1、 畢 業 論 文基于 psd 濃度檢測系統設計與分析 學 院： 專 業： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 摘 要目前，實時液體濃度檢測技術相對來說還比較落后，因此研究新型的液體濃度檢測系統具有十分重要的意義。工業生產中檢測液體濃度的方法有比重法、化學分析法、超聲波法及光學法等。但這些方法既費時又需繁瑣的人工取采樣，滯后性大，無法實現實時在線檢測液體濃度，鑒于以上問題，本文設計了一種基于 psd 的濃度檢測系統。濃度的變化會引起液體折射率的變化，對于固定的入射光線，折射率的變化會導致出射光線發生偏移，利用光電位置敏感器件檢測出光線偏移量的大小，進而得到液體的折射率，從而計算出液體濃度，再由 l

2、ed 顯示出來。本系統主要由半導體激光器、雙隔離窗光學系統、psd 信號處理電路、基于 8051 單片機的 a/d 采集運算控制電路和顯示電路等組成。雙隔離窗光學系統采用兩個隔離窗使光線在待測液體中兩次折射，測量結果更精確；psd 信號調理電路主要由前置放大、加法器、減法器和除法器等部分構成，將對信號進行 i/v 變換和放大處理；基于 8051 單片機的 a/d 采集運算控制電路主要對 psd 調理后的模擬量信號轉變為數字量，并將信號輸入至單片機進行分析處理，從而得到濃度值，最后由顯示系統顯示出來。通過實驗發現，光源強度和溫度漂移對本系統的影響非常小，該系統具有結構簡單、穩定性好、靈敏度高、響

3、應時間快以及自動化程度高等優點，能夠方便、準確地實現液體濃度的實時在線檢測。本濃度檢測系統可廣泛應用在化工、制糖、食品、制藥等諸多行業，是一種具有廣闊發展前景的濃度檢測系統。關鍵詞：位置敏感器件（psd） ，半導體激光器，液體濃度，8051 單片機abstractat present, real-time on-line liquid concentration detection technology is still relatively backward. research of a new type of liquid concentration detection system is

4、 of great significance. the proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, optical method. however, these methods are time-consuming and tedious manual to take sampling lag, can not achieve real-time online detection of the liquid concentration, i

5、n view of the above problems, this paper designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector. in the chemical and pharmaceutical, light industry and beverage and environmental protection departments and the various fields of scientific research and national defe

6、nse are to detect and control the parameters of the liquid concentration. at present, the proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, ultrasonic and optical method. however, these methods are time-consuming and tedious manual to take sampling l

7、ag, can not achieve real-time online detection of the liquid concentration, in view of the above problems, the designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector.concentration change can cause the change of liquid refractive index, the fixed incident light, the

8、 refractive index change will cause a shift of the emergent light, using photoelectric position sensitive device detect the size of the deviation of the light, the refractive index liquid is obtained, to calculate the liquid concentration, displayed by led. this system is mainly composed of semicond

9、uctor laser window, double isolation optical system, psd signal processing circuit, based on 51 single chip microcomputer a/d acquisition operation control circuit and display circuit, etc. double isolation optical system consists of two separate window bends light after two, make more accurate meas

10、urement results; psd signal disposal circuit is mainly composed of preamplifier, summator, subtracter and divider and other parts, will be the signal i/v transform and processing to enlarge; based on 51 single chip microcomputer a/d sampling operation control circuit mainly of psd after analog signa

11、ls into digital quantity, and will be treated as signal input to the mcu is analyzed, the density is obtained, finally displayed by the display system.experiments found that light intensity and temperature drift of this system is a very small effect, the system has simple structure, good stability,

12、high sensitivity, fast response time and high degree of automation, etc. the liquid can be realized conveniently and precisely, and real-time on-line detection of concentration. the concentration detection system can be widely used in chemical industry, sugar, food, pharmaceutical and other industri

13、es, is a kind of concentration detecting system has the broad prospects for development.key words: psd, semiconductor laser diode， liquid concentration, mcu8051目 錄摘 要iabstractii目 錄iv第一章 緒論11.1 課題設計的目的意義11.2 國內外研究現狀 11.2.1 位置敏感探測器(psd)國內外發展狀況11.2.2 液體濃度測量的國內外研究現狀21.3 課題設計的主要內容3第二章 總體方案42.1 系統總體方案設計42

14、.2 系統性能指標 5第三章 光學系統的設計63.1 光源的選擇 63. 2 光學系統設計 7第四章 基于 8051 單片機的 psd 信號處理電路的設計104.1 半導體位置敏感器件 psd104.1.1 psd 的工作原理104.1.2 psd 的主要性能參數124.1.3 影響 psd 性能的因素134.1.4 psd 的選取144.2 psd 信號調理電路的設計154.2.1 前置濾波器、主放大電路、模擬除法器154.2.2 背景干擾及暗電流消除194.2.3 陷波電路224.3 8051 單片機硬件系統234.3.1 單片機系統概述234.3.2 電源電路設計244.3.3 ad57

15、4 芯片及其接口254.3.4 mcs-8051 單片機274.3.5 ad574a 與單片機的接口電路284.3.6 基于 max232 的通訊模塊28第五章 led 顯示電路設計305.1 led 的結構 305.2 顯示器接口 31第六章 系統的軟件設計326.1 系統軟件設計流程326.2 a/d 轉換子程序設計336.3 led 顯示子程序設計336.4 十進制編碼與 bcd 編碼的相互變換34第七章 濃度檢測系統35第八章 系統誤差分析368.1 光強波動的影響 368.2 位置敏感器件對系統的影響368.3 溫度對系統測量的影響37結 論39參考文獻40致 謝42第一章 緒論 液

16、體濃度測量在工業中占有非常重要的地位。對溶液濃度的測量與控制在化工、制糖、乳制品等行業中有著廣泛的作用,它是提高產品質量的重要技術手段。1.1 課題設計的目的意義濃度是一項重要的衡量工業產品質量的指標，為了提高產品質量，生產企業除了在實驗室對產品濃度進行檢測外，還要在生產線上對產品濃度進行監督和控制，實驗室檢驗只是抽樣檢驗，實時性差，難以控制產品質量，僅僅依靠這種方法難以滿足生產需求。而實時在線檢測可使工作人員在生產過程中及時掌握濃度變化并采取措施，從而實現實時控制，使產品的濃度控制在生產所需的范圍內。本檢測系統應用高精度的 psd 作為信號接收器，有效解決了光線偏離而產生的誤差，使用比較簡單

17、的光學系統和電子電路便可以非常穩定地檢測液體的濃度，大大節約成本，并且由于 psd 只對光斑能量中心敏感，因而對光源的變化影響可忽略不計，降低了對準直聚焦光學系統的要求，這更具現實意義。1.2 國內外研究現狀1.2.1 位置敏感探測器(psd)國內外發展狀況半導體位置敏感器件中分一維 psd 和二維 psd。一維可以測定光點的一維位置坐標，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標。1930 年，肖特基將銅- 一氧化碳金屬半導體結的一氧化碳表面邊緣的金電極通過電流表短接于銅層，發現當用一束光照射一氧化碳表面時，外電流隨光入射位置與電極之間的距離的增加指數下降，這便是橫向光電效應的第一次發現。195

18、7 年瓦爾馬克在 inge 結上重新發現了橫向光電效應，并用載流子復合理論對此現象做了解釋，提出可用來檢測光點位置。1960 年 lucovskey 推導出了描述橫向光電效應的 lucovskey 方程，奠定了 psd 的理論基礎。psd 在 20世紀 60 年代迅速發展并逐漸成熟；70 年代發展了表面分割型與兩面分割型器件；80 年代的改進型分割型器件，改善了器件的性能及參數；90 年代改進表面分割型器件進一步發展，使結構更加完善，性能及參數進一步提高。而在國內，psd 的發展比較晚，有關 psd 的報告出現在 20 世紀 70 年代，當時也是一些關于 psd 原理及性能方面的報道，且大部分

19、是些譯文，psd 本身及其應用方面的研究緩慢，只是近幾年來才引起重視。在研究方面，目前中國電子科技集團 44 研究所研制的 a-si:h 一維 psd 和單晶硅雙面結構二維 psd；浙大和中科院成都光電所合作研制二維 psd 陣列來代替 ccd 和四象限位置探測器。1.2.2 液體濃度測量的國內外研究現狀目前，工業生產中檢測液體濃度的方法有許多種，有化學分析法、比重法、光學法等。這些方法的工作原理及裝置結構各不同，適應場合也不同，并且各有其優缺點。化學分析法，雖可以做到較高的檢測精度，但它需要消耗許多昂貴的化學試劑，又需要較長的分析周期，因此成本高。比重法，雖然方便，但在工業濃度檢測中，常需檢

20、測大槽或大池中的不同深度處的溶液濃度，由于比重計采用浮力原理，它只能檢測上層表面的溶液濃度，無法適應工業檢測的需求。以上傳統液體濃度檢測的方法各有其不足，同時它們都需要人工取樣，不能實時在線檢測，而且在取樣間隔內溶液濃度的變化又是未知的，這樣就影響了產品的質量和自動化控制，所以它們的應用范圍都很有限，不能適應現代工業生產的實際需求。國外已報道的有：伯格曼制作了一個光纖探頭來檢測各種液體的濃度；納拉亞南使用一個基于激光的棱鏡糖度計來檢測液體濃度。其他提出來的技術包括平面熒光法、干涉測量法、熱標記法等等。國內已報道的有：浮力法、靜壓法、折光法、振動法、同位素法、勢力學法等。然而，這些技術都需要復雜

21、和昂貴的實驗裝置，不能用于流動液體濃度的檢測。1.3 課題設計的主要內容1系統總體設計方案及框圖2psd 特性分析3光學系統的設計4信號處理電路的設計6led 顯示電路設計7濃度檢測系統圖設計8系統程序設計9系統誤差分析5a/d 轉換電路的設計 本文的研究重點在光學系統的設計、psd 信號處理及單片機控制系統的研究，相比以往的濃度檢測系統，設計了新型的光學系統、選用位置敏感探測器psd 并建立相應的單片機軟硬件系統。本系統采用雙隔離窗透射法，利用光在液體濃度變化時引起折射率變化的原理，對濃度測量，通過引入高精度的位置敏感器件 psd 作為接受傳感器，同時采用外圍設備豐富的 8051 系列單片機

22、作為核心處理芯片，從而簡化了檢測系統的整體結構，使得安裝調試更為簡便，同時減少了許多誤差來源，保證了測量值的較高精度。第二章 總體方案濃度的變化會引起液體對光的折射率的變化，而由激光器發出的固定傾斜入射的光線，折射率的變化導致出射光線發生偏移，利用 psd 將得到的電流信號經過放大處理后檢測出偏移量的大小，將這個模擬量經過 a/d 轉換后發送給8051 單片機，以單片機為核心對濃度檢測系統進行控制處理，最后由 led 顯示液體的濃度。2.1 系統總體方案設計本濃度檢測系統主要分以下幾個部分：半導體激光器、光學系統、psd 信號調理電路、8051 單片機系統、a/d 轉換電路、顯示電路等等。液體

23、濃度檢測系統的系統框圖如下圖：圖 2-1 濃度檢測系統框圖系統工作原理為：由半導體激光器發射出激光，經過光學系統照射到 psd感光面上， psd 信號經處理電路，由 a/d 轉換電路將模擬量變轉為數字量，通過某些接口送入單片機，以其為核心對濃度檢測系統進行控制，再由顯示系統（led）顯示液體濃度。激光器電源光學系統psd傳感器psd信號調理電路a/d轉換電路8051單片機led 顯示系統鍵盤輸入驅動電路2.2 系統性能指標新型濃度檢測系統的主要技術指標有：系統分辨力、系統測量精度、系統測量范圍和體積與質量等。（1） 系統分辨力系統理論來說可分辨 1100000 的折射率變化，但實際測量時，會受

24、放大器、單片機、a/d 轉換電路影響，因此，綜合來說系統的分辨力可達3100000。（2）系統測量精度系統測量精度取決于系統誤差修正后的殘差r 與偶然誤差的總均方根值。若以 sd表示濃度檢測系統的測量精度。則：r22rsrd（3）系統測量范圍系統中采用了濱松公司的 s3932 型，考慮到邊緣誤差，有效敏感區實際約 11.6mm，其可測量折射率 1.229861.50137。最大相當于 20 度氯化鈉溶液的 90%的濃度精度。若 psd 長度增加，則測量范圍加大。 （4） 系統的體積與重量濃度檢測系統的體積與重量在使用中是一個突出指標，但是往往同其他指標互相矛盾。第三章 光學系統的設計3.1 光

25、源的選擇光源有鈉 光燈、發光二極管、氦氖激光器、半導體激光器可以選擇。而選擇的要求是單色性好、方向性好、穩定性高、結構簡單、體積小且耐用、使用方便 且便宜等。（1） 鈉光燈鈉光燈工作時，在可見光區域發射處兩條極強的黃色譜線，通常取589.3nm 作為鈉光燈光線 的參考波長 。因此鈉燈是比較重要的單色光源之一。鈉燈的光源質量好，所以 用鈉燈作為光源后 測出來的 數據并不需要去修正，但 其設備體積大， 且需要限制電流 ，啟動電壓也比較高。（2） 發光二極管 ledled 作為光源 的，是使用一種黃色超高亮度的 led，它是直接注入電流的一種發射設備，是晶體內部 的受激電子從高能級到低能級時，發射光

26、子的結果。 發光二級管 具有體積小、堅固 、耐用、使用電壓低、壽命長等優點。但 發光二級管的單色性差，強度較弱，方向性也不好。（3） 氦氖激光器氦氖激光器是一個氣體放電管，管內充有氦氣、氖氣，兩端用鍍有多層介質膜的反射鏡封固，構成諧振腔。光在兩鏡面間多次反射，形成持續振蕩，從而發射出激光。激光單色性好、方向性比較好、激光束產生的光斑質量好。但氦氖激光器的激光管體積 相對太大，且需很高的電源電壓。（4） 半導體激光器半導體激光器具有單色性好，方向性好，體積小，工作電源電壓約為2.5v，使用方便等優點。本系統使用htl67t05 型輸出基橫模量子阱 半導體激光器。半導體激光器 的芯片結構 幾乎與側

27、面發光的 led 芯片相同，但 需要制造與 pn 結相互垂直的兩個光學平面作為光學諧振腔，當pn 結通電且電流大于 閥值時，引起高強度的電致發光， 最后在諧振腔內產生了激光。激光產生是 因為當光通過半導體時， 所引發受激發射 后放大的結果。3. 2 光學系統設計（1） 濃度檢測的基本光學原理濃度檢測的基本原理如圖 3-1 所示，被測液體濃度的改變，導致折射率發生變化，從而引起入射光折射角的變化，通過檢測折射角的變化，經分析計算可求待測液體濃度。圖 3-1 液體濃度檢測的基本原理圖水槽分為兩部分，一部分裝蒸餾水，另一部分裝待測液體，中間用一塊傾斜的光學透射窗隔離開，這樣，光線的折射角度就會隨兩部

28、分液體折射率差值的變化而不同。當光線如圖 3-1 所示的情況入射，那么兩種液體折射率之差n與光線偏移量 d 之間存在下列關系 (3-1)kdnnnn2/cot20其中， 為光線出射角， 為光線入射角，k 為與結構有關的常量。（2） 濃度檢測的光學系統圖本文提出了采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測的實驗設備。如圖 3-2 所示。光學系統由 兩個內盛蒸餾水的水槽和 一個盛有 待測液體的測量水槽 組成，三個水槽間 由兩個平行的光學透射窗隔開，水平入射的光線在由光學透射窗 1 進入待測液體時。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝產生一個入射角有一個，光線經過的反射后， 再次進入，同樣雙平面鏡雙平面鏡待測液體入射光

29、線待測液體dn蒸餾水蒸餾水2蒸餾水1水槽雙平面鏡待測液體光學透射窗2光學透射窗1psd濾光片激光器圖 3-2 光學系統圖會，再次進入裝有蒸餾水的水槽 1，最后通過窄帶濾光片投產生一個入射角射在的光敏面上，當的濃度改變時，光線透射后到位置敏感器件待測液體光敏面上的光斑位置也發生變化，而 psd 此時就會線性的輸出位置敏感器件這一變化，從而實現濃度的檢測。濾波片的作用是濾除大部分環境雜散光對檢測的影響。光線的如圖 3-3 所示。在圖 3-3 中用 d 來表示 psd 所測得的被測幾何軌跡液體是待測液體（實光線）和蒸餾水（虛光線）時的光線偏移量。圖 3-3 光線幾何光學軌跡根據圖 3-3 所示幾何關

30、系和光學折射定律有： d=d1+d2 (3-2) (3-3)tan111dsdnxnxd1d2s1s1dd1d2 (3-4)tan212dsd和 (3-5)sinsin0gnn (3-6)sinsingxnn式中，s1為兩隔離窗的間距。從式中看出，當入射角、參考液體和兩隔離窗之間的距離選定后，、n0和s1就是固定值，將（3-2） 、 （3-3）式代入（3-1）式得到光線偏移量為 tan1tantan1tan1121ssddd （3-7） xxxnfnnnnssinarcsintan1sinarcsintan2001第四章 基于 8051 單片機的 psd 信號處理電路的設計4.1 半導體位置敏

31、感器件 psdpsd 是為了實時精確測量 位置、距離和位移等發展起來的一種半導體光電敏感器件， 而它是基于半導體的橫向光電效應 這一理論 測量入射光點位置。psd 可分為一維 psd 和二維 psd。一維可以測定光點的一維位置坐標，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標。4.1.1 psd 的工作原理若有一輕微摻雜的 n 型半導體和一重摻雜的 p+型半導體構成 p-n 結，當內部載流子擴散、漂移后達到平衡穩定時，就形成一個由 n 指向 p 區的結電場。當光照射到 p-n 結時，半導體會吸收光子，而后激發出電子-空穴對。在結電場作用下，空穴將會進入 p 區，而電子進入 n 區，因此會產生結光電勢

32、，我們一般稱之為內光電效應。但若是入射光僅集中照射在 p-n 結光敏面上某一點m，之后產生的電子、空穴會集中在該點 m 上。由于 p 區摻雜濃度遠大于 n 區，這樣導致 p 區的電導率也會遠大于 n 區，因此，p 區的空穴將會由 m 點迅速擴散到整個 p 區，可以將整個 p 區看成等電位。而 n 區的電導率較低，進入 n 區的電子也將仍然集中在 m 點，從而會使 p-n 結橫向形成不平衡電勢，這會將空穴拉回 n 區，從而在 p-n 結橫向形成一個橫向電場，稱之為橫向光電校應。實用一維 psd 為 pin 三層結構，如圖 4-1（a） 。p 層為感光面，它兩邊各有一信號輸出電極。底層的公共電極用

33、于加反偏電壓。假設入射光照射到 psd光敏面上一點時，產生的總光生電流為 i ，光電流將分別流向兩個信號電極，0從而從信號電極上分別得到光電 i 和 i ，而 i = i + i 。若是 psd 表面層的電12012阻是均勻的，那么 psd 的等效電路為圖 4-1b所示。由于 rsh很大、 c 很1小，因此簡化等效電路如圖 4-1 (c)，其中入射光點的位置決定 r 、r 的值。12假如負載 r 相對于 r和 r 的大小來說可以忽略，則有：l12 = (4-1)21iixlxlrr12在上式中，l 為 psd 中心與信號電極的距離，x 為入射光點與 psd 中心的距離。由此可得兩個電極的輸出光

34、電流之比為，入射光點到該電極間距比的倒數。因此將 i = i + i 與式（4-1）聯立得：012rlg n drlg n dr1r2業業業業12xi1i2pinl3 (a)rlrlgndgndr1r212cjrshvdji03 r1r2rlrlgndgndi0312 (b) (c)圖 4-1 psd 的結構及等效電路(a)截面電路 (b)等效電路 (c)簡化的等效電路 （4-lxlii2012） （4-lxlii2023）可以看出，當入射光點不變動位置時，psd 的單獨一個電極輸出的光電流與入射光強成正比。而當入射光強度固定時，單個電極的輸出電流與入射光點距 psd 中心的距離 x 呈線性關

35、系。假如兩個信號電極的電流如式（4-4）處理： （4-lxiiiipx12124）則得到的結果只與光點的坐標 x 有關，與入射光無關，此時 psd 則是僅對入射光點位置敏感的器件。p則稱為一維 psd 的位置輸出信號。x4.1.2 psd 的主要性能參數從使用的角度來看， psd 的譜響應特性、置線性度、靈敏面尺寸、暗電流、暗電流溫度系數、響應速度等 等是我們選擇 psd 器件一定要考慮的指標。（1） 光譜響應特性 psd 器件的，表示 psd 的響應靈敏度和光波的波長間的關光譜響應特性系。psd 器件的光譜響應一般為 3001100nm 之間，而其峰值響應波長大約在 900nm 左右。（2）

36、位置線性度指的是光點順著直線運動時 psd 的位置輸出偏離該直線的程度。位置線性度因為 p 區結面上電阻率并不是不變的，這時影響 psd 非線性的主要因素。因而在使用時須人為的將 psd 敏感面劃為 a、b 區，a 區是指中央區域，b 區指的是邊緣區域，b 區的位置準確度低于 a 區。我們應盡量讓光點擊打 a 區域，從而提高位置檢測精度。 123 圖 4-2 區域 a 及區域 b 的定義 1 區域 a 2 區域 b 3 感光面（3） 響應速度響應速度是反映 psd 瞬態特性的重要指標， psd 的工作時所處狀態及制造工藝都與他有關。（4） 暗電流及暗電流溫度系數暗電流及暗電流溫度系數 指的是在

37、無光照情況下 psd 的響應特性。4.1.3 影響 psd 性能的因素（1） 入射光對 psd 性能的影響理論上講，入射光點的強度和尺寸大小都和位置輸出沒有關系。但當入射光強增大時，信號電極的輸出光電流也會隨之增大，進而器件的位置分辨率會有所提高。然而入射光點強度太大，會引起器件飽和，應當控制入射光點強度。另外選擇光源時，應挑選與 psd 光譜響應良好匹配的光源，以方便充分全面的利用光能。（2）入射光點的中心位置psd 的位置輸出只與入射光點的中心位置有關，而與光點尺寸無關。但當光點位置接近有效感光面邊緣時，一部分光就會落到感光面之外，使落在有效感光面內的光電中心位置偏離實際光點的中心位置，從

38、而使輸出產生誤差。因此，即使入射光點全部落在器件的有效感光面內時，但為了降低邊緣效應，入射光的直徑小一點會更好。（3） 反偏電壓對 psd 性能的影響當加上反偏電壓后，psd 的感光靈敏度將會略有提高，而且 psd 的結電容會有所減小。因此 psd 在使用時加上 10v 左右的反偏電壓后，會使 psd 的暗電流也有所增加。（4）環境溫度對 psd 的影響溫度的變大導致器件暗電流的增大，暗電流的存在導致誤差和噪聲的產生，而且不利于背景光的產生。4.1.4 psd 的選取結合 psd 的性能參數、系統測量范圍和測量精度的分析，本文選用濱松公司的 s3932 型 psd 產品，其響應速度為 3，分辨

39、率為 0.3，有效敏感區sm為 112，光譜響應特性曲線如圖 4-3，它主要性能參數如表 4-1 所示。2mm圖 4-3 s3932 光譜響應范圍特性曲線 表 4-1 s3932 型 psd 的主要性能參數光敏面112mm2光譜響應范圍3201100nm響應度0.55a/w(=920nm)上升時間3.0(vr=5v，rl=1k)s結電容80pf(vr=5v，f=10khz)暗電流0.220na(vr=5v)極間電阻3080(vb=0.1v)k(typ，ta=26)oe=50%400600800100000.20.40.60.8oe=100%s3979s3931s3932響應靈敏度（a/w）波長

40、（nm）工作溫度-1060存儲溫度-2080分辨率0.3m位置測量誤差60m4.2 psd 信號調理電路的設計一維 psd 信號檢測調理電路，如圖 4-4 所示。主要由前置濾波部分、主放大電路、減法器部分、除法器部分等組成，其中 ic1、ic2、ic3、ic3 為高精度運放電路，ic1 和 ic2 是前置運放電路， ic3 和 ic4 分別形成加法器、減法器，ad538 是模擬除法器，入射光強決定 rf 大小。在本電路中我們將位移和液體濃度變化值他兩個之間的線形因數折算到 psd 的長度中，選擇相應電阻并將輸出的位置信號轉便成對應的濃度值。4.2.1 前置濾波器、主放大電路、模擬除法器在實際應

41、用的光電系統中，光電探測器上獲得的一般都是微弱的電信號，不能被直接接受處理，應當經放大器進行放大處理。通過前置濾波器和光電探測器放在一起后組成的成探頭，對信號給予放大。因為前置濾波器對增益和信噪比都有嚴格要求，所以我們選擇低噪聲的前置濾波器。（1） 前置濾波電路psd 輸出的信號為微弱的電流信號，為了對輸出信號進一步的處理，需要設計電流型前置濾波電路進行 i/v 變換。前置濾波電路如下圖 4-5 所示。psd 光電流流過 rf 反饋電阻，反饋電容 cf 控制增益峰值，其值大小由 psd結電容 cd決定。rf、cf 由系統頻響決定。ic31opam ppsd4psd3psd2psd1ps dic

42、32opam pic33opam pic34opam pc12pwrend13signlend14vx15b 3+10v4+2v5iz1-vs7i9vz2vy10iy11ix16vo8+vs6u31ad53810kr3110kr3210kr33c3150ufc3250ufr3910kr31010k10kr34r3610kr3710k10kr35r311c3450ufc330.1ufr38pot2gnd+vccvccgndgndgnd-vccgnd+vcc-vcc+vccgndad574-in圖 4-4 一維 psd 的基本檢測電路out-+rfrfrdcfcfuo圖 4-5 電流型前置運放電路

43、電路的輸出電壓： （4-5） rfiuin0分析電路的頻響函數，因為信號處于低頻段，放大器的開環帶寬可看成無窮大，根據戴維南定理和密勒定理，電流型前置放大電路可等效為如圖 4-6 所示。 ou- + zfzi zfzcviu圖 4-6 等效電路圖 （4-6）rdzd （4-7）dinziinv （4-8）offazz11式中，為放大器開環增益；ffffcsrrz10a則 （4-9）001/1)1/1(aazzsczvazzscuofiddinofid經過整理可得電路的閉環增益： （4-10）)1 (11dfdfifodffcszzzzzazza當時，電路的閉環增益可簡化為：dizz （4-11

44、）)1 (110dfdfdffcszzzazza當為一純電阻時，可看出是二階系統，電路的階躍響應將會振蕩，與此fz同時系統也很可能自激振蕩，這樣就需對系統進行相位補償，電路中電容的fc作用就是相位補償。當前置濾波器的高頻穩定性由傳遞函數在復平面上兩個極點p1，p2 的相位差 來表示，則時前置濾波器穩定，須滿足此條件：60fc （4-12）1fpsdfrcc是前置濾波器的開環單位增益帶寬。1此處選用 op07 運放，其開環單位增益帶寬=0.6mhz，差模輸入阻抗1，又，。rf 的阻值要遠小于mzi50krd50pfcd1200dirz psd 的內阻，此處取，將上述參數帶入上式，解得 rd kr

45、f1。pfcf7 .44（2） 主放大電路前置放大器對 psd 的輸出電流信號進行 i/v 變換，送入主放大器的為電壓信號，由于 psd 內阻的限制，rf不允許太大，主放大器的主要功能是將信號放大到我們所需的幅度。電路如下圖 4-7。 +ic2op07r0r1r2r3gndgndvinv0圖 4-7 主放大電路圖圖中 vin 為前置放大器的輸入電壓，前置放大器輸出電阻 r0 數值很小直接忽略。電路輸出為：v0=(r2r1 )vin使 r3=r1/r2 可消除偏置電流產生的誤差，而失調電壓、失調電流可通過放大器外接調零電阻來消除。 放大器的輸出電壓要被送到數采模塊進行 a/d 轉換，因此必須考慮

46、放大器的輸出與數采模塊的模擬輸入電壓范圍的匹配。而通過調節放大倍數可實現電壓的匹配，例如：當主放大器的輸入極值電壓為 0.01mv，數采模塊的單極性輸入電壓 03v，則 a0 的取值為 300 左右。（3） 模擬除法器 ad538ad538 是美國 adi 公司出品的實時模擬計算器件,能提供精確的模擬乘、除和冪運算功能。ad538 結構獨特、工藝精良。低輸入/輸出偏移電壓和優異的線性性能的結合,使其可在一個非常寬的輸入動態范圍內進行精確的運算。激光調整技術可使乘/除運算誤差控制在輸入幅值的 0.25%的范圍之內。通常輸出偏移小于或等于 100v。由于器件具有 400khz 帶寬,進一步加強了實

47、時模擬信號的處理能力。因此,ad538 具有其它同類產品所不具備的特殊優點,psd 器件的坐標處理電路是由 ad538 模擬除法器構成的。4.2.2 背景干擾及暗電流消除消除背景干擾和暗電流可以考慮從光路、電路兩個方面來處理。光路方面：采用光學濾波的方法-在 psd 感光面上加個信號光源與透過波長互相匹配的干涉濾光片，過濾掉大部分的背景光。電路方面：在幾個時鐘周期內，它可以看成是直流電平，因此可提前檢出當信號光源熄滅時，背景干擾和暗電流的大小，之后點亮信號光源，此時再將檢測到的輸出信號減去背景干擾部分。此外，也可以先光源脈沖調制，然后對輸出的信號采取鎖相放大措施，從而通過同步檢波過濾背景干擾及

48、暗電流成分。（1）消除背景干擾及暗電流的電路此處我們同時使用光學法和電學法中的第一種措施來對背景干擾和暗電流進行消除。如下圖 4-8 為其電路原理圖：圖 4-8 背景干擾、暗電流電路的消除電路：背景干擾、暗電流的干擾電平；dv：疊加干擾電平的信號輸出；inv （4-13）rrrrr4321 （4-14）)(0dinvvv由 4-14 式可以看出，電路實現了消除背景干擾和暗電流的功能，電路不能放大，只是對信號進行了反向處理。（2） 干擾電平的采樣與保持我們采用 lf198 采樣保持器，它的直流精度非常高、捕獲時間較低而且衰減率較小。在輸出時，采用 p 溝道 jfet 構成輸出放大器使衰減率較低，

49、當外接的保持電容為 1f 時，它僅有 5mv/min 的衰減率。同時雙極性輸入階使失調電壓和寬帶寬度比較低， lf198 的失調得以通過片外的某個引腳來進行調節。lf198 的模擬輸入電壓范圍能達到它電源電壓的范圍。lf198 型采樣保持器如圖 4-9 所示。采樣保持器將由外觸發電路提供采樣保持信號，在點亮光源前，通過人工手動啟動采樣干擾電平。圖 4-9 采樣保持器（3） 保持電容 ch 的確定保持電容的選擇主要從介質材料和電容值兩個方面來考慮。在精密的采樣保持電路中，誤差主要來源于保持電容的介質吸收，我們了解到，聚丙烯、聚四氟乙烯這兩種電容介質遲滯線是非常低的，因此我們選聚保持電容為四氟乙烯

50、電容。在選擇電容值時，應該從精度、衰減率和捕獲時間等參數方面考慮。隨著電容的增大，衰減率不斷降低，為了獲得更小的衰減率，應選擇大電容，取ch=0.1f。此時的衰減率為，捕獲誤差在范圍內，捕獲時sv /100 . 34%01. 0間為 300s。當保持電容為 0.1f，為 25c 時，衰減率，結溫度sv /100 . 34而后坐過程將會持續 18ms，保持期間的電壓衰減在理想情況下為 ，當采用 10 位 a/d 轉換器，02v 電壓輸入，分mvvd0054. 0101834辨力，不會產生較大誤差。因此我選擇值為 0.1f 材料為聚四氟乙烯的v002. 0保持電容。（4） 采樣保持電路的控制信號該

51、控制信號由外部觸發電路生成，并且在點亮光源前由人工手動啟動。設計電路如圖 4-10 所示，電路有兩個 rc 網絡和一個 schmidt（施密特）觸發器。施密特觸發器的作用是消除按鍵抖動，并且使脈沖展寬和整形生成規則的矩形脈沖。當閉合按鍵 s1 時，電容通過 c 網絡充電，充電的時間常數1r。在斷開按鍵時，則通過 c 網絡放電，放電的時間常數scr470112r。ms472 vcc14n13m12h11l10f9e8gnd7d6c5k4i3b2a1gnd+5v+5vr1100r210k+4.7ufs1+5v圖 4-10 外觸發電路 4.2.3 陷波電路由于工作環境的惡劣，在電路中，發動這樣的強干

52、擾源將會產生工頻干擾，其值約為 50hz。psd 輸出的信號為微弱電流信號，在惡劣的環境中，工頻干擾耦合在被放大后會將信號掩蓋。由于存在工頻干擾，信號變的很糟糕，必須用濾波器對工頻干擾消除。我們選取有源雙 t 陷波器，它能有效消除工頻干擾的影響，電路如圖 4-11 所示。+-out+-outrrrkr業1-k業rcccgndvinvout圖 4-11 有源雙 t 陷波電路雙 t 網絡中兩支路中 r，c 的對稱程度決定雙 t 陷波器的頻率特性。保持各個電阻和電容的對稱關系，可以是對應頻率的信號互相抵消，陷波zhf500器的參數關系式為 (4-15)rcf10 (4-16)1 (41kqk 值決定

53、阻帶寬度，k 越大，q 越高，頻率選擇性越好。但是 q 值太高，濾波器的性能就不穩定。這里取 k=0.9，則 q=2.5。由和運算放大器zhf500輸入阻抗的限制選定電阻、電容。4.3 8051 單片機硬件系統4.3.1 單片機系統概述本系統就采用了 8051 單片機，因為 8051 片內具有 4kb 的程序存儲器，所以像本系統這種較小的程序便不再需要擴展外部的程序存儲器。由圖 4-12 可知，本系統中單片機最小系統包括單片機本體、復位電路和時鐘電路。123456abcd654321dcbatitlenu mberrev isionsizebdate:10-jun-2 007sheet o f

54、 file:h:業業業業業業業業業業業業業fxlt.ddbdrawn b y:ea /vp31x119x218re set9rd17wr16int 012int 113t014t115p101p112p123p134p145p156p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728pse n29al e/p30tx d11rx d10u1 1805 1p1.0y112m hzc1104c2104gn dgn d+5e110u fr110k+v ccs2ke y2s1ke

55、 y1gn dgn dr1010kr1110k+v cc+v ccre setr2200圖 4-12 單片機最小系統電路圖復位電路復位電路：rst 引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間會持續 24 個振蕩脈沖周期以上。振蕩電路振蕩電路：單片機本身是同步時序電路，但為實現同步工作方式，必須且只能有一個時鐘信號。時鐘信號的產生時鐘信號的產生：在 8051 單片機帶有高增益的反向放大器，它的輸入端是引腳 x1，輸出端是引腳 x2，通過這兩個引腳接芯片外部的晶振、微調電容，組成反饋電路，形成一個穩定的自激振蕩器。如上圖 4-17，為電路中的兩個電容大都取 30pf 左右，而晶體振蕩

56、器的振蕩頻率范圍是 1.2mhz-12mhz。4.3.2 電源電路設計本系統主要需要、等電壓共存，而、電壓由線性電v12v5v12v5源提供，如圖 4-13 所示。port1port2t1220v18vd51bridge1234c5147fc524700fc530.33fc540.33fvin12+12v 3gndu9mc7812-12v31vin2gndu10mc7912c550.22fc560.22fd52d53d545vd555vc571000fc581000f100r51100r52c59470fc510470fc5110.1fc5120.1fgnd+12v -12v+5v-5v圖 4

57、-13 系統電源電路4.3.3 ad574 芯片及其接口智能儀器處理的電路大都是模擬量，而智能儀器的微處理器能接收處理的是數字量，因此被測量的模擬量須由 a/d 轉換器轉換成數字量。通常我們把a/d 轉換器及其接口稱為模擬量輸入通道。a/d 轉換器是將模擬量轉變為數字量的器件，這個模擬量一般泛指電壓、電阻、時間等等，但是大部分情況模擬量指的是電壓。a/d 轉換器質量水平的技術指標有：分辨率、量化誤差、轉換精度、轉換速度和滿刻度范圍等。ad574a 是單片高速 12 位逐次逼近型 a/d 轉換器，其內置雙極性電路，組成混合集成轉換顯片，ad574a 外接元器件少，低功耗，高精度，并有自動校零及自

58、動的極性轉換等功能，只需外接少量的電容電阻，就能組成一個完整的 a/d 轉換器。ad574a 的主要性能指標如下：（1）分辨率：12 位，誤差：小于或非線性lbs2/1lbs1（2）轉換速率：最大 35，適用于轉換速率低于 30的領域sskb/（3）模擬電壓輸入范圍：10v 和 120v，0v 和 0v 共四種510（4）芯片工作模式：分和單一工作模式兩種全速工作模式（6）數據格式：12 位/8 位。 其引腳如圖 4-14 所示：輸出1vcc10ref-in9an-gnd12bplrof1310vspn1420vspn8refout7+vs11-vslsbdb016db117db218db31

59、9db420db521db622db723db824db925db1026status28ce6a0/sc4cs3msb-1127r/c512/82ad574圖 4-14 ad574 引腳圖ad574 共有 6 個控制引腳：、 ce 片選信號和片啟動信號。r/：讀出和轉換控制信號。l2/ ：數csc8據格式選擇信號引腳。當 12/l(+5v)時，雙字節（12 條數據線同輸出8輸出時有效） ，當 12/0(0v)時，為單字節（只有高 8 位或低 4 位有效） 。輸出8輸出a0：字節選擇控制線。在轉換期間：若是 a00，ad574 進行全 12 位轉換，轉換時間為 25s；若是 ao1 時，則進行

60、 8 位轉換，轉換時間為 16s。在讀出期間：若是 ao=0 時，高 8 位數據有效；若是 aol 時，低 4 位數據有效，中間 4 位為“0”，高 4 位為三態。vl：接+5v。vcc： 接+12v/+15v。vee：接-12v/-15v。refin、efout：參考輸入、輸出。ac、dc 模擬、數字公共端。bipoff：雙極性位置。10vin、20vin： 10v/20v 檔輸入。sts：輸出狀態信號引腳。 開始轉換時，會達到高電平并在轉換過程中一直保持高電平。轉換完sts成后重新回到低電平。可以當成被 cpu 查詢的狀態信息，也可以用它的下sts降沿向 cpu 發中斷申請，通知 a/d