基于單片機(jī)的弱熒光測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林旭東

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州，350003）

基于單片機(jī)的弱熒光測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林旭東

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州，350003）

本文通過(guò)簡(jiǎn)要分析直流程控增益放大器的原理,介紹了一種采用單片機(jī)AT89C51為主控制器的弱熒光測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，具有功耗低、精度較高、操作方便等特點(diǎn)。

弱熒光；單片機(jī)；程控增益

0 引言

當(dāng)紫外線照射到某種物質(zhì)的時(shí)候，這些物質(zhì)會(huì)發(fā)射出各種顏色和不同強(qiáng)度的可見(jiàn)光，而當(dāng)紫外線停止照射時(shí)，這種光線也隨之很快的消失，我們稱這種光線為熒光。由于熒光的特性，它被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)和檢驗(yàn)檢疫等各個(gè)領(lǐng)域中。與常規(guī)信號(hào)相比，弱熒光發(fā)光亮度信號(hào)極為微弱，為此信號(hào)的檢測(cè)、變換和放大等是電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本測(cè)量?jī)x以單片機(jī)AT89C51為控制核心，主要有光電轉(zhuǎn)換和前置放大、D/A程控增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換等模塊電路組成。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)激發(fā)光源照射熒光樣品，后者由于吸收光輻射后開(kāi)始發(fā)光，我們的測(cè)試工作也由此開(kāi)始。精密設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光輻射能量的收集，其中探測(cè)器采用光電倍增管，它噪聲低、響應(yīng)快、可探測(cè)微弱的光信號(hào)，與濾色片等配合可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流－電壓變換和進(jìn)一步的電壓放大，其中放大電路部分利用了直流程控增益放大器原理,同時(shí)微機(jī)還可根據(jù)AD轉(zhuǎn)換數(shù)值大小判斷是否進(jìn)行量程切換，以進(jìn)一步保證精度要求。此外，微機(jī)也實(shí)現(xiàn)所測(cè)試的衰減曲線在液晶模塊上的顯示以及PC上的數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換和前置放大電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用光電倍增管作為光電探測(cè)器，型號(hào)為R456，直流電信號(hào)從其陽(yáng)極輸出，但極為微弱，最小量程為nA級(jí)。為此，本系統(tǒng)放大電路采用集成運(yùn)放多級(jí)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)前置放大電路為電流一電壓轉(zhuǎn)換,因光電倍增管的輸出電流很微弱，一方面為了精度要求，我們應(yīng)重點(diǎn)考慮零點(diǎn)漂移問(wèn)題，這里可選擇儀用放大器，因其具有高共模抑制比、低輸入失調(diào)電壓、低失調(diào)電流誤差、可用單電阻實(shí)現(xiàn)增益大范圍調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)；另一方面因我們測(cè)試的亮度信號(hào)存在好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，為保證測(cè)量精度要求，可選用CMOs模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行量程的切換，分4個(gè)不同的等級(jí)；第二級(jí)放大電路是一個(gè)電壓放大器，其主要任務(wù)是與后面的D/A程控衰減器配合將電路的總輸出調(diào)整到適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍,這里我們可采用OP07集成運(yùn)放構(gòu)成。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換器我們采用的是DAC0832芯片，此時(shí)，這里的DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個(gè)可變?cè)鲆娴乃p器，因?yàn)镈AC0832內(nèi)部可看成是一個(gè)R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，這時(shí)從Vi端往里看，其等效電阻都為R，故運(yùn)放的輸出電壓為因此，考慮將R～2R電阻網(wǎng)絡(luò)引入到增益可控放大器中，REFV 端作為信號(hào)的輸入端，1OUTI 和2OUTI 仍分別接運(yùn)放的反相和同相輸入端，而運(yùn)放的輸出從fbR 端反饋，此時(shí)與前級(jí)放大器配合就可構(gòu)成一個(gè)程控增益放大器。該電路由DAC0832和LM741組成基本的電路，由上圖的接法可得出其增益：

圖2 DAC0832內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)原理圖

D=0相當(dāng)于放大器短路；D=1衰減為1/256；D=256衰減最大。因此可以通過(guò)給DAC0832送入不同的數(shù)字量D來(lái)改變放大器的增益，再與前級(jí)的放大器相配合，就構(gòu)成一個(gè)直流程控增益放大器如圖3，這樣可使輸出的模擬電壓信號(hào)適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓范圍。為此，我們就解決了以往所采用的單一增益放大，由于測(cè)控信號(hào)的范圍較寬，很難在各種情況下都使電壓信號(hào)匹配，造成較大測(cè)量誤差的問(wèn)題。此外，前級(jí)運(yùn)放放大器的放大倍數(shù)的適當(dāng)選取是在單片機(jī)的算法控制下實(shí)現(xiàn)的，在用戶預(yù)置的放大倍數(shù)有多種設(shè)定方式時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作的原則是：選擇最小的前級(jí)放大倍數(shù)和相應(yīng)最小的后級(jí)衰減方式，這樣的選擇可使由放大器和衰減器引起的誤差最小。

圖3 直流程控增益放大流程圖

2.3 數(shù)控微分電路

本電路主要由二階有源濾波電路和微分電路組成，其主要作用在于提高濾波質(zhì)量和較好解決譜帶重疊問(wèn)題。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度的要求，A/D轉(zhuǎn)換器我們可采用AD574A芯片，這是一款快速12位逐次比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字量數(shù)據(jù)可以分兩次讀出,先讀取高8位,再讀取低4位，且其有片內(nèi)時(shí)鐘,故不需外加時(shí)鐘信號(hào)。AD574輸出帶有三態(tài)控制,故其輸出可以直接掛接在數(shù)據(jù)總線上。同時(shí),AD的輸入模擬量程0-1OV, 0-20V、-1OV-+10V, -5V一+5V四種，這里我們選用0-1OV量程。而且，它轉(zhuǎn)換速度快，并可以進(jìn)行多次采樣、濾波，這保證了系統(tǒng)的精度。

2.5 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是晶漢達(dá)電子的JHD240128A系列點(diǎn)陣液晶顯示模塊，與單片機(jī)89C51的接口可采用直接訪問(wèn)方式，就是把內(nèi)置T6963C控制器的液晶顯示模塊作為存儲(chǔ)器I/O設(shè)備直接掛在計(jì)算機(jī)的總線上。

2.6 RS-232串行通訊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RS-232C的串口異步通信，硬件接口簡(jiǎn)單，可用常規(guī)接法：只需插座的2腳、3腳和芯片13腳、14腳與相連，再把插座第5腳接地即可。

在整個(gè)電路制作過(guò)程中，考慮到熒光亮度信號(hào)微弱的特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)精度的要求，需特別注意電路的電磁屏蔽問(wèn)題、以及模擬電路和數(shù)字電路的地應(yīng)分開(kāi)等事項(xiàng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本弱熒光測(cè)量?jī)x基于D/A程控增益放大器原理進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并采用單片機(jī)控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便等特點(diǎn)。但受限傳統(tǒng)元器件和一般硬件開(kāi)發(fā)工具，精度的要求還可進(jìn)一步的提升。

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Design of weak fluorescence measurement system based on MCU

Lin Xudong
(Fujian Polytechnic of Information Technology,Fuzhou Fujian, 350003)

Through a brief analysis of the theory of the direct current gain-programmed amplifier, this paper introduces the system design schema of a weak fluorescence measuring apparatus which uses the single-chip AT89C51 as the main controller. It has its own features, such as low power dissipation, high precision, easy operation and so on.

weak fluorescence;single-chip;programmable gain

林旭東（1982-），男，福建莆田人，講師，碩士，研究方向電子與通信工程。