基于AT89S52控制的光谱数据采集系统的设计

概述

在光谱测量中,常用光电倍增管（PMT）和电荷耦合器件（CCD）作为光电转换器。在慢变化、高精度光谱测量中使用PMT;对于闪光灯、荧光和磷光等强度随时间变化时的光谱信号则采用CCD。PMT和CCD输出的信号形式是不同的：光电倍增管输出的是连续的模拟信号;CCD输出的是视频脉冲信号。由于输出信号的不同,相应的信号采集电路也不尽相同。本文所述的系统通过设定控制开关的不同状态,由单片机检测、判断和执行相应的操作,完成对不同形式输入信号的采集。采集到的光谱强度通过并口送入计算机进行处理、计算,并显示和打印出光谱曲线。

由于CCD像元几何尺寸小、精度高,有光积分时间和信号存储功能,因此,可以用来进行光谱测量。被测光源发出的光线经狭缝落在光栅平面上,经光栅色散后在CCD像元上成像,CCD各像元的位置对应于光线色散后不同的波长。CCD输出的是被测对象的视频信号,在视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱,而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。由采样电路对CCD输出信号进行逐位采样,根据采样的位数,就可以知道信号所在的波长,而信号的幅度则是该波长的光谱能量。这样,只要对目标进行一次采样,就可以得到在一定波长范围内的光谱分布曲线,因而可以用来测量闪光灯等瞬态发光光谱。

光电倍增管以其特有的倍增系统,成为一种理想的低噪声放大器。它可以探测极微弱的光信号,而且响应速度很快,有效面积也大,被广泛应用于光信号测量的领域。光电倍增管输出的是一个理想的电流源,外接一个负载电阻,通过测量信号电流在负载上的电压降,即可得到光谱信号。

一、系统设计

利用单片机控制A/D采集光谱信号是一种方便快捷的方法。光谱数据采集系统的原理框图如图1所示。它主要由单片机、CCD时序产生电路、多路选择开关、A/D采样电路、存储器、并行口倍增管高压调整电路等组成。我们设计的信号采集电路可以用于两种探测器。针对不同的探测器,单片机工作在不同的状态,利用同一A/D采样电路,完成信号的采集。A/D采样通过并口和计算机通讯,由计算机完成光谱数据的处理。这在应用中非常方便实用,可以满足光谱测量要求。

AT89C52是美国ATMEL公司的产品。89系列的单片机与80C51系列完全兼容。它的最大特点就是在片内含有Flash存储器。我们选用的AT89C52是在标准型AT89C51基础上改进的（在存储器容量、定时器和中断能力上加以改进）。AT89C52的内部含有8KB可改写的Flash内部程序存储器,可擦/写1000次,3级程序存储器加密,256字节内部RAM,32根可编程I/O线,3个16位定时/计数器,可编程串行口,中断级8级。

1.A/D转换

在光谱数据采集系统中,A/D转换器选用MAX120。其引脚和电路原理如图2所示。MAX120是一种采用BiCMOS工艺、带采样电路的12位模拟数字转换器（ADC）;它有片内的跟踪、保持电路（T/H）和低漂移电压基准电路,而且转换速度快、功耗低。它的转换时间为1.6μs,其中包含了T/H电路250ns的采样时间,因此,MAX120的吞吐率高达510 5次/s采样,可以满足一般测量需要。