基于單片機的弱熒光測量儀系統設計

林旭東

（福建信息職業技術學院，福建福州，350003）

基于單片機的弱熒光測量儀系統設計

林旭東

（福建信息職業技術學院，福建福州，350003）

本文通過簡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AT89C51為主控制器的弱熒光測量儀系統設計方案，具有功耗低、精度較高、操作方便等特點。

弱熒光；單片機；程控增益

0 引言

當紫外線照射到某種物質的時候，這些物質會發射出各種顏色和不同強度的可見光，而當紫外線停止照射時，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，它被廣泛地應用于工業、農業、環境科學、食品科學和檢驗檢疫等各個領域中。與常規信號相比，弱熒光發光亮度信號極為微弱，為此信號的檢測、變換和放大等是電路設計的重點。

1 系統總體方案設計

本測量儀以單片機AT89C51為控制核心，主要有光電轉換和前置放大、D/A程控增益放大器、A/D轉換等模塊電路組成。系統的總體設計框圖如下圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

當激發光源照射熒光樣品，后者由于吸收光輻射后開始發光，我們的測試工作也由此開始。精密設計的光學系統實現了對光輻射能量的收集，其中探測器采用光電倍增管，它噪聲低、響應快、可探測微弱的光信號，與濾色片等配合可將光信號轉換成電流信號，電流信號經過電流－電壓變換和進一步的電壓放大，其中放大電路部分利用了直流程控增益放大器原理,同時微機還可根據AD轉換數值大小判斷是否進行量程切換，以進一步保證精度要求。此外，微機也實現所測試的衰減曲線在液晶模塊上的顯示以及PC上的數據處理。

2 系統主要硬件設計

2.1 光電轉換和前置放大電路設計

本系統中采用光電倍增管作為光電探測器，型號為R456，直流電信號從其陽極輸出，但極為微弱，最小量程為nA級。為此，本系統放大電路采用集成運放多級放大器來實現。第一級前置放大電路為電流一電壓轉換,因光電倍增管的輸出電流很微弱，一方面為了精度要求，我們應重點考慮零點漂移問題，這里可選擇儀用放大器，因其具有高共模抑制比、低輸入失調電壓、低失調電流誤差、可用單電阻實現增益大范圍調節等優點；另一方面因我們測試的亮度信號存在好幾個數量級的差別，為保證測量精度要求，可選用CMOs模擬開關進行量程的切換，分4個不同的等級；第二級放大電路是一個電壓放大器，其主要任務是與后面的D/A程控衰減器配合將電路的總輸出調整到適合模/數轉換器的輸入電壓范圍,這里我們可采用OP07集成運放構成。

2.2 D/A轉換電路設計

D/A轉換器我們采用的是DAC0832芯片，此時，這里的DAC0832數模轉換器相當于一個可變增益的衰減器，因為DAC0832內部可看成是一個R-2R電阻網絡如圖2所示，這時從Vi端往里看，其等效電阻都為R，故運放的輸出電壓為因此，考慮將R～2R電阻網絡引入到增益可控放大器中，REFV 端作為信號的輸入端，1OUTI 和2OUTI 仍分別接運放的反相和同相輸入端，而運放的輸出從fbR 端反饋，此時與前級放大器配合就可構成一個程控增益放大器。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內部的電阻網絡原理圖

D=0相當于放大器短路；D=1衰減為1/256；D=256衰減最大。因此可以通過給DAC0832送入不同的數字量D來改變放大器的增益，再與前級的放大器相配合，就構成一個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適合于模數轉換器的電壓范圍。為此，我們就解決了以往所采用的單一增益放大，由于測控信號的范圍較寬，很難在各種情況下都使電壓信號匹配，造成較大測量誤差的問題。此外，前級運放放大器的放大倍數的適當選取是在單片機的算法控制下實現的，在用戶預置的放大倍數有多種設定方式時，模擬開關動作的原則是：選擇最小的前級放大倍數和相應最小的后級衰減方式，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量和較好解決譜帶重疊問題。

2.4 A/D轉換電路設計

根據系統設計精度的要求，A/D轉換器我們可采用AD574A芯片，這是一款快速12位逐次比較式模數轉換器，轉換后的12位數字量數據可以分兩次讀出,先讀取高8位,再讀取低4位，且其有片內時鐘,故不需外加時鐘信號。AD574輸出帶有三態控制,故其輸出可以直接掛接在數據總線上。同時,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，它轉換速度快，并可以進行多次采樣、濾波，這保證了系統的精度。

2.5 液晶顯示電路設計

本系統采用的是晶漢達電子的JHD240128A系列點陣液晶顯示模塊，與單片機89C51的接口可采用直接訪問方式，就是把內置T6963C控制器的液晶顯示模塊作為存儲器I/O設備直接掛在計算機的總線上。

2.6 RS-232串行通訊設計

本系統采用RS-232C的串口異步通信，硬件接口簡單，可用常規接法：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。

在整個電路制作過程中，考慮到熒光亮度信號微弱的特點，為保證系統精度的要求，需特別注意電路的電磁屏蔽問題、以及模擬電路和數字電路的地應分開等事項。

3 結束語

本弱熒光測量儀基于D/A程控增益放大器原理進行模塊化設計，并采用單片機控制，具有結構簡單、成本低、操作方便等特點。但受限傳統元器件和一般硬件開發工具，精度的要求還可進一步的提升。

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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。