主题：【原创】上海精科723完整硬件电路

第二章     仪器性能指标



仪器的特点：

1. 采用微机控制，实现自动扫描记录功能，波长设定及驱动由微机带动步进电机自动设定。
2. 比色皿架四个槽位单独调零功能，直接扣除比色皿的配对误差。
3. 带有一台四色绘图仪，有黑、兰、绿、红四色。

第三章        整机工作原理

第一节    仪器工作过程

一。仪器工作过程


仪器由光源、单色器、样品室、前置放大器、VFC电压/频率转换器及微计算机系统组成。其中，微计算机系统主要由微处理器、外部设备键盘、LED数显和打印机组成。
    仪器开机点亮光源（卤钨灯），微处理器8031执行程序存储器中的波长自动定位程序，由8155 输出步进脉冲给MC1413驱动器，MC1413驱动步进电机快速返回仪器波长起始位置（由光电断续器装置定位），8031控制步进电机正转寻找0级光。当在400步内找到零级光能量设定值时，有微处理器控制快速驱动到波长320nm处，并开始执行100%线校正。
    100%线每1nm校正一点。由于光源在不同波长时其能量辐射不一样，因此必须通过控制前置放大器的增益来使仪器的能量达到统一。单色光通过样品室(比色皿架位置置参比槽"R")经光电管光电转换成电信号，通过微处理器控制的前置放大器按一定倍率进行放大，此信号由电压/频率转换器(VFC)转换成频率信号送8031微处理器完成A/D转换，每变换1nm波长，微处理器则根据接收到的信号来控制前置放大器的增益，以达到自动增益控制(A.G.C)，这样，便使仪器完成从320nm~820nm波长范围自动调整100%基线，并存储在数据存储器6264内。100%线校正完毕，仪器波长自动快速返回到500nm处等待。

第二节    仪器光路系统



仪器采用光栅自准式色散系统和单光束结构光路。

    卤钨灯发出的连续辐射经截止滤光片组选择、聚光镜聚光后经自动光门投向单色器入射狭缝，此狭缝正好处于聚光镜及单色器内准直镜的焦平面上，因此进入单色器的复色光通过平面反射镜反射及准直镜准直变成平行光射向色散元件光栅，光栅将入射的复色光通过衍射形成按照一定顺序均匀排列的连续单色光谱，此单色光谱重新回到准直镜上。由于仪器出射狭缝设置在准直镜的焦平面上，这样，从光栅色散出来的光谱经准直镜聚光后成像在出射狭缝上，出射狭缝选出固定带宽的单色光通过聚光镜落在试样室被测样品中心，样品吸收后透射的光经光门射向光电管阴极面，经光电转换，进入电子系统进行处理。
    图6.3.2中的保护玻璃是为防止灰尘进入单色器而设，与原理无关。

第三节    单色器介绍



图6.3.3中的光栅采用1200条/mm的复制平面光栅。光栅固定在光栅滑动底座上，光栅滑动底座与扇形齿轮连接。通过光栅架后的三个螺钉可改变光栅色散光的位置。由于光栅色散是线性的，因此可采用线性传动机构使匀排光谱照射在出射狭缝上。

一。波长传动机构
       
    波长传动机构包括步进电机，步进电机小齿轮（固定在在步进电机转动轴上，图中未画出），波长驱动大齿轮（与图中圆柱齿轮同轴，图中未画出），及扇形齿轮。步进电机由微处理器控制步进，步进电机带动固定在步进电机轴上的小齿轮，小齿轮带动波长驱动大齿轮，由于圆柱齿轮和波长驱动大齿轮同轴，圆柱齿轮转动，通过扇形齿轮跟圆柱齿轮的啮合，是光栅转动，以改变仪器出射单色光的波长值。
    另外，在单色器外由波长驱动大齿轮转盘、滑轮及尼龙绳组成一套波长联动机构，滑轮上的齿轮与截止滤光片组转动轴上的齿轮啮合，使波长值与截止滤光片组同步。

注：有些仪器滤光片组由单独的步进电机驱动，这里是用尼龙绳组成的联动机构。

二。光电断续器装置及波长限位微动开关

    光电断续器装置安装在单色器内，光电断续器挡光片则通过二个螺丝定位在扇形齿轮上。步进电机通过波长传动机构使光栅转动，当扇形齿轮上的挡光片遮住发光二极管的光时，光敏三极管输出变化，此变化信号由微处理器检测到，此时，微处理器判定光栅已转到波长起点位置。
    当由于机械振动，使挡光片位置变动，而使微处理器检测不到波长起点位置时（此时仪器会提示波长初始化错误或找不到零级光），可以适当调整挡光片的位置。
    波长限位微动开关安装位置如图6.3.3，当波长驱动超出仪器极限波长位置时，扇形齿轮使微动开关动作，自动切断步进电机电源，从而达到长限的目的。



三。其他一些构件介绍

1.狭缝
  仪器的入射狭缝和出射狭缝采用宽度为0.9mm的等宽度固定狭缝，仪器的单色光半宽度为6nm。狭缝组件通过二个螺丝固定在单色器暗盒上，由于入射狭缝与出射狭缝不在同一个平面，减少了杂散光。

2.准直镜组件
准直镜组件背部的螺钉如下图



通过调整三个精密调节螺钉，将由平面小反射镜反射的入射光变为平行光照在光栅上，同时又将经光栅色散后的光谱聚焦于出射狭缝上。

第四章        仪器各个部份工作过程

第一节    仪器如何定位波长起始点



    当波长驱动步进电机快速返回波长起点时，图6.4.1中的零级光斑和出射狭缝相切，此时波长转动扇形齿轮上的挡光片切断光电耦合器的光路，光电耦合器输出(图6.4.2中的Detect_0order信号)低电平(0.5~1V)，此信号经8155送到微处理器8031，8031认为检测到了波长起点位置，微处理器控制步进电机单步正转寻找零级光。



第二节    仪器如何定位波长

    仪器进行波长定位，必须先找到零级光，在确定了零级光后，根据光栅光谱的特性，其他谱线的位置就可以确定了。
    仪器在找到波长起始点后，开始寻找零级光。微处理器对步进电机的控制电路如图6.4.3。
如图6.4.3所示，步进电机的电源是通过单色器内的波长长限微动开关由24V电源供给的。当单色器内的扇形齿轮触动微动开关时，微动开关（图6.4.3中的SW4）断开，步进电机停止转动。

注: 这个设计可能有点问题，因为此时步进电机虽然停止了转动，但是由于微动开关一直处于断开状态，步进电机也不能再工作，微处理器也控制不了步进电机，波长传动机构处于“死机”状态，只能打开机盖手动调节了。



步进电机由微处理器控制，单步正转寻找零级光，当大约在400步内找到大于零级光能量设定值时（图6.4.4，约4V左右，电压/频率转换器输出频率对应的电压，从图6.4.4可以看出，零级能量分布图有个峰值，可以根据此峰值确定零级光中心线位置），微处理器根据零级光光谱的对称特性进行步数计数，确定步进电机从波长起始位置到零级光处的起始步数。由于光栅光谱中一级光谱中的各个谱线和零级光光能量最大处的间距固定（如图6.4.1中零级光中心线和290nm谱线的间距）。从而，在确定了零级光起始步数后，以零级光为起步，步进电机由微处理器输出与波长正弦关系（由光栅方程可知是正弦关系）的脉冲步进数，每步进1步约0.1nm，微处理器则以0.1nm为单位进行步数记忆，一级光谱各个谱线对应的步进数存储在数据存储器6264中，从而实现仪器全波长的波长自动定位。

注：由于波长定位的步进数存储在SRAM中，关机后，RAM中的数据丢失所以每次开机后，得重新进行波长定位。

第三节    仪器如何全波长自动调整100%基线 


    仪器在确定了光栅光谱1级光谱各个谱线的步进数（各个谱线的位置）后，开始执行100%线校正。100%线每1nm校正一点。•
    由于光源、光栅、反射镜、光电管光谱灵敏度的影响使仪器光谱能量分布存在很大差异，为了是在各个波长情况下仪器的能量达到平衡及实现阻抗变换，仪器设置了阻抗转换级与自动增益控制级组成的前置放大级。


一。阻抗转换级

    由于光电管的内阻高达几百MΩ,所以用高输入阻抗运算放大器CA3140(输入阻抗高达1.5TΩ)接成一电压跟随器，以变换光电管的高输出阻抗，实现阻抗匹配，如图6.4.5。CA3140在酸度计中也用的非常普遍，PH电极由于高输出阻抗，所以电路前级也必须进行阻抗转换。



二。自动增益控制

    自动增益控制由运算放大器OP07，集成模拟开关4051组成。经上面阻抗匹配电路输出的信号，送到增益放大器OP07进行放大，给A/D转换器提供合适的输入电压。
    OP07作为放大环节，其闭环输入电阻及反馈电阻由R10~R15复合组成，如图6.4.6。通过模拟开关4051的不同开、关状态，得到6组不同的输入电阻及反馈电阻，开关档位越高其分压越大，反馈量越小，增益越大（见图6.4.6中4051状态逻辑真值表），控制开关档位就达到了自动增益控制。模拟开关4051的选择端A、B、C由微处理器8031的P1.4、P1.5、P1.6输出控制。



    微处理器根据仪器在每个波长条件下测定经V/F转换后的能量判断是否达到一限定值，如能量太小，增益控制器就加大倍率，从K1级到K6级，当测得能量值太大时，就减小倍率值，从K6到K1逐级降低，从而达到自动增益控制目的，使仪器在全波长范围内100%大致相同。
    自动增益控制是在“参比“槽位完成的，当槽位为“样品”槽位时，增益不变，从而输出的T值经VFC转换后送微处理器与100%值比较，输出T%。

三。电压/频率转换级


电压/频率转换芯片VFC32的特性如图6.4.7，对应某一输入电压，就有相应大小频率的脉冲输出。



    微处理器内有两个十六位定时计数器T0和T1,仪器利用定时器T0作为精确定时，利用T1作为计数器连接VFC32的输出段Fout，如图6.4.7。微处理器每隔40ms读一次计数器，读后清零，如下表1。这样根据40ms内计数的脉冲数，就可以换算出输入电压大小。


    从表6-4-1可以看出，脉冲数越大，对应的输入电压越大，表明光电管接收的光能量越大，透过率越大。
    显然，增大8031计数的脉冲数的方法有2个，增大VFC32输出频率，表6-4-1所示；另一种是可以延长计数时间，如果我们从40ms增大到80ms呢，显然对相同的频率，脉冲数增大一倍，通过软件的方法，增大对信号的分辨率，如表6-4-2所示。增大计数时间是8031通过软件实现的，所以表6-4-2这种方法又叫软件增益。



    仪器一方面通过4051控制灵敏度倍率1~32倍，另外通过软件实现放大倍率1~8 倍，共256倍，保证仪器在全波长范围内100%大致相同。如果256倍，光能量仍不能在合适的值时，仪器判定光能量太低。

第四节    比色皿架槽位的识别


    仪器样品室内比色皿架的1个参比槽和3个试样槽位的识别是通过样品室内的相应光电耦合器的输出信号变化来实现的，如图6.4.9。



    当拉动样品室拉杆移动比色皿架，使不同槽位进入光路时，图6.4.9中的三个光电耦合器的输出信号，通过8155送入微处理器8031，8031根据R,S1,S2的状态组合，执行相应的服务程序（如表6-4-3）。



第五节    自动调零/调满度的实现

当比色皿架的参比槽位进入光路时，仪器自动调零/调满度，实现电路如图6.4.10。



    当比色皿架的参比槽位进入光路时，微处理器8031通过R,S1,S2信号检测到槽位目前是参比槽，输出图6.4.10中的P1.7信号（高电平），由于P1.7驱动能力不够，所以加了驱动芯片MC1413,MC1413输出信号Control_relay，使图6.4.1中的继电器工作，自动光门遮住入射狭缝，仪器完成自动调零功能。然后，P1.7变为低电平，继电器停止工作，自动光门回到初始位置，入射光打入入射狭缝，仪器调满度。

第六节    人机接口的实现

一。键盘按键的识别

    8031的串行口工作在方式"0"状态下，通过74LS164移位寄存器扩展8根并行输出口，作为键盘扫描列线，与微处理器8031的P1口(P1.0~P1.2)的三跟键盘扫描线组成3X8行列式键盘，如图6.4.12。
    微处理器8031送数据到74LS164使8列扫描线全为0，8031读P1.0~P1.2判断三跟信号线上是否有低电平，判断哪一行有低电平则哪一行就有按键按下，然后再判断哪一列有键按下，就可以判断出哪个按键被按下，8031根据按键执行相应的键盘服务程序。



二。打印机控制信号

    仪器使用的打印机接口是采用标准的Centronic并行接口。共使用了10根信号线。8根打印机绘图数据输出信号，2根状态信号线如图6.4. 13。8根绘图数据信号线是微处理器8031通过8155送往打印机的8根并行数据信号。忙信号BUSY，是打印机通过8155的PB0送往微处理器的状态信号，高电平为忙，打印机告诉微处理器目前不能接收8位绘图数据。选通/STROBE信号，是微处理器通过8155的PC5口送往打印机的数据选通脉冲，将8位绘图数据锁存入打印机中。

呵！厉害，对于维修工作真是极好的资料。

我看你这个整理花了很多功夫，应该可以写几篇文章了，真是用功啊。

这个仪器我们有两台，我也使用过，90年代初买的那台稳定性稍差，中期买的还可以。

是的，对维修维护有极大地帮助

确实是老仪器，专家辛苦， 学习