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题目 基于单片机的共焦扫描显微镜系统研制
目 录
摘要……………………………………………………………………....2
Abstract…………….……………………………………………………..3
第一章 引言…………………...……………………...………………..4
第一节 共焦扫描显微镜…………………………...…...…………4
第二节 光学成像原理………………………………………….….4
第三节 高分辨率原理……………………………………….…….5
第四节 单片机……………………………………………….…….8
第五节 本文研究内容………………………………………….….8
第二章 电路系统设计………………………...…………………….…..10
第一节 电路方框图.…………………………….…………..….….10
第二节 信号预处理与A/D 转化.………………..……………..….10
第三节 电源电路….…………………………....…………….…...12
第四节 单片机核心电路………………………….…..…………...…....13
第五节 单片机和计算机接口电路……….…………..…….…...14
第三章 软件编程……………………………..…..………………...…...16
第一节 单片机软件编程………………………………………......16
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第二节 计算机软件编程………………………………………......17
第四章 实验调试……………………...……………………………...…19
第五章 结论…………………………...…………………………...……22
附录A：单片机软件源程序………………..………………………...…23
附录B：计算机软件源程序…………………………………………….34
参考文献………………………………………………………………….40
摘要：共焦扫描显微镜具有超过瑞利衍射极限的横向分辨率和高的纵
向分辨率，在生命科学、医学和材料科学领域得到广泛运用。本文自
行开发了一套基于单片机的共焦扫描显微镜系统，它主要由光电转换
电路、信号预处理电路、A/D 转换电路、马达驱动电路、单片机、RS232
通信电路等组成，其中通过单片机控制马达进行二维扫描成像，并把
数据送给计算机进行图像显示与处理。单片机的数据采集、控制与通
信软件采用C51 语言编程，而PC 机的通信、图像显示、处理软件采用
VC6.0++语言编程。实验结果表明，采用本文研制的软硬件，可以正确
地对样品进行二维成像。
关键词：共焦扫描显微镜 单片机 RS232 通信
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Abstract: With a horizontal resolution exceeding Reighlay limit
and a high vertical resolution scanning confocal microscope (SCM)
has wide application in life science, medical science and
material science. The theses developed an MCU based SCM, which
comprises of a opto-electronic transfer unit, a pre-processor
unit, an A/D conversion unit, motor driving unit and a RS232
communication unit. The MCU controls the motor to perform 2-D
scan and transmit the acquired data to PC via RS232. The software
for MCU for data acquisition, motor driving and data transmission
was composed using C51 language while that on PC for image
displaying, image processing and data transmission was composed
using VC6.0++ language. As the experiments shown both hardware
and software worked well and were capable of 2-D scan imaging.
Key words: SCM， MCU，RS232 communication
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第一章 引 言
第一节 共焦扫描显微镜
光学显微镜，经过几个世纪的发展，不断完善，但其分辨率始终不
能超过一个极限——瑞利衍射极限。随着激光技术、计算机图像技术
的不断提高，八十年代一种具有突破瑞利极限的超分辨率，且具有三
维成像能力的显微成像术——共焦扫描显微镜产生了[1-3]，它具有以下
几大优点：
（1）高的横向、纵向分辨率；
（2）高对比度；
（3）层析分析能力，可对样品不同深度逐层扫描，得到大量断层
图像，再用计算机重组为三维图像。
共焦扫描显微镜是现今生命科学中最先进的活体显微观察技术之
一，其独特的三维成像能力，超分辨率及无损伤检测能力使其在生物
医学等领域研究中发挥越来越重要的作用。它一般采用激光作光源，
所以又称作激光共焦扫描显微镜（LSCM）。
共焦扫描显微镜的分辨率虽然不及扫描电镜，但是扫描电镜在现代
生命科学研究中存在着一些制约因素：
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(1)真空环境使制作样品时生物体失去活性，即不能观测活体
生命；
(2)样品制作困难，如难以选择合适衬底；
(3)成像只能获取样品表面形貌信息等。
第二节 光学成像原理
激光共焦扫描显微镜是采用共轭焦点技术进行成像的。激光束经过
半透半反镜反射，再由扫描透镜聚焦于样品表面，对样品内焦面上每
一点进行扫描，焦平面上样品反射光束又原路返回到半透半反镜，并
透过它聚焦为一点，通过探测针孔（或用光纤），由光电倍增管
(Photo-mutiple Tube)探测接收，并将转化的电信号经过A/D 转换后
输入单片机，单片机再将数据信号传入计算机。我们使探头相对样品
作逐行移动扫描（就象电视机的图像一样），不断将样品焦平面上的亮
度信息转化为数字信号输入到计算机内，再由软件进行成像显示处理
[4]。
激光共焦扫描显微镜的光路结构[2]如图1－1 所示：
图 1－1 光路结构图
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第三节 高分辨率原理
为什么共焦扫描显微镜可以实现高分辨率呢？首先，我们来看看
W.Lukose 运用信息理论得出的一个有关光学系统极限分辨率的定理：
对于一个给定的光学系统，其所传输的光学信息的自由度数保持不变，
即：