數(shù)字分光計(jì)設(shè)計(jì)

劉應(yīng)傳，熊小民，蒲波，李廣（.南華大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)400；.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)400）

數(shù)字分光計(jì)設(shè)計(jì)

劉應(yīng)傳1，熊小民1，蒲波2，李廣1
（1.南華大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；2.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

傳統(tǒng)的分光計(jì)測(cè)量操作繁復(fù)，觀察不直觀，為此本文利用光電編碼技術(shù)、辯向技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、CCD傳感技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行改造：首先，利用刻度盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光電編碼器計(jì)數(shù)，再將計(jì)數(shù)信號(hào)輸入單片機(jī)程序進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果輸出到液晶屏上，實(shí)時(shí)地顯示出轉(zhuǎn)過(guò)的角度，使角度測(cè)量簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確；其次，在觀察鏡筒前加裝CCD攝像頭，將鏡筒內(nèi)視野放大并顯示在電子屏幕上，直觀地展示出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。改進(jìn)后的分光計(jì)具有數(shù)字式角度測(cè)量，并能實(shí)時(shí)顯示觀察視野的新功能。

光電編碼技術(shù)；辯向技術(shù)；單片機(jī)；數(shù)字式測(cè)量

分光計(jì)是一種精密的光學(xué)儀器［1］，用途非常廣泛，如可以用來(lái)分析光譜、勘探、測(cè)試土壤等，甚至還可以用于建筑。此外它還能精確測(cè)量光學(xué)平面的夾角。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，常用來(lái)測(cè)三棱鏡的頂角、折射率以及光波波長(zhǎng)或者光柵常數(shù)等物理量。但現(xiàn)有的分光計(jì)有3個(gè)缺點(diǎn)：1）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，必須捂住一只眼睛，讓另一只眼睛對(duì)著鏡筒，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)地調(diào)節(jié)。這樣會(huì)造成用眼疲勞，而且操作十分不便。2）教師在教學(xué)演示時(shí)，只能用語(yǔ)言去描述鏡筒內(nèi)的情況，無(wú)法讓學(xué)生形成直觀認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致教師在演示完之后，學(xué)生還是不知道如何動(dòng)手去進(jìn)行調(diào)節(jié)。3）測(cè)量角度需要從刻度盤上直接讀取，對(duì)于初次接觸本儀器的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還容易產(chǎn)生誤差。基于以上缺點(diǎn)，文中利用51單片機(jī)，采用數(shù)字電子技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式分光計(jì)進(jìn)行改造，來(lái)解決上述問(wèn)題。

具體方案：在機(jī)械式分光計(jì)游標(biāo)盤下加一個(gè)齒輪盤，帶動(dòng)光電編碼器計(jì)數(shù)。光電編碼器輸出兩路相位相差為90度的方波信號(hào)，送入比較器，然后輸入單片機(jī)進(jìn)行一系列程序運(yùn)算，最后輸出在小型液晶顯示器上，顯示出轉(zhuǎn)過(guò)的角度。對(duì)于觀測(cè)圖像的顯示，可在望遠(yuǎn)鏡目鏡前加一個(gè)CCD傳感器，通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)。

1　數(shù)字分光計(jì)組成

文中設(shè)計(jì)的數(shù)字分光計(jì)由3部分組成：機(jī)械部分、數(shù)字測(cè)量部分和圖像顯示部分。其中機(jī)械部分與傳統(tǒng)分光計(jì)基本相同（對(duì)其簡(jiǎn)單機(jī)械加工即可），本文不再詳述。數(shù)字測(cè)量與圖像顯示系統(tǒng)是創(chuàng)新的部分，它們主要由階梯穩(wěn)壓電源，CCD傳感器、小型液晶顯示器、比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、與非門控制電路、光電編碼器、CH340、STC89S52RC單片機(jī)［2］組成，系統(tǒng)框圖和角度測(cè)量系統(tǒng)電路圖分別如圖1、圖2（已略去電源、單片機(jī)與液晶顯示器）所示。

1.1階梯電源

階梯電源［3］是由電源變壓器、橋式整流、LM7815、LM7812、LM7805三端穩(wěn)壓電源構(gòu)成的。220 V交流電源通過(guò)小型變壓器，把220 V交流電壓降到交流有效值18 V，再通過(guò)橋式整流進(jìn)行全波整流，通過(guò)濾波電路，得到21.6 V的直流平均電壓，該電壓加到三端穩(wěn)壓塊LM7815輸入端，中間LM7812三端穩(wěn)壓塊12V輸出，此電壓分四路，一路送給CCD傳感器，第二路供給LM339比較器，第三路供給光電編碼器；第四路供給LM7805三端穩(wěn)壓塊。LM7805輸出的電壓作為NE556雙穩(wěn)態(tài)電路、方向控制電路和STC89C52RC單片機(jī)整機(jī)輸入電壓。

1.2光電編碼器與辯向電路

光電編碼器采用的是GHS38系列光柵光電編碼器，它是一個(gè)整體裝置，具體結(jié)構(gòu)本文不再詳述。當(dāng)光電編碼器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以產(chǎn)生兩路相位差為90°的方波A和B，但其正轉(zhuǎn)時(shí)A脈沖超前B脈沖90°，反轉(zhuǎn)時(shí)滯后90°，具體的波形圖如圖3所示。

圖1　數(shù)顯分光計(jì)系統(tǒng)框圖

圖2　角度測(cè)量系統(tǒng)電路圖

圖3　辯向器時(shí)序圖

辯向電路［4］由LM339比較器［5］和NE556單穩(wěn)態(tài)電路組成，上面是該辯向電路的各點(diǎn)波形。電路工作原理：光電編碼器輸出兩路相位差為90°的方波A、B，然后送到LM339第5腳和7腳。5腳電壓與LM339第4腳電壓進(jìn)行比較，如果超出4腳電壓，比較器2腳就輸出正跳變電壓，如果低于4腳電壓，就輸出負(fù)跳變電壓。同理，7腳電壓與LM339第6腳電壓進(jìn)行比較，如果超出6腳電壓，比較器1腳就輸出正跳變電壓，如果低于6腳電壓，1腳就輸出負(fù)跳變電壓。

LM339芯片2腳輸出的波形，如上圖A波形圖所示，在a點(diǎn)分成兩路，一路通過(guò)C5R8微分電路加到556的第6腳；一路通過(guò)U1與非門倒相，得到C波形；C波形通過(guò)C9和R11微分電路，產(chǎn)生負(fù)向的微分尖脈沖Y，負(fù)向的微分尖脈沖Y觸發(fā)556的第8腳；NE556采用的是單穩(wěn)態(tài)接法，在接通電源的瞬間，由于接在第10腳C12電容器電壓不能突變，所以第10腳初始值為零，隨后電源電壓通過(guò)電阻R13對(duì)C12電容充電，該零電壓對(duì)556進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，所以該腳稱為強(qiáng)制復(fù)位端，強(qiáng)制復(fù)位可使556的第9腳和第13腳初始電平為零電平，如果這時(shí)第8腳無(wú)負(fù)向觸發(fā)微分信號(hào)輸入，那么NE556單穩(wěn)態(tài)［6］就一直保持第9腳和第13腳為低電平，556第13腳內(nèi)部三極管處于灌電流狀態(tài)。當(dāng)此時(shí)有微分信號(hào)輸入時(shí)，單穩(wěn)態(tài)第9腳就輸出高電平，同時(shí)第13腳開(kāi)路，根據(jù)一階電路三要素原則，脈沖寬度，由R11C10時(shí)間常數(shù)決定，在恒定輸入直流電源作用下，電路內(nèi)的物理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是電容動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能從無(wú)到有的增長(zhǎng)過(guò)程。因此對(duì)R11C10電路來(lái)說(shuō)，隨著電容儲(chǔ)能的增長(zhǎng)，電容電壓也在增長(zhǎng)，當(dāng)充到電源電壓的2/3時(shí)，556立即復(fù)位，第9腳完成一個(gè)脈沖輸出，從而周而復(fù)始輸出E脈沖。

現(xiàn)在再討論A波形通過(guò)C5R8加到556第6腳的情況：A波形通過(guò)C5和R8微分電路，產(chǎn)生正向的微分波是不能觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)NE556的，只有產(chǎn)生負(fù)向的微分尖脈沖Z，才能對(duì)556進(jìn)行觸發(fā)。微分尖脈沖Z觸發(fā)NE556的第6腳，556采用的是單穩(wěn)態(tài)接法，在接通電源的瞬間，由于接在第4腳C8電容器電壓不能突變，所以第4腳初始值為零，隨后電源電壓通過(guò)電阻R10對(duì)C8電容充電，該零電壓對(duì)556進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，所以該腳稱為強(qiáng)制復(fù)位端，強(qiáng)制復(fù)位可使556的第5腳和第1腳初始電平為零電平，如果這時(shí)第6腳無(wú)負(fù)向觸發(fā)微分信號(hào)輸入，那么556單穩(wěn)態(tài)就一直保持第5腳和第1腳為低電平，556第1腳內(nèi)部三極管處于灌電流狀態(tài)。當(dāng)此時(shí)有負(fù)向微分信號(hào)輸入時(shí)，單穩(wěn)態(tài)第5腳就輸出高電平，第1腳開(kāi)路。根據(jù)一階電路三要素原則，脈沖寬度，由R9C6時(shí)間常數(shù)決定，在恒定輸入直流電源作用下，電路內(nèi)的物理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是電容動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能從無(wú)到有的增長(zhǎng)過(guò)程。因此對(duì)R9C6電路來(lái)說(shuō)，隨著電容儲(chǔ)能的增長(zhǎng)，電容電壓也在增長(zhǎng)，當(dāng)充到電源電壓的2/3時(shí)，556立即復(fù)位，第5腳完成一個(gè)脈沖輸出，從而周而復(fù)始輸出D脈沖。

現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看上圖的時(shí)序波形，當(dāng)D脈沖落在B脈沖高電平時(shí)，就會(huì)有F負(fù)向脈沖輸出。同理當(dāng)E脈沖落在B脈沖高電平時(shí)，就會(huì)有G負(fù)向脈沖輸出。U2和U3是與非門電路，只有當(dāng)B脈沖為高電平條件成立時(shí)，與非門才是打開(kāi)的，D脈沖和E脈沖才能通過(guò)，由于A脈沖與B脈沖在相位上不是超前90°，就是落后90°，所以B脈沖在高電平期間，不是G脈沖輸出，就是F脈沖輸出。當(dāng)A脈沖超前B脈沖90°，就輸出F負(fù)脈沖，當(dāng)A脈沖滯后B脈沖90°就輸出G負(fù)脈沖。

綜上所述，由輸出的F負(fù)脈沖或G負(fù)脈沖，可以判斷光電編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。通過(guò)一系列后續(xù)電路處理，再變換成不同方向的兩種負(fù)脈沖輸出，為后續(xù)單片機(jī)采樣計(jì)數(shù)提供了信號(hào)源。這樣，我們可以把轉(zhuǎn)盤光電編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換送來(lái)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后就可以顯示出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的角度值。

1.3單片機(jī)與外圍電路

本方案利用單片機(jī)STC89S52來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，12864液晶顯示器來(lái)顯示，按鍵1、2、3、4來(lái)進(jìn)行控制。其中按鍵1對(duì)應(yīng)于單片機(jī)的P1.7腳，按鍵2對(duì)應(yīng)于P1.6腳，按鍵3對(duì)應(yīng)于P1.5腳，按鍵4對(duì)應(yīng)于P1.4腳。12864的數(shù)據(jù)輸入由單片機(jī)P0口輸出。RS為液晶顯示器的第4腳，是數(shù)據(jù)/命令寄存器選擇輸入端，由單片機(jī)的P2.7腳控制。液晶顯示器的第6腳的使能控制EN端，由單片機(jī)的P2.6腳控制。液晶顯示器的第15腳串/并方式控制PSB端，由單片機(jī)的P3.4腳控制。液晶顯示器的第17腳復(fù)位RST端，由單片機(jī)的P3.5腳控制。同時(shí)辯向器輸出的計(jì)數(shù)脈沖由單片機(jī)接收，采用外部中斷0和外部中斷1。外部中斷0由單片機(jī)的P3.2腳接收，接收74LS38第8腳的g脈沖。外部中斷1由單片機(jī)的P3.3腳接收，接收74LS38第6腳的f脈沖。通過(guò)單片機(jī)程序運(yùn)算后，在12864液晶顯示器上顯示出轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

2　軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)程序從主函數(shù)main（）進(jìn)入，對(duì)整個(gè)程序初始化，然后通過(guò)對(duì)12 864液晶的配置，顯示：“分光計(jì)實(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)室，南華大學(xué)”。通過(guò)延時(shí)函數(shù)延時(shí)五秒，進(jìn)入主界面。主界面上有“測(cè)量”與“上傳”兩個(gè)選項(xiàng)。通過(guò)對(duì)鍵盤的掃描看是否有按鍵按下，按鍵是否在相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目按下，如果沒(méi)有按鍵按下則不斷的掃描，直至有按鍵按下。

當(dāng)按下按鍵1時(shí)，光標(biāo)左移；按下按鍵2時(shí)，光標(biāo)右移；按下按鍵3時(shí)，確認(rèn)進(jìn)入該菜單；按下按鍵4時(shí)返回。當(dāng)按鍵在“測(cè)量”選項(xiàng)按下時(shí)，進(jìn)入測(cè)量界面。在測(cè)量界面中通過(guò)對(duì)外部中斷，判斷是否有脈沖的下降沿，如果有下降沿，計(jì)數(shù)下降沿的個(gè)數(shù)，并通過(guò)對(duì)12864的配置，讓其顯示出轉(zhuǎn)過(guò)的角度。當(dāng)按鍵在“上傳”選項(xiàng)按下時(shí)，進(jìn)入上傳界面，通過(guò)對(duì)串口的配置，將測(cè)量界面的測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)電腦［7-8］。

3　圖像顯示系統(tǒng)

為了直觀地展示出分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)的視野，可在其前面安裝一個(gè)CCD攝像頭，連接到一塊小型彩色液晶顯示屏上，便可將圖像顯示出來(lái)。原理簡(jiǎn)單，難點(diǎn)在于攝像頭與望遠(yuǎn)鏡的連接固定，及攝像頭鏡頭焦距的近化改造（以適應(yīng)超微距拍攝）。具體操作文中不再詳述。

4　結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的分光計(jì)觀察不直觀，測(cè)量不方便，操作繁瑣。通過(guò)上述數(shù)字化改造，轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤即可輕松得到刻度盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度，精度可達(dá)到1分（具體精度與編碼器有關(guān)），操作大大簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)的分光計(jì)無(wú)法進(jìn)行教學(xué)演示，一般情況下，上課教師只能用攝像頭加電腦來(lái)進(jìn)行演示。我們的方案不需要電腦也能直觀展示出圖像，方便而且經(jīng)濟(jì)。使用時(shí)不需要制造一臺(tái)全新的分光計(jì)，只需對(duì)傳統(tǒng)分光計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械改造，再裝上角度測(cè)量與圖像顯示系統(tǒng)即可。儀器簡(jiǎn)潔，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，將改變分光計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀。

［1］饒益花.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：人民郵電出版社，2015.

［2］佘永全.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992.

［3］周仲.集成電路應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1988.

［4］懂景新，趙長(zhǎng)德.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］朱鴻鶚.顯示器電路原理與維修［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1992.

［6］陳永甫.555集成電路應(yīng)用800例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1992.

［7］王利民，吳平，孫旭，等.遠(yuǎn)程控制的多路數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器［J］.現(xiàn)代應(yīng)用物理，2013（4）：339-342.

［8］喬瑞芳.基于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的多媒體搶答器設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2009（8）：43-46.

Digital spectrometer design

LIU Ying-chuan1，XIONG Xiao-min1，PU Bo2，LIGuang1
（1.School of Mathematics and Physics，University of South China，Hengyang 421001，China；2.School of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China）

Traditional spectrometer can't display the experimental phenomena visually，and is complicated to operate，in this paper，we'll improve it with the photoelectric coding technology，direction-judgment technology，SCM technology and CCD sensor technology:First，we rotate the dial，drive photoelectric encoder to count，then the counter input the counting signal to SCM program，and then SCM output the results to the LCD screen，show the value of the angle in real time；Second，install a CCD camera in front of the lens barrel，then the field of view within the lens barrel will be amplified and displayed on the screen，so that the experimental phenomena is easy to be observed.There，the improved spectrometer achieves two new features:digitalanglemeasurementand real-time display of the observed field.

photoelectric coding technology；direction-judgment technology；SCM；digitalmeasurement

TN06

B

1674-6236（2016）19-0117-03

2015-09-02稿件編號(hào)：201509020

衡陽(yáng)市科技局項(xiàng)目（2014KJ02）

劉應(yīng)傳（1980—），男，湖南隆回人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：光學(xué)。