（光学专业论文）自动化光学多通道分析仪的设计.pdf

中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 摘要 本论文主要介绍自动化光学多通道分析仪的各个部分的设计情况：采用自 制的光谱仪、控制系统和自编的软件，把传统光谱测技术和现代电子技术、软件 技术结合在一起，构建了实用新型的测量仪器。本系统能够快速地测量和分析各 种光谱，得出比较好的实验结果。本系统能在非常小的投资情况下得到好的结果， 在基础科研和国民经济建设中有重要的实用意义和广阔的应用前景。 关键词：c c d 、o m a 、单片机、步进马达、计算机图像处理 m 中出大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 d e s i g n i n g o f a u t o m a t i c o p t i c a l m u l t i c h a n n e l a n a l y z e r ( o m a ) s y s t e m w a n g y o n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o ry uz h e n x i n a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fa n o p t i c a lm u l t i c h a n n e la n a l y z e r ( o m a ) h a s b e e nf i n i s h e di nt h i st h e s i s t h et a r g e to f o u rr e s e a r c hw o r ki st o c o n s t r u c tam e a s u r i n gi n s t r u m e n tw h i c hc o m b i n e s t h et r a d i t i o n a l p h o t o m e t e rt e c h n o l o g y w i t hm o d e r ne l e c t r o n i ca n ds o f t w a r e t e c h n o l o g y 。w e d e m o n s t r a t et h er e l a t i v e l ys i m p l eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o np o s s i b i l i t i e so f o u rn e wo m a s y s t e m t o a c h i e v et h ee s t a b l i s h m e n to fl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y m u l t i c h a n n e la n a l y z e r k e yw o r d s ：c c d 、o m a 、s i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e r 、s t e p p i n g m o t o r 、c o m p u t e ri m a g em a n i p u l a t i o n i v 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 第一章：光谱图像采集和处理技术概述 1 1 光谱图像采集存储技术发展概述 现代光谱科学发展过程中，对光学图像的记录大致经历了四个阶段： 1 ，) 传统的光谱仪器通常都利用了光化学的探测方法，以感光乳剂作为接 收、记录光信号的介质，拍摄入射光信号可获得一维空间分布的同时 谱，有较好的空间分辨能力，谱片可长期保存。但所得谱片感光量受 乳剂感光特性曲线的限制，其显著缺点是探测灵敏度低，信号较弱时 需较长的曝光时间，不能动态连续地检测光谱信号，对于样品和谱线 随时间变化的情况无法观测，还需经过繁琐的暗室处理过程。记录介 质不能重复使用，资源浪费较多。若要对谱片进行测量分析，还要借 助于比长仪等其他各种精密测量工具，整个摄谱分析过程效率低下。 2 1 随着光电转换器件的应用和微机处理技术的发展，摄谱技术有了重大 革新和进步。利用光电二极管( p i n ) 或光电倍增管( p m t ) 等作为感光元 件，将光信号转化为模拟电信号，再通过数字，模拟转换传送到计算 机，由计算机完成记录图像和分板计算工作，能实现较高程度的自动 化，大大简化了摄谱过程，暗室已经不再是拍摄谱线工作的必需环节 了，节约资源并且无污染。但这种方法一般需要对谱线进行扫描，速 度不是很理想，而且在扫描过程中，如果系统的参量发生变化( 如电 源电压波动引起光强变化) 不能被消除。 3 ) 近年来，c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 芯片技术飞速发展，性能价格 比迅速提高，高可靠性、低成本的c c d 的芯片代替感光乳剂和光电 二极管已经运用至q 多种探测器件之上。图像的采集、处理速度迸一步 提高，图像的分辨率非常好，但价格较昂贵。 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 4 ) 最近几年，由于c m o s 技术的发展，产业界又把目光再次投到了 c m o s 成像技术上了。原因在于：c m o s 技术不像c c d 技术那样只 掌握在少数企业手里，目前世界上很多的企业都可以生产c m o s 芯 片，所以为价格的大众化提供了条件。市面上现在已经出现了分辨率 非常高的c m o s 数码相机，虽然还是以c c d 数码相机为主流，但 c m o s 代替c c d 成为将来的领导者，是市场发展的必然。 由于现阶段主要的手段是利用c c d 成像技术，所以这里只介绍c c d 的原理。 1 2c c d 技术原理及应用 近年来，c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 芯片技术飞速发展，性能价格比迅速提 高，高可靠性、低成本的c c d 的芯片代替感光乳剂和光电二极管已经运用到多 种探测器件之上。c c d 是由大量的微小光电二极管及译码寻址电路构成的电子 感光成像部件。c c d 按感光元件的排列方式分两种，一种是线状阵列，多个像 图1 1t 三相帧转移面阵c c d 结构图 敏单元排列成一条直线或者一个环形，逐个进行感光成像；一种是平面阵列，多 个像敏单元排列成一个平面，同时感受光信号( 色彩、强度等) 。对于应用最广 泛的面阵c c d 器件一般由光敏单元( 成像区) 、转移控制栅、暂存单元和水平 2 ! 生查兰! ! 坚旦堡圭竺窒竺兰竺堡塞 移位( 读出) 寄存器等几部分组成，结构如图1 1 所示，图1 2 是它的c c d 单元 结构示意图。工作过程如下：图像经物镜成像到光敏区，当光敏区的某相电极 ( 如i 中1 ) 加适当的偏压，光生电荷将收集到这些电极下方的势阱里，这样就将 被摄光学图像变成了光积分电极下的电荷包围像。当光积分周期结束时，加到存 储区和存储区电极上的时钟脉冲所收集到的信号电荷迅速转移到存储区水平读 出寄存器中。然后依靠加在存储区和水平读出寄存器上的驱动脉冲驱动水平读出 寄存器经输出通道输出帧信息。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分 又收集到势阱中。一旦第一场信息被全部读出，第二场信息马上就传送给寄存器， 使之连续的读出。运用c c d 到光谱的拍摄工作中，优点是非常明显的：从上面 的分析可以看出：非常多的光电二极管同时感光，拍摄同一段谱线速度比单独的 二极管扫描快了上万倍；c c d 和光电倍增管等的相对优势比较，如表1 - 1 所示； 羹羹x 奄辔增譬t 畦】光奄：辍警俸夷奄番台蒋踟tc o t 眦， 光嗡匣i _ ) i w - - 0n n 1 1 0 0 量子藏搴阳m 触溉陋慨i 舶d 一5 a l a 9 0 u 鼍 孙帕1 髑 删纛1 册_ | ；| 岫i 泓 鼍雠骏夺t3 m 吐，- 戈i 嚣黼t ，- 小o 。嘲l ， 辕誊薏e0 失i 抛小l “ 爱t 蠢惜任1 )赢l 细l q 嘲睫3 l $ 0 0 m - 纠t 缱熊穗曩小：l ；：ll a 尊i i j ；尊， 捂蟪= 疆= 缺蕊光事髓蠲噍匿光疆可嗣1 0 - ”，。 删性参种煳光馥燃投t；目孓时蠲努k 控i k ，t 辩、，曝秦口u麓麓，黼辩尬、毛 番栩管嘲泳蔫 计算机处理图像，速度非常快，而且对结果可以及时处理分析，也可以非常 高效率得保存和交流：c c d 的光谱响应范围广：玻璃窗口c c d 的响应范围一般 为4 0 0 n m 。1 1 0 0 r i m ，石英窗口的一般为2 0 0 n m 1 1 0 0 n m ；c c d 分辨率很高，一般 都可以达到几百万像数，比如：1 2 8 0 1 0 0 0 等，成像清晰。 3 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 1 3 国内外技术发展简况 电荷耦合器件( c c d ) 检测器的暗电流或热生电荷干扰很低，而且具有光谱 响应范围宽，量子效率高、线性范围宽、图像质量高、实时监测能力强等特点， 己用于分子荧光光谱、原子发射光谱、吸收光谱等，以及用于分析化学中的凝胶 色谱和毛细管电泳作多道图象检测器。 法国j y 公司研制了一种i m a g e n a v i g a t o r 软件，配置在单道扫描i c p 光谱仪 上，仪器具有一种新的全谱技术；用高速自动增益控制信号采集技术和快速扫 描方法，在2 m i n 内得到2 3 万个测量点的信号，记录下全部谱图，可以显示、打 印、存储。通过软件可以看到任何分析元素的最灵敏的五条分析线，自动峰定位， 并能进行半定量和定量测定。 1 9 7 2 年，美国e g & g p a r c 公司推出了第一款o m a 系统，现在已经发展到 了o m a - - i v 。我们所获得的o m a - - i i i 系统资料为：它采用硅靶探测器、增强 型探头、高压脉冲发生器对光谱进行分析。探头分辨率o 6 5 道，单色仪分辨率 o 2 a ，光谱范围3 5 0 8 0 0 n m ，既可实时记录实验情况，又可快速探测瞬间信号( 最 短可达到1 0 培s 数量级) 。 1 9 8 7 年美国奎斯特联合公司( q u e s ti n t e g r a t e dl n c ) 开发成功第一套激光轮廓 测量系统，用于军舰上锅炉管道的检测。此后，奎斯特公司不断改进光源和探测 技术，使其开发的系列激光管道检测系统( l o t i s ) 应用领域覆盖了能源、化工、 航空航天及军工等行业部门，可定量检测出各种尺寸管道内壁表面裂纹、腐蚀等 缺陷。 在国内，由中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的实用型模块化 成像光谱仪( o m i s ) ，是具有当前国际先进水平的新型航空遥感仪器。它在可见 近! m 夕i - 短波红外热红，0 4 6 p m 至1 2 5 1 1 m 的所有大气窗口上设置了1 2 8 个光 谱波段，是一套先进的机载高光谱遥感数据获取系统。整套系统包括机上设备( 光 谱仪、陀螺稳定平台、g p s 定位系统等) 和地面设备( 数据回放及格式化系统、 地面光谱与辐射定标系统等) 。配套齐全、功能完备、技术先进，形成了从机载 遥感数据获取到完成向用户提供定量化、标准化成像光谱图像数据数字化产品制 4 中山大学2 4 届硕士研究生学位论文 作的一条龙服务。仪器的总体性能达到9 0 年代同类系统的国际先进水平，可广 泛应用于陆地和海洋的资源勘察及环境监测等诸多领域。 1 , 4 论文的目标 市面上有大量的各类光电分光光度计出售，但它们有各种不同的缺陷：首先， 价格相当昂贵；其次，基本不能自动测量，它们的精度虽然都较高，但测量的手 续依然是人工一次一次地测量，然后再比较，最后才得出结果，比较麻烦；另外， 它们都只是一次性的测量，不能进行多次测量，求平均和误差。 在国内工业领域，能应用上价格较高的光学多通道分析仪器的单位为数不 多。在印染、化工、制药、生化分析等行业，十分需要具有一定精度，价格便宜， 操作快捷的光谱分析设备。 本论文的目的就是想克服上述光谱仪器的不足，通过自制的软硬件，制作低 廉、实用、高效的光学多通道分析仪。以其廉价、操作恢捷、具有相当精度等特 点，可以满足日常实验室教学研究工作，又可以满足一般工业的要求。 本论文的一个更为具体的意义是：作者本人，通过这项工作，可以对近代光 谱仪器结构及其测量技术、c c d 光电探测的应用以及光学图像测量的数据处理的 软硬件技术，有一个系统的全面的实践。为未来从事光电技术应用打下一个扎 实的基础。对自己的研究开发能力的训练大有裨益。 5 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 第二章：色散元件的选择 现代光谱仪器中，色散元件可以是三棱镜也可以是光栅。棱镜可以分为反光 棱镜和分光棱镜；光栅根据不同的划分标准，又可以分为反射式光栅和透射式光 栅，或者平面光栅和凹面光栅。这章中我们简单地讨论下各自的特点，并决定论 文系统中色散元件的选择。 2 1 三棱镜的色散 2 1 1 三棱镜的概述 光学仪器中的棱镜归纳起来有两大类：反光棱镜和分光棱镜。反光棱镜是用 来折断光学系统的光轴。由于它仅起着反光的作用，所以称为反光棱镜。分光棱 镜是用来分解光的，就是常说的把“白光”分解成单色光。由于它起着折射光波 的作用，所以我们又叫它折射棱镜。下面主要讲述折射棱镜的原理a 2 1 2 三棱镜的分光原理 设波长为九的光波以入射角i 1 入射到三棱镜 的工作面a b ，折射后以角度f ：射出。8 为偏向角。 假设棱镜由折射角为n 的材料制成，由图2 1 可 以看到： a = i 2 + i i ，( 2 - - 1 ) 6 2 图2 1 1 三棱镜分光示意图 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 6 = i l 一一i 2 + i ：= i 1 + i ；一q ( 2 2 ) 由折射定律可以知道： i t = a r c s i n ( n s i ni ：) ( 2 3 ) i i = a r c s i n ( n s i n ( ( x - - ) ) ( 2 - - 4 ) 可以得到： 6 = i i + a r c s i n n s i n ( a a r c 坠) 1 一 ( 2 5 ) 1 1 这就是三棱镜分光原理的基本公式。由于折射率n 是随着波长的减小而增 大的从而从公式可以看出：波长越短，偏向角越大。 最小偏向角及其条件 对公式8 = i 1 + a r c s i n n 咖( a a r c 三垫生) 】一a 按f i 微分，并取等= 0 t 汉d 西2 ，8 n a l l 。， “h 则可以知道三棱镜的最小偏向角的条件为： i t = f i ，i f i ：，和f ：= 等， ( 2 6 ) 进一步可以得到最小偏向角 8 = 2io-a，(2-7) 其中 s i ni o = n s i n 昙 ( 2 8 ) 从上面的公式可以看出，对于一个特定的三棱镜而言，只有一种波长的光 线是处于最小偏向的。 角色散率 角色散率表示两条光谱线在空间分离的角度，即是磊d g 。对公式( 2 5 ) 微 分后整理可以得到 丝：! ! 璺竺皇堕( 2 1 9 - 一。一 、 烈c o s i ：c o s i i 觑 7 中山丈学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 其中罢为棱镜材料的色散率， 口 坠：! ：堡一d n 掀雁以 角色散宽度 接合( 2 6 ) ( 2 7 ) 可以 导到处于最小偏 ( 2 一1 0 ) 棱镜的角色散宽度是由工作光谱区的两边缘波长的光线的偏向角的差6 来 确定的。在实际工作中，常使用如下近似公式来表示： 庐粤血、 c o s lc o s l ，i 卜( 2 一1 1 ) 2 s m 兰 一 瓯。：_ 了：垒一皿 j 卜n s i n 2 薹 其中；= 毕为平均折射率。一般情况下，三棱镜的折射顶角晓。6 0 。， 所以可以得到：占血= 1 兰等曲( 2 - - 1 2 ) , 4 一万 理论分辨率 三棱镜的理论分辨率为有效孔径的宽度和角色散率的乘积，用公式表示为： 爱= 么羞= 名等嘉( 2 - - 1 3 ， 简化过程这里省略，只给出简化结果： r ：f 坐( 2 - - 1 4 ) d 丑 其中t 为棱镜底边长度，可见：棱镜的理论分辨率为该棱镜的底边长度和制 8 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 作该棱镜的材料的色散率之积，与三棱镜的折射顶角a 没有关系。 谱线弯曲 棱镜的谱线弯曲的理论推导比较繁琐，也不是我们想解决的问题，所以这 里只是引用吴安国光谱仪器设计的结果。 r ：趔 ( 2 1 5 ) 2 ( 1 一) 疗 其中r 为谱线弯曲的半径，f z 为暗箱物镜的焦距长。从上式可以看出：折 射率约大，则棱镜谱线的曲率半径约小，所以波长越短，谱线弯曲约厉害。 2 2 平面光栅的色散 2 2 1 平面光栅概述 光栅按照对光路的改变情况，可以 分为反射式光栅和透射式光栅，由于反 射式光栅改变了光线的传播路线，所以 可以起到减小系统体积的作用，而透射 式光栅在现代光谱仪器中已经基本不采 蓊 甲 r n 6 陟 绷沥渤 ， d 一 图2 - 2 。平面光栅色散原理 用了，所以我们这里主要讨论反射式光栅的原理。 光栅与棱镜相比有非常突出的优点。首先，棱镜的工作光谱区受到材料透过 率的限制，目前在五 1 5 0 0 微米的远红外区是不能采 用的。而反射式光栅不受材料的限制，可以在整个光谱区中应用。 其次，从前面介绍可以知道，棱镜的角色散率与波长是个非线性函数关系， 在短波处变化得更快。而光栅的角色散率与波长基本无关。 再次，光栅的分辨率远远比棱镜大。 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 当然光栅和棱镜相比较，也有自己的缺点。最突出的两点就是级次的重叠 和假线的存在。这些都是棱镜所没有的。 2 2 2 平面光栅色散原理 反射式平面衍射光栅是刻有一系列的等距离的平行划痕的反射平面镜。划 1 痕的间距d 叫做光栅常数，而其倒数三称为光栅的划痕密度，常用的有6 0 0 线， d 1 2 0 0 线，最高可达2 4 0 0 线每毫米。图2 2 是经典的说明平面光栅衍射原理的 图。从图中比较容易地推出光线1 l 和光线2 2 的光程差为： a ：d ( s i n # + s i n # ) ( 2 一1 6 ) 从波动光学的角度可以知道，相干光束干涉的极大值条件为： = 娥( 2 1 7 ) 从( 2 一1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可以得到： d ( s i n # + s i n # 1 ) = k x ( 2 1 8 ) 这就是平面衍射光栅的色散公式。从公式可以看到：给定光栅和入射角时， 在某确定光谱级中，波长越长的光束，其衍射角驴。约大，所以光谱按照波长产生 空间排列。与公式( 2 5 ) 相比较可以看出，三棱镜的色散与平面光谱冈h 好相反， 前者是波长约短。偏向角约大。从公式( 2 1 8 ) 还可以看到，对于同一对由和以 可以有k l x l = k 2 x ：= k 3 x 3 = = 常数。也就是说不同级次的波长可能重叠在一起， 这叫级次重叠。这会影响到我们的测量。 和棱镜部分类似，我们也简单讨论下平面光栅的几个物理量。 角色散率 设入射角不变，对( 2 1 8 ) 微分，可以得到 盟：o( 2 1 9 ) 以d c o s 西 10 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 从图2 2 可以看出：入射光线的偏向角6 为 占= 妒一九所以堕d 2 = 等，故而公式( 2 一1 9 ) 就是光栅的角色散率，从该公式可 以看出： ( 1 ) 光栅的角色散率与光谱级次成正比，所以不同级次的角色散率是成倍 的增减的。 ( 2 ) 光栅的角色散率与光栅的划痕总数无关，与划痕密度成 e l k , 。 ( 3 ) 当比较小时，筹= 孝，也就是说，在此时，角色散率与波长无关， 即衍射角的变化与波长变化成线性关系，这大大的方便了谱线测量中 的波长定标，这也是我们选取光栅的一个很重要的原因。 理论分辨率 理论分辨率在李良德的普通光学教程中有推导，这里只给出公式： r = k n( 2 2 0 ) n 为光线划痕的总条数。从上可以看出，在同一级光谱中理论分辨率与波长 无关。 谱线的弯曲 在吴安国的光谱仪器设计一书中有比较详细的讨论光栅谱线的弯曲的 问题，这里只引用它的结果。 r = ，f 2d c m o s 妒 ( 2 - - 2 1 ) 对于自准直系统，有声= 庐1 ，所以s 访庐= 筹，可以进一步得到 r = 下c t g 妒 ( z - 2 2 ) 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 其中r 为谱线弯曲的半径，五为暗箱物镜焦距，可以看出，光栅谱线弯曲 的曲率与光栅常数成反比，而与光谱级次成正比。还可以看出，对于光栅的光谱， 波长约长，弯曲约厉害，这个和棱镜的情况也是刚好相反的。 谱线的倾斜 前面的讨论都是基于光线都是由狭缝的中心所发出的这一个假设，而事实上 这是不可能的。假设狭缝和光栅的划痕处于平面内，且狭缝中心射出的光线与水 平面的倾角为0 ，则狭缝中心以外的各点发出的光线倾角为0 十d0 ，它们产生的 衍射有不同的方向，从而导致光谱的倾斜，可以得到谱线倾斜程度 培妒= 2 t g i s i n 8 ( 具体推导见吴安国光谱仪器设计) ( 2 2 3 ) 可见：谱线倾斜与光栅工作面的倾角i 和与光栅相对入射光束波前的转角0 成正比。 2 3 凹面光栅 平面光栅和三棱镜都只起到色散的作用，还需要其他的成像元件，才能 够成像，而凹面衍射光栅除了可以起色散作用外，还兼起成像的作用。很多 文献从光程差的角度讨论凹面光栅的成像情况，得到凹面光栅的特点如下： 1 焦面与物点( 狭缝) 在同一个圆周上，该圆与光栅面相切，圆的直径为 光栅表面的曲率半径。这个圆也叫罗兰圆。 2 率罢：挈与狭缝位置无关，是一个常数，其中p 是光栅的曲率半径，d d ad 是凹面光栅的光栅常数。这个特性对于光电记录特别有利。 3 本身具有成像作用，所以入射到凹面光栅的光线不必是平行光，出射光 线也不必经过成像元件，可以减小体积。 基于上面对几种色散元件的讨论，我们可以知道：光栅对光束的色散作用比 三棱镜强，而且衍射角的变化与波长变化成线性关系，这大大的方便了谱线测量 中的波长定标；同时凹面光栅楣对于一般的平面光栅，由于其本身具有成像作用， 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 所以可以节约元件，降低成本，减小系统体积，所以在系统设计中我们最后选择 了凹面光栅作为色散元件。 l3 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 第三章：光谱仪系统的光路设计和选择 有了第二章的知识，我们就可以有针对性地选择光学元件，进行光路的设计。 在光路的设计中，先后经过了四次光路选择、简化，制作了七个光谱仪，使得结 构能比较简洁，同时调节相对简单。下面对四个不同的光路设计的构思和结构给 以说明，并结合实际出现的问题，确定最终的光路。 3 1 设计一 这个设计的主观目的是为了利用实验室现有的一个光谱仪，这样就可以节 约成本。其结构如图3 1 所示： 14 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 光路由转盘p 分成两个完全对称的部分，转盘结构如图3 2 所示，在转盘 上对称的有两个小圆，黑色部分a l 表示放置了一个双面的高反膜，白色部分 a 2 表示这里挖空，让光线可以直接通过。工作过程为：由狭缝入射的光线，经 过透镜l o 后，成为平行光线，转盘由步进马达带动，某个时刻，入射来的光线 射到高反膜a 1 上面，反射光经透镜三1 + 后，汇聚到参考池，然后经由透镜三2 后， 变成平行光，r 1 、r 2 。和r 3 起到截断光路，使整体结构减小的作用。光线然后 通过a 2 入射到光谱仪中，光栅分光后，由成像透镜成像在c c d 上，在程序控 制下采集到一幅图像，在马达的带动下，在一定的时间后，a 1 和a 2 的位置相 互调换，光线通过下面的光路，再次进入到c c d ，从而拍到第二幅图像。对两 幅图像的对比可以得到我们希望得到的物理量，比如，透过率、吸收率等。 该设计的优点： 1 采用对称光路结构，使得两部分光的光程样。可以尽量减少 由于光程不同引起的光强误差。 2 利用一个遮光板，把一个光束分成两个在时间上交错的光束， 然后再进入同一个光谱仪测量。比双光路分别铡量节约成本一 半左右。 3 由于采用转盘结构，时间很好控制，而且如果有更多的孔对， 则可以在一圈内进行多次拍摄，所以时间利用率很高。 实际中出现的问题： 】由于需要用到原有的光谱 仪，还用转盘结构，所以 整体的体积比较大。 2 分成两个基本相同的光 路，光路比较复杂，也给 调节增加了不少麻烦。 3 由于需要用到原有的光谱 仪，所以在调节时，必须 要非常小心地使出射光线 对准光谱仪的狭缝。调节难度大。 15 图3 - 2 。转盘结构 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 4 转盘在马达带动下转动，很难保证绝对竖直，所以两个光束很难保证 以同一角度入射到狭缝，所以两束光到达c c d 面后的强度分布很难 保证一致，甚至不能打到同一个点上。 基于想克服第一，第二个缺点，并尝试修正第三、四个的缺点。设计了第二 个光路。 3 2 设计二 原理图如图3 3 所示， 可以看出基本原理和设计一相同，只是这里为了方便调节，不再使用 现成的光谱仪，而是用了一块凹面光栅分光。同时也选用了焦距相对较短 16 一 ! 些查堂! ! 竺旦堡主里塞竺堂垡鲨兰 的透镜，这样的整体体积小了很多，也不需要配套的光谱仪，成本也会下 降很多。但调节中出现了和设计一相同的问题，就是前后两个时间段的光 束在c c d 面上地强度分布很不一致，调节很困难。看来问题的根源出在 转盘结构上。 3 3 设计三 基于前两个光路比较复 杂，而且在调节中发现，转盘 在转动中很难确保绝对竖直， 从而导致光线通过两个光路 后不能打到同一点，使测量的 准确性下降。在设计三中，改 变思路，让光路保持不动，面 让参考样品和待测样品按程 序的指令分刹在适当的位置 运动，如图3 - 4 所示。狭缝s n 位于透镜l 1 的焦点位置处，而l 1 的光心位于透镜l 2 的焦点处，这样，由狭缝 s 入射的光线，通过透镜l 1 和l 2 后，聚焦在l 2 的焦点a 处。而待测量的样品 和参考样品c l 和c 2 在程序控制下，由直线螺杆带动，来回地移动，先后处于 a 点，这样，c c d 就可以很方便的采集到通过参考样品和待测样品后的光强分 布。比较设计三和前面的两个设计可以发现它的优点很突出： 1 不采用转盘结构，整体结构减小了很多。最重要的是保证了光线的轨迹 始终是相同的，不会出现类似前面两个设计中出现的问题。 2 由于改变了思路，采用了单光路的结构，使得整体结构简化很多，降低 了成本，也减小了光强的衰减。 在实际使用中发现谱线出现这样的情况：在每一条谱线的中段出现向两边凸 出，使得谱线不均匀，理论上讲不是像差或者晕差现象引起的。在调试过程中发 现，这个问题主要是由于透镜的制造工艺不够好，从而引起的谱线的畸变。虽然 l7 一! 坐查兰! 型童堡主至茎兰堂垡堕壅 原理上是没问题的，但为了尽量减少由于元件制造工艺引起的误差，同时在调节 中比较感性的认识到凹面光栅的好处：入射光不需要是平行光，所以可以不用前 面的两个透镜，从而有最小化的系统设计四。 3 4 设计四 如图3 5 所示：该设计在前面的 光路中，省掉了l i 和l 2 ，充分利用 了凹面光栅的汇聚性质。这样使得整 个光路的体积更加小了，调节也更方 便。当然理论上是更好，而实际的效 果很大程度上还取决于元件特别是 透镜本身的制造工艺，这不是光路系 统设计所能解决的问题。 选用设计四，使得整个结构更加 简洁，加上控制电路之后，系统更加 n 。一 一吣r a t t 文 紧凑。对于光路的调节要求也更加高了：既不髓让光襁角度过小，使得0 级光进 入c c d ，这样会使背景光太强，影响分辨；也不能转动角度过大，从而引入高次 衍射光，应起错误判断；同时还要注意不能让光栅面有个微小的仰角或者俯角， 这样出现用眼睛看比用c c d 观察效果还好的假相。 当然，设计四也不是完美无缺的：由于马达转动一圈，直线螺杆只发生很小 的一段位移，如果样品池放置得的间隔太小，会导致光束同时射在参考物和待测 物上面，这样明显影响实验结果；因此实验中，必须保持比较大的样品池距离， 这样就使得两次测量之间的时闯间隔檑对比较大，不像设计一和设计二那样，可 以很好的调节时间间隔。虽然如此，但这种设计能很好的克服前面设计的主要问 题，所以我们选用它。 l8 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 3 5 整体设计和设计效果 设计后的整体情况，如图3 6 所示。而利用该装置拍摄的光谱如图3 7 所示。这是汞灯的发射光谱的一部分，从图像中可以很清楚地看到，5 7 6 n m 和 5 7 8 n m 的双黄线已经很清晰的分开了，说明前面的光路设计和整体结构设计是基 本合理的，可以得到比较精确的光谱图像。 暖t 簟黪螺掏圈 19 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 第四章：控制电路及其单片机控制程序的设计 4 i 预备知识 4 i i 单片机控制基本知识 单片机和一般的微机一样，具有中央处理器，输入输出接口和适当容量的存 储器等三大部分，其结构如图4 l 所示。它同一般的微机系统不同之处在于它 把各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各个芯片之间的 连线，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。不同的单片机，具有完全不同的 内部结构和指令系统，本系统使用的单片机是m s c 5 1 系列单片机。下面简单介 绍下5 i 系列单片机的特点。 厂二二i 一 l 圉4 1 所示为m s c - - 5 1 系列单片机的内部结构示意图，从图中可以看出单 2 o 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 片机和一般微机具有相似的功能模块。同一系列的单片机也可以采用不同的封装 形式。图4 2 所示的是在系统中用到的单片机的封装形式。可以看到它是4 0 引 脚的形式，有4 个可以按位控制的双向i o 口p 0 p 3 。一个串行输入引脚r x d 和一个串行输出引脚t x d 。本系统中用p o 口、p 2 口和串行口作为控制信号通 道，当把p 0 口做通用输出时，输出级是开漏电路，在驱动n m o s 或者其他拉电 流负载时，只有外接上拉电阻，才有高电平输出；做地址，数据总线时，无需外 接电阻，此时不能再作i o 口使用。下面分别介绍论文中用到的各个硬件部分。 4 1 1 1 串行口及其串行通讯电路 m s c 5 1 系列单片机有一个串行 输出引脚，一个串行输入引脚，但它 们共用同个存储器，所以我们说它 只有一个串行输入输出口。它的结构 如图4 3 所示，从图中可以看出， 串行口主要由一个输入移位寄存器 和两个数据缓冲寄存器构成，另外还 有一个串行控制寄存器s c o n 和一 个波特率发生器t 1 。接收和发送缓 冲寄存器占用同一个地址9 9 h 。 p 1 t e s t ，抒n 姗乃 t x dp 3 1 j 盯0p 3 i ，r ip 3 3 t o 玛 工l p 35 n 均8 衄柏t 玎地 i t 棚 v c c 阳d 图4 2 ：| s c - 5 1 的d i p 弓j 脚 在通信时，外部数据通过r x d 引脚输入，为了防止第一帧数据还没有被c p u 读走，第二帧数据又输入了，造 成数据重叠，采用了双缓冲结构。先送入移位寄存器中，再送至u 接收寄存器中。 而输出时候，由于是单片机主动输出数据，所以没必要使用双缓冲寄存器，5 1 系列串行通信口可以通过编程实现4 中工作方式，3 种帧格式，这里不作具体介 绍。 4 1 。1 2 单片机的中断系统 2l 乒 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 5 1 系列有5 个中断源，分别是2 个外部中断源丽石( p 3 2 ) ：g l 两亓( p 3 3 ) 2 个片内定时器t o 和t 1 的溢出中断 t f 0 ( t c o n 5 ) 和 t f l ( t c o n 7 1 。1 个片内串行口接 收或者发送中断 源r i ( s c o n 0 或( s c o n 1 ) 。与 中断有关的特殊 功能寄存器有4 个，分别为中断源 寄存器( 即t c o n 和s c o n 的相关位) 、中断允许控制寄存器m 和中断优先控 制寄存器i p 。其中断系统图如图4 4 所示， 图4 4 ，中断系统 图中各中断标志位的设置对于中断系统是否能正常地工作至关重要。各个标 志位的设置即可以分别按位设置，也可以按照寄存器设置。各标志位所在的寄存 器及其功能如表4 一l 所示。其中t m o d 寄存器与中断无直接关系，但是单片机 的各种工作方式都与它相关，所以这里将它列出，作为参考。其中每一个标志位 的作用在关于单片机的书籍中都有比较详细的介绍，这里不详述。 22 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 表4 1 ：各重要寄存器标志位示意 寄存器名各标志位 t m o dg a t em 1m og 蛆1 em 1m 0 c 丁c r t c o nt f lt r lt f 0t r oi e lr r li e 0i t o s c o ns m os m ls m 2r e nt b 8r b 8t i r i p c a ns m o dg f l( f op di d l i ee ae se t le x l e t oe x o i pp s lp t lp x lp t op x o m s c - - 5 1 系列单片机对中断采用的是矢量地址的处理方法，这种方法实质 是硬件查询，如果中断条件满足，且不存在中断阻断的情况，则c p u 响应中断。 此时，中断系统通过硬件生成长调用指令( l c a l l ) ，此指令自动把断点地址压 入堆栈保护( 但不保护状态寄存器p s w 和其他寄存器的内容) ，然后把对应的中 断入口装入程序计数器p c ，使得程序转向该中断入口地址，执行中断服务。m s c - - 5 1 系列各中断源和与之对应的入口地址是硬件预制的，分配如下： 中断源入口地址 外部中断0 0 0 0 3 h 定时器t o 0 0 0 b h 外部中断1 0 0 1 3 h 定时器t 1 0 0 1 b h 串口中断0 0 2 3 h 从上面可以看到，各个中断入口地址之间间隔很小，不容易放下一般的中断 服务程序，所以一般我们在中断服务入口地址放一条绝对跳转指令，跳到我们自 己安排的中服务程序地址处去。 4 1 2r s 一2 3 2 标准和串口通用芯片 r s 一2 3 2 c 标准最初是为远程通信连接数据终端设备d t e ( d a t at e r m i n a l e q u i p m e n t ) 与数据通信设备d c e ( d a t ac o g m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 而制定的。 23 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借 来用于计算机与终端或外设之间的近端连接标准。 e i a r s 一2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能做了如下规定： 在t x d 和r x d 上：逻辑1 ( m a r k ) = 一3 v 一1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) - - + 3 + 1 5 v 在r t s 、c t s 、b s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 一3 v 一1 5 v 可见对于数据( 信息码) ：逻辑“l ”( 传号) 的电平低于一3 v ，逻辑“0 ” ( 空号) 的电平高于+ 3 v ：对于控制信号：接通状态( 0 n ) 即信号有效的电平高 于+ 3 v ，断开状态( 0 f f ) 即信号无效的电平低于一3 v ，也就是当传输电平的绝对值 大于3 v 时，电路可以有效地检查出来，介于一3 + 3 v 之间的电压无意义，低于 - 1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无意义。因此，实际工作时，应保证电平在( 3 1 5 ) v 之间。 显然上面的r s c 一2 3 2 的标准和t t l 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因 此，为了能够同计算机接口或终端的t t l 器件连接，必须在e i a - r s 一2 3 2 c 与t t l 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。通用的串口通讯芯片如m a x 2 3 2 ，r s 2 3 2 ， m c l 4 8 8 ，m c l 4 8 9 等。在本系统的设计中，使用的是m a x 2 3 2 a 。它的引脚和基本电 路如图4 5 所示，为了稳定，在系统设计中还在电源和地之间加了个0 1 u f 的 小电容。如果使用r s 2 3 2 芯片组，只需要把l o u f 的电容换成l u f 就可以了。单 片机和计算机的串行口连接有d b 2 5 和d b 9 两种方式，这里把d b 9 和d b 2 5 的引脚 都画出来，如图4 6 所示，作为参考，具体各个引脚的物理和逻辑规定在很多 书籍都有。系统中我们使用d b 9 的方式。 24 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 图q - 5 。i 戤2 3 2 引脚及电路圈 4 1 3 步进电机 4 1 3 i 步迸电机概述 船招 嚣g 砌d t r t i d d t rr 1 d d c d r f c 。r s 盯s 嗽 i b - g 图4 5 t 串行连接口 步进电机是一种把电脉冲转换成角位移的电气枧械。其转子的转角与输入脉 冲数目成正比，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的 方向转动一个固定的角度( 称为“步距角 ) 。转子的转速与单位时间内的脉冲数目 成正比，而转子的转向取决于脉冲的顺序。 4 1 3 2 步进电机的参数和特点 步进电机的一些基本参数主要有： 1 电机固有步距角 它表示控制系统一个脉冲能够驱动电机转动的角度。电机出厂时给出了一个 步距角的值，比如本系统中用到的k p 3 9 玎2 0 2 5 型电机给出的值为0 9 。i 8 。 ( 表示半步工作时为0 , 9 。、整步工作时为1 8 。) ，这个步距角可以称之为“电机 固有步距角”。它不一定是电机实际工作时的实际步距角，实际的步距角和驱动 器有关。步距角和步进电机的转予齿数和拍数都有关，关系为： 25 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 口：害竺二- ，其中z ，是转子齿数，m 是拍数。 z ， 2 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0 9 。1 8 。、三相 的为0 7 5 。1 5 。、五相的为0 3 6 。o 7 2 。 3 保持转矩( h o l d i n gt o r q u e ) 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重 要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输 出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转 矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2 n m 的步进电机， 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2 n m 的步进电机。 4 d e t e n t t o r q u e 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电 机的转子不是永磁材料，所以它没有d e t e n tt o r q u e 。 步进电机的一些特点： 1 一般步进电机的精度为步进角的3 - 5 ，且不累积。所以步进电机在 现代在现代高精度位置控制中应用非常广泛。 2 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高， 反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率( 或速度) 的增大而相电流减小， 从而导致力矩下降。 3 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫 声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正 常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步 或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉 冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 ( 电机转速从低速升到高速) 。 26 中山大学2 0 0 4 届硕士研究生学位论文 4 1 3 3 步进电机的工作方式 步进电机可以按照单拍式、双拍式、单双拍式的工作方式工作。比如四相式 电机，可以按照a b c d a a b b c c d d a ，a - - a b - - b - - b c c c d d d a a 三种方式工作，分别叫单四相四拍、双四相四拍、四相八拍。 本系统中采用的是四相八拍的工作方式，驱动脉冲对应的十六进制数为：f e h f c h f d h f 9 h f b h f 3 h f 7 h f 6 i - i f e h 。为了避免感性电路对信号的 反馈，造成单片机的损坏，在系统中使用了光电耦合器。同样的工作方式，光电 耦合的方式不同，所以指令也会不同。本系统中使用的是反相耦合方式，所以输 出0 电位驱动电机。 4 1 。3 4 步进电机的驱动 由于驱动信号一般都是由单片机直接或 者再经细分驱动器产生，一方面可能电压不够 大，另一方面驱动能力也很有限，所以需要用 功放将驱动信号放大，提供足够的能力来驱动 步进电机。 按照电漉流经电机转子的方向可以分为 单极性驱动和双极性驱动两种驱动方式，如图图4 7 ：步进电驱动方