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一種用單片機控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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。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，外接一個負載電阻，通過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(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)上改進的（在存儲器容量、定時器和中斷能力上加以改進）。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。
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)換時間為1.6μs，其中包含了T/H電路250ns的采樣時間，因此，MAX120的吞吐率高達5×10 5次/s采樣，可以滿足一般測量需要。
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頻率范圍的時鐘信號。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。訪問數(shù)據(jù)和在線釋放的時序特性參數(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)部緩沖器對電容進行充電以減少2次轉(zhuǎn)換之間所需的采集時間。模擬輸入端可以看作1個6kΩ
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