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一種用單片機控制的光譜數據采集系統
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。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。
1.A/D轉換
在光譜數據采集系統中，A/D轉換器選用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位模擬數字轉換器（ADC）；它有片內的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準電路，而且轉換速度快、功耗低。它的轉換時(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5×10 5次/s采樣，可以滿(mǎn)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電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時(shí)鐘信號。MAX120采用了標準的微處理器接口，3態(tài)數據輸出可直接與12位數據總線(xiàn)連接。訪(fǎng)問(wèn)數據和在線(xiàn)釋放的時(shí)序特性參數允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數微處理器兼容。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，內部緩沖器對電容進(jìn)行充電以減少2次轉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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