УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ МОНОХРОМАТОРА
DEVICE FOR CONTROLLING STEPPER MOTOR FOR MONOCHROMATOR

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизированной регистрации спектров поглощения и люминесценции.
Известен спектральный вычислительный универсальный комплекс типа КСВУ, включающий механический цифровой индикатор, микросхемы, а также транзисторные ключи и усилитель сигналов, соответственно подключенные к разъемам (Комплекс спектральный вычислительный универсальный типа КСВУ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. // Трижды ордена Ленина Ленинградское оптико-механическое объединение им. В.И.Ленина, 1984).
Известное устройство предназначено для исследования спектров в диапазоне длин волн от 200 до 2000 нм с последующей математической обработкой результатов исследования. Поставляемое с ним программное обеспечение позволяло производить сканирование спектра заданное число раз в заданном диапазоне с постоянным шагом, при этом после каждого шага производилось заданное число измерений с последующим усреднением. Исследуемый спектр накапливался в памяти вычислительного устройства с последующим выводом результатов на внешнее устройство (самописец либо дисплей). Усиление регистрируемого сигнала производилось при помощи внешних усилителей. В настоящее время, по отношению к уровню развития современных вычислительных средств и автоматизации установок для проведения исследования физических процессов, системы управления монохроматором и программное обеспечение комплексов типа КСВУ являются морально устаревшими.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем монохроматора, включающее транзисторные ключи и усилитель сигналов, соответственно подключенные к разъемам, и цифровой индикатор, дополнительно содержит микросхему-драйвер и микроконтроллер. В качестве цифрового индикатора использован электронный символьно-цифровой индикатор, подключенный к выводам цифрового порта В микроконтроллера, с первым, вторым, третьим и четвертым выводами порта С которого соединены транзисторные ключи. Микроконтроллер входом аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу усилителя сигналов, а асинхронным приемо-передатчиком - к микросхеме-драйверу, соединенной с разъемом.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления шаговым двигателем монохроматора, на фиг.2 - блок-схема установки для регистрации спектров поглощения и люминесценции, на фиг.3 - блок-схема алгоритма работы устройства, на фиг.4 - главное окно программы для взаимодействия с устройством для автоматизации спектральных измерений.
Устройство содержит микроконтроллер 1 (фиг.1), выводами цифрового порта В подключенный к электронному символьно-цифровому индикатору 2, а первым, вторым, третьим и четвертым выводами цифрового порта С - к транзисторным ключам 3, соединенным с разъемом 4. Вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1 подключен к выходу усилителя сигналов 5, соединенного с разъемом 6. Асинхронный приемопередатчик микроконтроллера 1 подключен к микросхеме-драйверу 7, соединенной с разъемом 8.
Устройство выполнено на 8-разрядном микроконтроллере ATmega8-16PI и позволяет устанавливать необходимое значение длины волны, выделяемой монохроматором, а также производить аналого-цифровое преобразование (АЦП) регистрируемого сигнала с последующей отправкой на компьютер. Устройством также предусмотрена индикация на символьно-цифровом индикаторе 2 следующих параметров работы: текущего значения длины волны; текущего значения измеренного напряжения; состояние устройства; значение скорости регистрации спектра.
Основой функциональной схемы устройства для автоматизации спектральных измерений (фиг.2) является микроконтроллер 1, в состав которого входит асинхронный приемопередатчик 10-разрядный АЦП и цифровые порты. Для согласования уровней сигналов асинхронного приемопередатчика и цифрового порта применена микросхема-драйвер 7 последовательного порта персонального компьютера. Устройство подключается к компьютеру 9 посредством разъема 4. В качестве отображающего устройства выбран электронный символьно-цифровой индикатор 2. Фотоприемник 10 (фиг.2) подключен к разъему 6. Далее сигнал поступает на усилитель сигналов 5. Усиленный сигнал поступает непосредственно на вход АЦП микроконтроллера 1. Сигналы управления обмотками и сигналы с датчика длины волны монохроматора 11 поступают на транзисторные ключи 3, далее сигналы управления обмотками ШД монохроматора 11 через разъем 8 поступают на шаговый двигатель монохроматора 11.
Алгоритм работы управляющей программы следующий (фиг.3). При включении микроконтроллер 1 считывает из памяти значение длины волны после последней остановки монохроматора 11 и передает его на компьютер 9. После этого он переходит в режим ожидания команды от управляющей программы. При получении соответствующей команды может выполняться калибровка или процесс регистрации спектра. Процесс регистрации спектра состоит из перемотки ШД, оцифровки входного сигнала заданное количество раз, усреднении результатов измерения и передачи значения зарегистрированного сигнала и текущей длины волны на компьютер 9. В процессе регистрации спектра микроконтроллер 1 постоянно находится в ожидании команды «Stop», которая прерывает данный процесс и переводит микроконтроллер 1 в начальное состояние. Блок управления реализован в комплекте с программным обеспечением, позволяющим в среде операционной системы Windows управлять монохроматором 11.
3+
На фиг.4. показано главное меню программы после регистрации спектра пропускания кристалла КНГГ-Еr. В правой части окна находятся четыре блока, ответственные за настройку, управление и отображение текущего состояния. Блок «Ручное управление» позволяет управлять шаговым двигателем монохроматора, а также выполнять перемотку на заданную длину волны. Блок «Статус» отображает состояние датчиков монохроматора, а также отображает текущую длину волны и интенсивность в единицах напряжения. Блок «Установки» позволяет настраивать основные параметры эксперимента. При выборе параметра «Решетка» появляется диалог, который позволяет выбрать используемый в монохроматоре тип дифракционной решетки. Следующий пункт - выбор скорости сканирования спектра - «Скорость». При появлении диалога можно выбрать скорость из предлагаемых вариантов или задать ее вручную. Кнопка «Калибровка» позволяет произвести калибровку монохроматора, т.е. привести в полное соответствие показания счетчика длины волны программы с реальной длиной волны, на которую настроен монохроматор. Для точной калибровки необходимо установить в качестве источника ртутную лампу и дифракционную решетку для спектрального диапазона 350-1000 нм.
Для проведения спектральных измерений необходимо произвести следующие действия. При первом запуске программы выполнить калибровку по положению линий излучения в спектре ртутной лампы, выбрать текущий тип установленной в монохроматоре решетки, установить скорость сканирования, выбрать диапазон для сканирования, нажать кнопку «Пуск». После нажатия кнопки «Пуск» монохроматор будет перемотан на начальную длину волны диапазона сканирования и начнет сканирование с заданной скоростью. В процессе сканирования спектр вырисовывается в основном окне программы. После окончания сканирования предусмотрена возможность детального просмотра спектра, для этого необходимо, удерживая клавишу «Shift», мышью выделить необходимый участок спектра, при этом он будет увеличен, для возвращения к исходному масштабу необходимо, удерживая клавишу «Shift», щелкнуть левой кнопкой мыши по спектру. Удерживая кнопку «Ctrl», можно мышью перемещать спектр на необходимый участок. Полученный спектр можно распечатать на принтере (кнопка «Печать»), а также сохранить в текстовом файле для последующей обработки с помощью различных пакетов прикладных программ. При сохранении спектра в текстовый файл существует возможность записи в файл дополнительных параметров.
Предлагаемое устройство по сравнению с известным решением позволяет повысить эксплуатационные характеристики устройства за счет следующих преимуществ:
- удобство использования, т.к. управление процессом регистрации спектра полностью осуществляется с персонального компьютера;
- благодаря формату представления получаемых результатов (цифровой вид, а не рисунок, полученный на самописце) упрощается и ускоряется процесс обработки экспериментальных данных;
- универсальность, т.к. управление монохроматором может производиться с любого персонального компьютера (не нужны специализированные управляющие комплексы).