基于单片机的弱荧光测量仪系统设计

林旭东

（福建信息职业技术学院，福建福州，350003）

基于单片机的弱荧光测量仪系统设计

林旭东

（福建信息职业技术学院，福建福州，350003）

本文通过简要分析直流程控增益放大器的原理,介绍了一种采用单片机AT89C51为主控制器的弱荧光测量仪系统设计方案，具有功耗低、精度较高、操作方便等特点。

弱荧光；单片机；程控增益

0 引言

当紫外线照射到某种物质的时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外线停止照射时，这种光线也随之很快的消失，我们称这种光线为荧光。由于荧光的特性，它被广泛地应用于工业、农业、环境科学、食品科学和检验检疫等各个领域中。与常规信号相比，弱荧光发光亮度信号极为微弱，为此信号的检测、变换和放大等是电路设计的重点。

1 系统总体方案设计

本测量仪以单片机AT89C51为控制核心，主要有光电转换和前置放大、D/A程控增益放大器、A/D转换等模块电路组成。系统的总体设计框图如下图1所示。

图1 系统总体设计框图

当激发光源照射荧光样品，后者由于吸收光辐射后开始发光，我们的测试工作也由此开始。精密设计的光学系统实现了对光辐射能量的收集，其中探测器采用光电倍增管，它噪声低、响应快、可探测微弱的光信号，与滤色片等配合可将光信号转换成电流信号，电流信号经过电流－电压变换和进一步的电压放大，其中放大电路部分利用了直流程控增益放大器原理,同时微机还可根据AD转换数值大小判断是否进行量程切换，以进一步保证精度要求。此外，微机也实现所测试的衰减曲线在液晶模块上的显示以及PC上的数据处理。

2 系统主要硬件设计

2.1 光电转换和前置放大电路设计

本系统中采用光电倍增管作为光电探测器，型号为R456，直流电信号从其阳极输出，但极为微弱，最小量程为nA级。为此，本系统放大电路采用集成运放多级放大器来实现。第一级前置放大电路为电流一电压转换,因光电倍增管的输出电流很微弱，一方面为了精度要求，我们应重点考虑零点漂移问题，这里可选择仪用放大器，因其具有高共模抑制比、低输入失调电压、低失调电流误差、可用单电阻实现增益大范围调节等优点；另一方面因我们测试的亮度信号存在好几个数量级的差别，为保证测量精度要求，可选用CMOs模拟开关进行量程的切换，分4个不同的等级；第二级放大电路是一个电压放大器，其主要任务是与后面的D/A程控衰减器配合将电路的总输出调整到适合模/数转换器的输入电压范围,这里我们可采用OP07集成运放构成。

2.2 D/A转换电路设计

D/A转换器我们采用的是DAC0832芯片，此时，这里的DAC0832数模转换器相当于一个可变增益的衰减器，因为DAC0832内部可看成是一个R-2R电阻网络如图2所示，这时从Vi端往里看，其等效电阻都为R，故运放的输出电压为因此，考虑将R～2R电阻网络引入到增益可控放大器中，REFV 端作为信号的输入端，1OUTI 和2OUTI 仍分别接运放的反相和同相输入端，而运放的输出从fbR 端反馈，此时与前级放大器配合就可构成一个程控增益放大器。该电路由DAC0832和LM741组成基本的电路，由上图的接法可得出其增益：

图2 DAC0832内部的电阻网络原理图

D=0相当于放大器短路；D=1衰减为1/256；D=256衰减最大。因此可以通过给DAC0832送入不同的数字量D来改变放大器的增益，再与前级的放大器相配合，就构成一个直流程控增益放大器如图3，这样可使输出的模拟电压信号适合于模数转换器的电压范围。为此，我们就解决了以往所采用的单一增益放大，由于测控信号的范围较宽，很难在各种情况下都使电压信号匹配，造成较大测量误差的问题。此外，前级运放放大器的放大倍数的适当选取是在单片机的算法控制下实现的，在用户预置的放大倍数有多种设定方式时，模拟开关动作的原则是：选择最小的前级放大倍数和相应最小的后级衰减方式，这样的选择可使由放大器和衰减器引起的误差最小。

图3 直流程控增益放大流程图

2.3 数控微分电路

本电路主要由二阶有源滤波电路和微分电路组成，其主要作用在于提高滤波质量和较好解决谱带重叠问题。

2.4 A/D转换电路设计

根据系统设计精度的要求，A/D转换器我们可采用AD574A芯片，这是一款快速12位逐次比较式模数转换器，转换后的12位数字量数据可以分两次读出,先读取高8位,再读取低4位，且其有片内时钟,故不需外加时钟信号。AD574输出带有三态控制,故其输出可以直接挂接在数据总线上。同时,AD的输入模拟量程0-1OV, 0-20V、-1OV-+10V, -5V一+5V四种，这里我们选用0-1OV量程。而且，它转换速度快，并可以进行多次采样、滤波，这保证了系统的精度。

2.5 液晶显示电路设计

本系统采用的是晶汉达电子的JHD240128A系列点阵液晶显示模块，与单片机89C51的接口可采用直接访问方式，就是把内置T6963C控制器的液晶显示模块作为存储器I/O设备直接挂在计算机的总线上。

2.6 RS-232串行通讯设计

本系统采用RS-232C的串口异步通信，硬件接口简单，可用常规接法：只需插座的2脚、3脚和芯片13脚、14脚与相连，再把插座第5脚接地即可。

在整个电路制作过程中，考虑到荧光亮度信号微弱的特点，为保证系统精度的要求，需特别注意电路的电磁屏蔽问题、以及模拟电路和数字电路的地应分开等事项。

3 结束语

本弱荧光测量仪基于D/A程控增益放大器原理进行模块化设计，并采用单片机控制，具有结构简单、成本低、操作方便等特点。但受限传统元器件和一般硬件开发工具，精度的要求还可进一步的提升。

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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

林旭东（1982-），男，福建莆田人，讲师，硕士，研究方向电子与通信工程。