数字分光计设计

刘应传，熊小民，蒲波，李广（.南华大学 数理学院，湖南 衡阳400；.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳400）

数字分光计设计

刘应传1，熊小民1，蒲波2，李广1
（1.南华大学 数理学院，湖南 衡阳421001；2.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳421001）

传统的分光计测量操作繁复，观察不直观，为此本文利用光电编码技术、辩向技术、单片机技术、CCD传感技术，对其进行改造：首先，利用刻度盘的转动带动光电编码器计数，再将计数信号输入单片机程序进行运算，结果输出到液晶屏上，实时地显示出转过的角度，使角度测量简单而准确；其次，在观察镜筒前加装CCD摄像头，将镜筒内视野放大并显示在电子屏幕上，直观地展示出实验现象。改进后的分光计具有数字式角度测量，并能实时显示观察视野的新功能。

光电编码技术；辩向技术；单片机；数字式测量

分光计是一种精密的光学仪器［1］，用途非常广泛，如可以用来分析光谱、勘探、测试土壤等，甚至还可以用于建筑。此外它还能精确测量光学平面的夹角。在大学物理实验中，常用来测三棱镜的顶角、折射率以及光波波长或者光栅常数等物理量。但现有的分光计有3个缺点：1）学生在实验过程中，必须捂住一只眼睛，让另一只眼睛对着镜筒，进行长时间反复地调节。这样会造成用眼疲劳，而且操作十分不便。2）教师在教学演示时，只能用语言去描述镜筒内的情况，无法让学生形成直观认识，导致教师在演示完之后，学生还是不知道如何动手去进行调节。3）测量角度需要从刻度盘上直接读取，对于初次接触本仪器的学生来说，这样费时费力，还容易产生误差。基于以上缺点，文中利用51单片机，采用数字电子技术对传统的机械式分光计进行改造，来解决上述问题。

具体方案：在机械式分光计游标盘下加一个齿轮盘，带动光电编码器计数。光电编码器输出两路相位相差为90度的方波信号，送入比较器，然后输入单片机进行一系列程序运算，最后输出在小型液晶显示器上，显示出转过的角度。对于观测图像的显示，可在望远镜目镜前加一个CCD传感器，通过液晶显示器显示出来。

1　数字分光计组成

文中设计的数字分光计由3部分组成：机械部分、数字测量部分和图像显示部分。其中机械部分与传统分光计基本相同（对其简单机械加工即可），本文不再详述。数字测量与图像显示系统是创新的部分，它们主要由阶梯稳压电源，CCD传感器、小型液晶显示器、比较器、单稳态触发器、与非门控制电路、光电编码器、CH340、STC89S52RC单片机［2］组成，系统框图和角度测量系统电路图分别如图1、图2（已略去电源、单片机与液晶显示器）所示。

1.1阶梯电源

阶梯电源［3］是由电源变压器、桥式整流、LM7815、LM7812、LM7805三端稳压电源构成的。220 V交流电源通过小型变压器，把220 V交流电压降到交流有效值18 V，再通过桥式整流进行全波整流，通过滤波电路，得到21.6 V的直流平均电压，该电压加到三端稳压块LM7815输入端，中间LM7812三端稳压块12V输出，此电压分四路，一路送给CCD传感器，第二路供给LM339比较器，第三路供给光电编码器；第四路供给LM7805三端稳压块。LM7805输出的电压作为NE556双稳态电路、方向控制电路和STC89C52RC单片机整机输入电压。

1.2光电编码器与辩向电路

光电编码器采用的是GHS38系列光栅光电编码器，它是一个整体装置，具体结构本文不再详述。当光电编码器的转轴转动时，可以产生两路相位差为90°的方波A和B，但其正转时A脉冲超前B脉冲90°，反转时滞后90°，具体的波形图如图3所示。

图1　数显分光计系统框图

图2　角度测量系统电路图

图3　辩向器时序图

辩向电路［4］由LM339比较器［5］和NE556单稳态电路组成，上面是该辩向电路的各点波形。电路工作原理：光电编码器输出两路相位差为90°的方波A、B，然后送到LM339第5脚和7脚。5脚电压与LM339第4脚电压进行比较，如果超出4脚电压，比较器2脚就输出正跳变电压，如果低于4脚电压，就输出负跳变电压。同理，7脚电压与LM339第6脚电压进行比较，如果超出6脚电压，比较器1脚就输出正跳变电压，如果低于6脚电压，1脚就输出负跳变电压。

LM339芯片2脚输出的波形，如上图A波形图所示，在a点分成两路，一路通过C5R8微分电路加到556的第6脚；一路通过U1与非门倒相，得到C波形；C波形通过C9和R11微分电路，产生负向的微分尖脉冲Y，负向的微分尖脉冲Y触发556的第8脚；NE556采用的是单稳态接法，在接通电源的瞬间，由于接在第10脚C12电容器电压不能突变，所以第10脚初始值为零，随后电源电压通过电阻R13对C12电容充电，该零电压对556进行强制复位，所以该脚称为强制复位端，强制复位可使556的第9脚和第13脚初始电平为零电平，如果这时第8脚无负向触发微分信号输入，那么NE556单稳态［6］就一直保持第9脚和第13脚为低电平，556第13脚内部三极管处于灌电流状态。当此时有微分信号输入时，单稳态第9脚就输出高电平，同时第13脚开路，根据一阶电路三要素原则，脉冲宽度，由R11C10时间常数决定，在恒定输入直流电源作用下，电路内的物理过程实质上是电容动态储能从无到有的增长过程。因此对R11C10电路来说，随着电容储能的增长，电容电压也在增长，当充到电源电压的2/3时，556立即复位，第9脚完成一个脉冲输出，从而周而复始输出E脉冲。

现在再讨论A波形通过C5R8加到556第6脚的情况：A波形通过C5和R8微分电路，产生正向的微分波是不能触发单稳态NE556的，只有产生负向的微分尖脉冲Z，才能对556进行触发。微分尖脉冲Z触发NE556的第6脚，556采用的是单稳态接法，在接通电源的瞬间，由于接在第4脚C8电容器电压不能突变，所以第4脚初始值为零，随后电源电压通过电阻R10对C8电容充电，该零电压对556进行强制复位，所以该脚称为强制复位端，强制复位可使556的第5脚和第1脚初始电平为零电平，如果这时第6脚无负向触发微分信号输入，那么556单稳态就一直保持第5脚和第1脚为低电平，556第1脚内部三极管处于灌电流状态。当此时有负向微分信号输入时，单稳态第5脚就输出高电平，第1脚开路。根据一阶电路三要素原则，脉冲宽度，由R9C6时间常数决定，在恒定输入直流电源作用下，电路内的物理过程实质上是电容动态储能从无到有的增长过程。因此对R9C6电路来说，随着电容储能的增长，电容电压也在增长，当充到电源电压的2/3时，556立即复位，第5脚完成一个脉冲输出，从而周而复始输出D脉冲。

现在我们再来看上图的时序波形，当D脉冲落在B脉冲高电平时，就会有F负向脉冲输出。同理当E脉冲落在B脉冲高电平时，就会有G负向脉冲输出。U2和U3是与非门电路，只有当B脉冲为高电平条件成立时，与非门才是打开的，D脉冲和E脉冲才能通过，由于A脉冲与B脉冲在相位上不是超前90°，就是落后90°，所以B脉冲在高电平期间，不是G脉冲输出，就是F脉冲输出。当A脉冲超前B脉冲90°，就输出F负脉冲，当A脉冲滞后B脉冲90°就输出G负脉冲。

综上所述，由输出的F负脉冲或G负脉冲，可以判断光电编码器是正转还是反转。通过一系列后续电路处理，再变换成不同方向的两种负脉冲输出，为后续单片机采样计数提供了信号源。这样，我们可以把转盘光电编码器通过光电转换送来的脉冲进行计数，然后就可以显示出正转和反转的角度值。

1.3单片机与外围电路

本方案利用单片机STC89S52来进行数据处理，12864液晶显示器来显示，按键1、2、3、4来进行控制。其中按键1对应于单片机的P1.7脚，按键2对应于P1.6脚，按键3对应于P1.5脚，按键4对应于P1.4脚。12864的数据输入由单片机P0口输出。RS为液晶显示器的第4脚，是数据/命令寄存器选择输入端，由单片机的P2.7脚控制。液晶显示器的第6脚的使能控制EN端，由单片机的P2.6脚控制。液晶显示器的第15脚串/并方式控制PSB端，由单片机的P3.4脚控制。液晶显示器的第17脚复位RST端，由单片机的P3.5脚控制。同时辩向器输出的计数脉冲由单片机接收，采用外部中断0和外部中断1。外部中断0由单片机的P3.2脚接收，接收74LS38第8脚的g脉冲。外部中断1由单片机的P3.3脚接收，接收74LS38第6脚的f脉冲。通过单片机程序运算后，在12864液晶显示器上显示出转过的角度。

2　软件设计

整个程序从主函数main（）进入，对整个程序初始化，然后通过对12 864液晶的配置，显示：“分光计实验，物理实验室，南华大学”。通过延时函数延时五秒，进入主界面。主界面上有“测量”与“上传”两个选项。通过对键盘的扫描看是否有按键按下，按键是否在相应测试项目按下，如果没有按键按下则不断的扫描，直至有按键按下。

当按下按键1时，光标左移；按下按键2时，光标右移；按下按键3时，确认进入该菜单；按下按键4时返回。当按键在“测量”选项按下时，进入测量界面。在测量界面中通过对外部中断，判断是否有脉冲的下降沿，如果有下降沿，计数下降沿的个数，并通过对12864的配置，让其显示出转过的角度。当按键在“上传”选项按下时，进入上传界面，通过对串口的配置，将测量界面的测量数据上传到上位机电脑［7-8］。

3　图像显示系统

为了直观地展示出分光计望远镜筒内的视野，可在其前面安装一个CCD摄像头，连接到一块小型彩色液晶显示屏上，便可将图像显示出来。原理简单，难点在于摄像头与望远镜的连接固定，及摄像头镜头焦距的近化改造（以适应超微距拍摄）。具体操作文中不再详述。

4　结束语

传统的分光计观察不直观，测量不方便，操作繁琐。通过上述数字化改造，转动刻度盘即可轻松得到刻度盘转过的角度，精度可达到1分（具体精度与编码器有关），操作大大简化。传统的分光计无法进行教学演示，一般情况下，上课教师只能用摄像头加电脑来进行演示。我们的方案不需要电脑也能直观展示出图像，方便而且经济。使用时不需要制造一台全新的分光计，只需对传统分光计进行简单机械改造，再装上角度测量与图像显示系统即可。仪器简洁，经济实惠，将改变分光计实验教学的现状。

［1］饶益花.大学物理实验［M］.北京：人民邮电出版社，2015.

［2］佘永全.单片机应用系统的功率接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1992.

［3］周仲.集成电路应用［M］.北京：电子工业出版社，1988.

［4］懂景新，赵长德.机电一体化系统设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［5］朱鸿鹗.显示器电路原理与维修［M］.北京：电子工业出版社，1992.

［6］陈永甫.555集成电路应用800例［M］.北京：电子工业出版社，1992.

［7］王利民，吴平，孙旭，等.远程控制的多路数字延迟脉冲发生器［J］.现代应用物理，2013（4）：339-342.

［8］乔瑞芳.基于单片机和计算机的多媒体抢答器设计［J］.电子科技，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稿件编号：201509020

衡阳市科技局项目（2014KJ02）

刘应传（1980—），男，湖南隆回人，硕士，实验师。研究方向：光学。