单片机在光谱仪控制及检测系统中的应用

　　引　言

　　本文介绍使用单片机实现控制光谱仪的运作和对光谱仪出射信号光的检测。光谱仪是通过步进电机带动光栅转动,从而达到对信号光全波段的测量。只要实现对步进电机的控制即实现对光谱仪的控制。光谱仪的出射光通过光子计数器系统,成为具有与光强成一定比例的频率脉冲信号。只要完成对脉冲信号频率的测量即实现对光谱仪出射光的检测。单片机收集到出射光的频率参数,传送给计算机进行处理。计算机在此系统中提供良好的人机界面和进行数据处理、图形显示。

　　1　硬件组成

　　为实现上述功能,系统组成有:AT89C51、MAX202、光子计数器、光谱仪和计算机。

　　单片机为ATMEL公司生产的AT89C51,此芯片具有和51系列单片机完全兼容的特性,其内部带4K字节Flash可编程可擦写只读存储器(PEROM)和128×8字节内部RAM[1],本身即是一个完整的单片机最小系统,便不需要外接程序和数据存储器,大大减少系统功耗和时间。MAX202是用来和计算机通信的电平转换芯片。计算机串行口输出电平是-15～+15V,而AT89C51使用的是0～+5V的电平。通过使用MAX202,可实现电平的转换。光子计数技术是测量弱光功率的或光子速率的一种新技术[2,3]。光子计数器是由光电倍增管、宽带放大器、幅度比较器以及定时器和计数器组成。从光谱仪出射的微弱光信号经光电倍增管的阴极吸收后激发出光电子,经过倍增系统的放大,在输出端输出一脉冲半宽度为几到几十毫微秒的电流或电压信号,这个信号再经放大器和幅度比较器后被计数器计数,通过定时计数,便可得到光子速率,进而算出光功率。这里,光子计数器中的计数器和定时器由AT89C51的内部定时器/计数器T0完成。整个系统的工作过程方框图如图1所示。

　　2　单片机内软件编制

　　根据设计思想,为使单片机更好地与计算机通信及有效地进行控制和检测,单片机内的定时器/计数器T1用作串行口波特率发生器,定时器/计数器T0工作在方式3,此时,TH0作为定时器,TL0作为计数器。光子计数器中幅度比较器输出的脉冲信号送入单片机的外部引脚T0,可在被测信号每出现下跳沿时引起中断,计数器自动加1,以累加被测脉冲。因为中断计数的最高频率一般为振荡频率的1/24,本系统采用的是11.0592 MHz的串行通信用的标准晶振,就是说,计数的最高频率为460.8kHz。而幅度比较器输出的脉冲信号频率有时高达几十兆,所以此脉冲信号需要预先分频,再送入单片机的外部引脚T0。对光谱仪的控制是由单片机输出步进电机运行时所需的驱动脉冲来实现。因此,整个单片机程序分为七部分:主程序,定时中断服务程序,计数中断服务程序,读分频器内数值程序,串行通信程序,控制脉冲产生程序,时间延迟程序。下面将分别介绍各部分程序的编制方法。