譜分布曲線(xiàn),因而可以用來(lái)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,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,而且響應速度很快,有效面積也大,被廣泛應用于光信號測量的領(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)負載電阻,通過(guò)測量信號電流在負載上的電壓降,即可得到光譜信號。

　一、系統設計

　　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。光譜數據采集系統的原理框圖如圖1所示。它主要由單片機、CCD時(shí)序產(chǎn)生電路、

　　多路選擇開(kāi)關(guān)、A/D采樣電路、存儲器、并行口倍增管高壓調整電路等組成。我們設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(guò)并口和計算機通訊,由計算機完成光譜數據的處理。這在應用中非常方便實(shí)用,可以滿(mǎn)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(diǎn)就是在片內含有Flash存儲器。我們選用的AT89C52是在標準型AT89C51基礎上改進(jìn)的（在存儲器容量、定時(shí)器和中斷能力上加以改進(jìn)）。AT89C52的內部含有8KB可改寫(xiě)的Flash內部程序存儲器,可擦/寫(xiě)1000次,3級程序存儲器加密,256字節內部RAM,32根可編程I/O線(xiàn),3個(gè)16位定時(shí)/計數器,可編程串行口,中斷級8級。