基于PSD的浓度检测系统设计与分析论文.doc

毕 业 论 文基于 PSD 浓度检测系统设计与分析 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 摘 要- I -摘 要目前，实时液体浓度检测技术相对来说还比较落后，因此研究新型的液体浓度检测系统具有十分重要的意义。工业生产中检测液体浓度的方法有比重法、化学分析法、超声波法及光学法等。但这些方法既费时又需繁琐的人工取采样，滞后性大，无法实现实时在线检测液体浓度，鉴于以上问题，本文设计了一种基于 PSD 的浓度检测系统。浓度的变化会引起液体折射率的变化，对于固定的入射光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，进而得到液体的折射率，从而计算出液体浓度，再由 LED 显示出来。本系统主要由半导体激光器、双隔离窗光学系统、PSD 信号处理电路、基于 8051 单片机的 A/D 采集运算控制电路和显示电路等组成。双隔离窗光学系统采用两个隔离窗使光线在待测液体中两次折射，测量结果更精确；PSD 信号调理电路主要由前置放大、加法器、减法器和除法器等部分构成，将对信号进行 I/V 变换和放大处理；基于 8051 单片机的 A/D 采集运算控制电路主要对 PSD 调理后的模拟量信号转变为数字量，并将信号输入至单片机进行分析处理，从而得到浓度值，最后由显示系统显示出来。通过实验发现，光源强度和温度漂移对本系统的影响非常小，该系统具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应时间快以及自动化程度高等优点，能够方便、准确地实现液体浓度的实时在线检测。本浓度检测系统可广泛应用在化工、制糖、食品、制药等诸多行业，是一种具有广阔发展前景的浓度检测系统。关键词：位置敏感器件（PSD） ，半导体激光器，液体浓度，8051 单片机ABSTRACTIIABSTRACTAt present, real-time on-line liquid concentration detection technology is still relatively backward. Research of a new type of liquid concentration detection system is 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, in 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 defense 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 lag, 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 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 semiconductor 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 measurement 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 ABSTRACTIIImicrocomputer A/D sampling operation control circuit mainly of PSD after analog signals 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, 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 industries, is a kind of concentration detecting system has the broad prospects for development.Key words: PSD, semiconductor laser diode， liquid concentration, MCU8051目 录- -IV目 录摘 要IABSTRACTII目 录IV第一章 绪论11.1 课题设计的目的意义11.2 国内外研究现状 11.2.1 位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况11.2.2 液体浓度测量的国内外研究现状21.3 课题设计的主要内容3第二章 总体方案42.1 系统总体方案设计42.2 系统性能指标 5第三章 光学系统的设计63.1 光源的选择 63. 2 光学系统设计 7第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理电路的设计104.1 半导体位置敏感器件 PSD104.1.1 PSD 的工作原理104.1.2 PSD 的主要性能参数124.1.3 影响 PSD 性能的因素134.1.4 PSD 的选取144.2 PSD 信号调理电路的设计154.2.1 前置滤波器、主放大电路、模拟除法器154.2.2 背景干扰及暗电流消除194.2.3 陷波电路224.3 8051 单片机硬件系统234.3.1 单片机系统概述234.3.2 电源电路设计244.3.3 AD574 芯片及其接口254.3.4 MCS-8051 单片机274.3.5 AD574A 与单片机的接口电路28目 录- -V4.3.6 基于 MAX232 的通讯模块28第五章 LED 显示电路设计305.1 LED 的结构 305.2 显示器接口 31第六章 系统的软件设计326.1 系统软件设计流程326.2 A/D 转换子程序设计336.3 LED 显示子程序设计336.4 十进制编码与 BCD 编码的相互变换34第七章 浓度检测系统35第八章 系统误差分析368.1 光强波动的影响 368.2 位置敏感器件对系统的影响368.3 温度对系统测量的影响37结 论39参考文献40致 谢42第一章 绪论- - 1 -第一章 绪论 液体浓度测量在工业中占有非常重要的地位。对溶液浓度的测量与控制在化工、制糖、乳制品等行业中有着广泛的作用,它是提高产品质量的重要技术手段。1.1 课题设计的目的意义浓度是一项重要的衡量工业产品质量的指标，为了提高产品质量，生产企业除了在实验室对产品浓度进行检测外，还要在生产线上对产品浓度进行监督和控制，实验室检验只是抽样检验，实时性差，难以控制产品质量，仅仅依靠这种方法难以满足生产需求。而实时在线检测可使工作人员在生产过程中及时掌握浓度变化并采取措施，从而实现实时控制，使产品的浓度控制在生产所需的范围内。本检测系统应用高精度的 PSD 作为信号接收器，有效解决了光线偏离而产生的误差，使用比较简单的光学系统和电子电路便可以非常稳定地检测液体的浓度，大大节约成本，并且由于 PSD 只对光斑能量中心敏感，因而对光源的变化影响可忽略不计，降低了对准直聚焦光学系统的要求，这更具现实意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况半导体位置敏感器件中分一维 PSD 和二维 PSD。一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维可以检测出光点的平面二维位置坐标。1930 年，肖特基将铜- 一氧化碳金属半导体结的一氧化碳表面边缘的金电极通过电流表短接于铜层，发现当用一束光照射一氧化碳表面时，外电流随光入射位置与电极之间的距离的增加指数下降，这便是横向光电效应的第一次发现。1957 年瓦尔马克在 InGe 结上重新发现了横向光电效应，并用载流子复合理论对此现象做了解释，提出可用来检测光点位置。1960 年 Lucovskey 推导出了描述横向光电效应的 Lucovskey 方程，奠定了 PSD 的理论基础。PSD 在 20第一章 绪论- - 2 -世纪 60 年代迅速发展并逐渐成熟；70 年代发展了表面分割型与两面分割型器件；80 年代的改进型分割型器件，改善了器件的性能及参数；90 年代改进表面分割型器件进一步发展，使结构更加完善，性能及参数进一步提高。而在国内，PSD 的发展比较晚，有关 PSD 的报告出现在 20 世纪 70 年代，当时也是一些关于 PSD 原理及性能方面的报道，且大部分是些译文，PSD 本身及其应用方面的研究缓慢，只是近几年来才引起重视。在研究方面，目前中国电子科技集团 44 研究所研制的 a-Si:H 一维 PSD 和单晶硅双面结构二维 PSD；浙大和中科院成都光电所合作研制二维 PSD 阵列来代替 CCD 和四象限位置探测器。1.2.2 液体浓度测量的国内外研究现状目前，工业生产中检测液体浓度的方法有许多种，有化学分析法、比重法、光学法等。这些方法的工作原理及装置结构各不同，适应场合也不同，并且各有其优缺点。化学分析法，虽可以做到较高的检测精度，但它需要消耗许多昂贵的化学试剂，又需要较长的分析周期，因此成本高。比重法，虽然方便，但在工业浓度检测中，常需检测大槽或大池中的不同深度处的溶液浓度，由于比重计采用浮力原理，它只能检测上层表面的溶液浓度，无法适应工业检测的需求。以上传统液体浓度检测的方法各有其不足，同时它们都需要人工取样，不能实时在线检测，而且在取样间隔内溶液浓度的变化又是未知的，这样就影响了产品的质量和自动化控制，所以它们的应用范围都很有限，不能适应现代工业生产的实际需求。国外已报道的有：伯格曼制作了一个光纤探头来检测各种液体的浓度；纳拉亚南使用一个基于激光的棱镜糖度计来检测液体浓度。其他提出来的技术包括平面荧光法、干涉测量法、热标记法等等。国内已报道的有：浮力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法等。然而，这些技术都需要复杂和昂贵的实验装置，不能用于流动液体浓度的检测。第一章 绪论- - 3 -1.3 课题设计的主要内容1系统总体设计方案及框图2PSD 特性分析3光学系统的设计4信号处理电路的设计6LED 显示电路设计7浓度检测系统图设计8系统程序设计9系统误差分析5A/D 转换电路的设计 本文的研究重点在光学系统的设计、PSD 信号处理及单片机控制系统的研究，相比以往的浓度检测系统，设计了新型的光学系统、选用位置敏感探测器PSD 并建立相应的单片机软硬件系统。本系统采用双隔离窗透射法，利用光在液体浓度变化时引起折射率变化的原理，对浓度测量，通过引入高精度的位置敏感器件 PSD 作为接受传感器，同时采用外围设备丰富的 8051 系列单片机作为核心处理芯片，从而简化了检测系统的整体结构，使得安装调试更为简便，同时减少了许多误差来源，保证了测量值的较高精度。第二章 总体方案- 4 -第二章 总体方案浓度的变化会引起液体对光的折射率的变化，而由激光器发出的固定倾斜入射的光线，折射率的变化导致出射光线发生偏移，利用 PSD 将得到的电流信号经过放大处理后检测出偏移量的大小，将这个模拟量经过 A/D 转换后发送给8051 单片机，以单片机为核心对浓度检测系统进行控制处理，最后由 LED 显示液体的浓度。2.1 系统总体方案设计本浓度检测系统主要分以下几个部分：半导体激光器、光学系统、PSD 信号调理电路、8051 单片机系统、A/D 转换电路、显示电路等等。液体浓度检测系统的系统框图如下图：图 2-1 浓度检测系统框图系统工作原理为：由半导体激光器发射出激光，经过光学系统照射到 PSD感光面上， PSD 信号经处理电路，由 A/D 转换电路将模拟量变转为数字量，通过某些接口送入单片机，以其为核心对浓度检测系统进行控制，再由显示系统（LED）显示液体浓度。激光器电源光学系统PSD传感器PSD信号调理电路A/D转换电路8051单片机LED 显示系统键盘输入驱动电路第二章 总体方案- 5 -2.2 系统性能指标新型浓度检测系统的主要技术指标有：系统分辨力、系统测量精度、系统测量范围和体积与质量等。（1） 系统分辨力系统理论来说可分辨 1100000 的折射率变化，但实际测量时，会受放大器、单片机、A/D 转换电路影响，因此，综合来说系统的分辨力可达3100000。（2）系统测量精度系统测量精度取决于系统误差修正后的残差R 与偶然误差的总均方根值。若以 Sd表示浓度检测系统的测量精度。则：R22RSRd（3）系统测量范围系统中采用了滨松公司的 S3932 型，考虑到边缘误差，有效敏感区实际约 11.6mm，其可测量折射率 1.229861.50137。最大相当于 20 度氯化钠溶液的 90%的浓度精度。若 PSD 长度增加，则测量范围加大。 （4） 系统的体积与重量浓度检测系统的体积与重量在使用中是一个突出指标，但是往往同其他指标互相矛盾。第三章 光学系统的设计- 6 -第三章 光学系统的设计3.1 光源的选择光源有钠 光灯、发光二极管、氦氖激光器、半导体激光器可以选择。而选择的要求是单色性好、方向性好、稳定性高、结构简单、体积小且耐用、使用方便 且便宜等。（1） 钠光灯钠光灯工作时，在可见光区域发射处两条极强的黄色谱线，通常取589.3nm 作为钠光灯光线 的参考波长 。因此钠灯是比较重要的单色光源之一。钠灯的光源质量好，所以 用钠灯作为光源后 测出来的 数据并不需要去修正，但 其设备体积大， 且需要限制电流 ，启动电压也比较高。（2） 发光二极管 LEDLED 作为光源 的，是使用一种黄色超高亮度的 LED，它是直接注入电流的一种发射设备，是晶体内部 的受激电子从高能级到低能级时，发射光子的结果。 发光二级管 具有体积小、坚固 、耐用、使用电压低、寿命长等优点。但 发光二级管的单色性差，强度较弱，方向性也不好。（3） 氦氖激光器氦氖激光器是一个气体放电管，管内充有氦气、氖气，两端用镀有多层介质膜的反射镜封固，构成谐振腔。光在两镜面间多次反射，形成持续振荡，从而发射出激光。激光单色性好、方向性比较好、激光束产生的光斑质量好。但氦氖激光器的激光管体积 相对太大，且需很高的电源电压。（4） 半导体激光器半导体激光器具有单色性好，方向性好，体积小，工作电源电压约为2.5V，使用方便等优点。本系统使用HTL67T05 型输出基横模量子阱 半导体激光器。半导体激光器 的芯片结构 几乎与侧面发光的 LED 芯片相同，但 需要制造与 PN 结相互垂直的两个光学平面作为光学谐振腔，当PN 结通电且电流大于 阀值时，引起高强度的电致发光， 最后在谐振腔内产生了激光。第三章 光学系统的设计- 7 -激光产生是 因为当光通过半导体时， 所引发受激发射 后放大的结果。3. 2 光学系统设计（1） 浓度检测的基本光学原理浓度检测的基本原理如图 3-1 所示，被测液体浓度的改变，导致折射率发生变化，从而引起入射光折射角的变化，通过检测折射角的变化，经分析计算可求待测液体浓度。图 3-1 液体浓度检测的基本原理图水槽分为两部分，一部分装蒸馏水，另一部分装待测液体，中间用一块倾斜的光学透射窗隔离开，这样，光线的折射角度就会随两部分液体折射率差值的变化而不同。当光线如图 3-1 所示的情况入射，那么两种液体折射率之差n与光线偏移量 d 之间存在下列关系 (3-1)kdnnnn2/cot20其中， 为光线出射角， 为光线入射角，k 为与结构有关的常量。（2） 浓度检测的光学系统图本文提出了采用双隔离窗的光透射液体浓度检测的实验设备。如图 3-2 所示。光学系统由 两个内盛蒸馏水的水槽和 一个盛有 待测液体的测量水槽 组成，三个水槽间 由两个平行的光学透射窗隔开，水平入射的光线在由光学透射窗 1 进入待测液体时。在装有蒸馏水 2 的水槽装产生一个入射角有一个，光线经过的反射后， 再次进入，同样双平面镜双平面镜待测液体入射光线待测液体dn蒸馏水蒸馏水2蒸馏水1水槽双平面镜待测液体光学透射窗2光学透射窗1PSD滤光片激光器第三章 光学系统的设计- 8 -图 3-2 光学系统图会，再次进入装有蒸馏水的水槽 1，最后通过窄带滤光片投产生一个入射角射在的光敏面上，当的浓度改变时，光线透射后到位置敏感器件待测液体光敏面上的光斑位置也发生变化，而 PSD 此时就会线性的输出位置敏感器件这一变化，从而实现浓度的检测。滤波片的作用是滤除大部分环境杂散光对检测的影响。光线的如图 3-3 所示。在图 3-3 中用 d 来表示 PSD 所测得的被测几何轨迹液体是待测液体（实光线）和蒸馏水（虚光线）时的光线偏移量。图 3-3 光线几何光学轨迹根据图 3-3 所示几何关系和光学折射定律有： d=d1+d2 (3-2) (3-3)tan111dsdnxnxd1d2s1s1dd1d2第三章 光学系统的设计- 9 - (3-4)tan212dsd和 (3-5)sinsin0gnn (3-6)sinsingxnn式中，s1为两隔离窗的间距。从式中看出，当入射角、参考液体和两隔离窗之间的距离选定后，、n0和s1就是固定值，将（3-2） 、 （3-3）式代入（3-1）式得到光线偏移量为 tan1tantan1tan1121ssddd （3-7） xxxnfnnnnssinarcsintan1sinarcsintan2001第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 10 -第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理电路的设计4.1 半导体位置敏感器件 PSDPSD 是为了实时精确测量 位置、距离和位移等发展起来的一种半导体光电敏感器件， 而它是基于半导体的横向光电效应 这一理论 测量入射光点位置。PSD 可分为一维 PSD 和二维 PSD。一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维可以检测出光点的平面二维位置坐标。4.1.1 PSD 的工作原理若有一轻微掺杂的 N 型半导体和一重掺杂的 P+型半导体构成 P-N 结，当内部载流子扩散、漂移后达到平衡稳定时，就形成一个由 N 指向 P 区的结电场。当光照射到 P-N 结时，半导体会吸收光子，而后激发出电子-空穴对。在结电场作用下，空穴将会进入 P 区，而电子进入 N 区，因此会产生结光电势，我们一般称之为内光电效应。但若是入射光仅集中照射在 P-N 结光敏面上某一点M，之后产生的电子、空穴会集中在该点 M 上。由于 P 区掺杂浓度远大于 N 区，这样导致 P 区的电导率也会远大于 N 区，因此，P 区的空穴将会由 M 点迅速扩散到整个 P 区，可以将整个 P 区看成等电位。而 N 区的电导率较低，进入 N 区的电子也将仍然集中在 M 点，从而会使 P-N 结横向形成不平衡电势，这会将空穴拉回 N 区，从而在 P-N 结横向形成一个横向电场，称之为横向光电校应。实用一维 PSD 为 PIN 三层结构，如图 4-1（a） 。P 层为感光面，它两边各有一信号输出电极。底层的公共电极用于加反偏电压。假设入射光照射到 PSD光敏面上一点时，产生的总光生电流为 I ，光电流将分别流向两个信号电极，0从而从信号电极上分别得到光电 I 和 I ，而 I = I + I 。若是 PSD 表面层的电12012阻是均匀的，那么 PSD 的等效电路为图 4-1b所示。由于 Rsh很大、 C 很1小，因此简化等效电路如图 4-1 (c)，其中入射光点的位置决定 R 、R 的值。12假如负载 R 相对于 R和 R 的大小来说可以忽略，则有：L12 = (4-1)21IIxLxLRR12第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 11 -在上式中，L 为 PSD 中心与信号电极的距离，x 为入射光点与 PSD 中心的距离。由此可得两个电极的输出光电流之比为，入射光点到该电极间距比的倒数。因此将 I = I + I 与式（4-1）联立得：012RLG N DRLG N DR1R2业业业业12xI1I2PINL3 (a)RLRLGNDGNDR1R212CjRshVDjI03 R1R2RLRLGNDGNDI0312 (b) (c)图 4-1 PSD 的结构及等效电路(a)截面电路 (b)等效电路 (c)简化的等效电路 （4-LxLII2012）第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 12 - （4-LxLII2023）可以看出，当入射光点不变动位置时，PSD 的单独一个电极输出的光电流与入射光强成正比。而当入射光强度固定时，单个电极的输出电流与入射光点距 PSD 中心的距离 x 呈线性关系。假如两个信号电极的电流如式（4-4）处理： （4-LxIIIIPX12124）则得到的结果只与光点的坐标 x 有关，与入射光无关，此时 PSD 则是仅对入射光点位置敏感的器件。P则称为一维 PSD 的位置输出信号。X4.1.2 PSD 的主要性能参数从使用的角度来看， PSD 的谱响应特性、置线性度、灵敏面尺寸、暗电流、暗电流温度系数、响应速度等 等是我们选择 PSD 器件一定要考虑的指标。（1） 光谱响应特性 PSD 器件的，表示 PSD 的响应灵敏度和光波的波长间的关光谱响应特性系。PSD 器件的光谱响应一般为 3001100nm 之间，而其峰值响应波长大约在 900nm 左右。（2）位置线性度指的是光点顺着直线运动时 PSD 的位置输出偏离该直线的程度。位置线性度因为 P 区结面上电阻率并不是不变的，这时影响 PSD 非线性的主要因素。因而在使用时须人为的将 PSD 敏感面划为 a、b 区，a 区是指中央区域，b 区指的是边缘区域，b 区的位置准确度低于 a 区。我们应尽量让光点击打 a 区域，从而提高位置检测精度。 123第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 13 - 图 4-2 区域 a 及区域 b 的定义 1 区域 a 2 区域 b 3 感光面（3） 响应速度响应速度是反映 PSD 瞬态特性的重要指标， PSD 的工作时所处状态及制造工艺都与他有关。（4） 暗电流及暗电流温度系数暗电流及暗电流温度系数 指的是在无光照情况下 PSD 的响应特性。4.1.3 影响 PSD 性能的因素（1） 入射光对 PSD 性能的影响理论上讲，入射光点的强度和尺寸大小都和位置输出没有关系。但当入射光强增大时，信号电极的输出光电流也会随之增大，进而器件的位置分辨率会有所提高。然而入射光点强度太大，会引起器件饱和，应当控制入射光点强度。另外选择光源时，应挑选与 PSD 光谱响应良好匹配的光源，以方便充分全面的利用光能。（2）入射光点的中心位置PSD 的位置输出只与入射光点的中心位置有关，而与光点尺寸无关。但当光点位置接近有效感光面边缘时，一部分光就会落到感光面之外，使落在有效感光面内的光电中心位置偏离实际光点的中心位置，从而使输出产生误差。因此，即使入射光点全部落在器件的有效感光面内时，但为了降低边缘效应，入射光的直径小一点会更好。（3） 反偏电压对 PSD 性能的影响当加上反偏电压后，PSD 的感光灵敏度将会略有提高，而且 PSD 的结电容会有所减小。因此 PSD 在使用时加上 10V 左右的反偏电压后，会使 PSD 的暗电流也有所增加。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 14 -（4）环境温度对 PSD 的影响温度的变大导致器件暗电流的增大，暗电流的存在导致误差和噪声的产生，而且不利于背景光的产生。4.1.4 PSD 的选取结合 PSD 的性能参数、系统测量范围和测量精度的分析，本文选用滨松公司的 S3932 型 PSD 产品，其响应速度为 3，分辨率为 0.3，有效敏感区sm为 112，光谱响应特性曲线如图 4-3，它主要性能参数如表 4-1 所示。2mm图 4-3 S3932 光谱响应范围特性曲线 表 4-1 S3932 型 PSD 的主要性能参数光敏面112mm2光谱响应范围3201100nm响应度0.55A/W(=920nm)上升时间3.0(VR=5V，RL=1K)s结电容80pF(VR=5V，f=10kHZ)暗电流0.220nA(VR=5V)极间电阻3080(Vb=0.1V)K(Typ，Ta=26)OE=50%400600800100000.20.40.60.8OE=100%S3979S3931S3932响应灵敏度（A/W）波长（nm）第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 15 -工作温度-1060存储温度-2080分辨率0.3m位置测量误差60m4.2 PSD 信号调理电路的设计一维 PSD 信号检测调理电路，如图 4-4 所示。主要由前置滤波部分、主放大电路、减法器部分、除法器部分等组成，其中 IC1、IC2、IC3、IC3 为高精度运放电路，IC1 和 IC2 是前置运放电路， IC3 和 IC4 分别形成加法器、减法器，AD538 是模拟除法器，入射光强决定 Rf 大小。在本电路中我们将位移和液体浓度变化值他两个之间的线形因数折算到 PSD 的长度中，选择相应电阻并将输出的位置信号转便成对应的浓度值。4.2.1 前置滤波器、主放大电路、模拟除法器在实际应用的光电系统中，光电探测器上获得的一般都是微弱的电信号，不能被直接接受处理，应当经放大器进行放大处理。通过前置滤波器和光电探测器放在一起后组成的成探头，对信号给予放大。因为前置滤波器对增益和信噪比都有严格要求，所以我们选择低噪声的前置滤波器。（1） 前置滤波电路PSD 输出的信号为微弱的电流信号，为了对输出信号进一步的处理，需要设计电流型前置滤波电路进行 I/V 变换。前置滤波电路如下图 4-5 所示。PSD 光电流流过 RF 反馈电阻，反馈电容 CF 控制增益峰值，其值大小由 PSD结电容 Cd决定。RF、CF 由系统频响决定。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 16 -IC31OPAM PPSD4PSD3PSD2PSD1PS DIC32OPAM PIC33OPAM PIC34OPAM PC12PWREND13SIGNLEND14Vx15B 3+10V4+2V5Iz1-Vs7I9Vz2Vy10Iy11Ix16Vo8+Vs6U31AD53810KR3110KR3210KR33C3150uFC3250uFR3910KR31010K10KR34R3610KR3710K10KR35R311C3450uFC330.1uFR38POT2GND+VCCVCCGNDGNDGND-VCCGND+VCC-VCC+VCCGNDAD574-IN图 4-4 一维 PSD 的基本检测电路OUT-+RFRFRDCFCFUo图 4-5 电流型前置运放电路电路的输出电压： （4-5） RFIUIN0分析电路的频响函数，因为信号处于低频段，放大器的开环带宽可看成无穷大，根据戴维南定理和密勒定理，电流型前置放大电路可等效为如图 4-6 所示。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 17 - OU- + ZfZi ZfZCViU图 4-6 等效电路图 （4-6）RdZD （4-7）DINZIINV （4-8）oFFAZZ11式中，为放大器开环增益；FFFFCsRRZ10A则 （4-9）001/1)1/1(AAZZsCZVAZZsCUoFidDINoFid经过整理可得电路的闭环增益： （4-10）)1 (11dFDFiFoDFfCsZZZZZAZZA当时，电路的闭环增益可简化为：DiZZ 第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 18 - （4-11）)1 (110dFDFDFfCsZZZAZZA当为一纯电阻时，可看出是二阶系统，电路的阶跃响应将会振荡，与此FZ同时系统也很可能自激振荡，这样就需对系统进行相位补偿，电路中电容的FC作用就是相位补偿。当前置滤波器的高频稳定性由传递函数在复平面上两个极点P1，P2 的相位差 来表示，则时前置滤波器稳定，须满足此条件：60FC （4-12）1FPSDFRCC是前置滤波器的开环单位增益带宽。1此处选用 OP07 运放，其开环单位增益带宽=0.6MHz，差模输入阻抗1，又，。RF 的阻值要远小于mZi50kRd50pFCd1200diRZ PSD 的内阻，此处取，将上述参数带入上式，解得 Rd kRF1。pFCF7 .44（2） 主放大电路前置放大器对 PSD 的输出电流信号进行 I/V 变换，送入主放大器的为电压信号，由于 PSD 内阻的限制，RF不允许太大，主放大器的主要功能是将信号放大到我们所需的幅度。电路如下图 4-7。 +IC2OP07R0R1R2R3GNDGNDVinV0第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 19 -图 4-7 主放大电路图图中 Vin 为前置放大器的输入电压，前置放大器输出电阻 R0 数值很小直接忽略。电路输出为：V0=(R2R1 )Vin使 R3=R1/R2 可消除偏置电流产生的误差，而失调电压、失调电流可通过放大器外接调零电阻来消除。 放大器的输出电压要被送到数采模块进行 A/D 转换，因此必须考虑放大器的输出与数采模块的模拟输入电压范围的匹配。而通过调节放大倍数可实现电压的匹配，例如：当主放大器的输入极值电压为 0.01mV，数采模块的单极性输入电压 03V，则 A0 的取值为 300 左右。（3） 模拟除法器 AD538AD538 是美国 ADI 公司出品的实时模拟计算器件,能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。AD538 结构独特、工艺精良。低输入/输出偏移电压和优异的线性性能的结合,使其可在一个非常宽的输入动态范围内进行精确的运算。激光调整技术可使乘/除运算误差控制在输入幅值的 0.25%的范围之内。通常输出偏移小于或等于 100V。由于器件具有 400kHz 带宽,进一步加强了实时模拟信号的处理能力。因此,AD538 具有其它同类产品所不具备的特殊优点,PSD 器件的坐标处理电路是由 AD538 模拟除法器构成的。4.2.2 背景干扰及暗电流消除消除背景干扰和暗电流可以考虑从光路、电路两个方面来处理。光路方面：采用光学滤波的方法-在 PSD 感光面上加个信号光源与透过波长互相匹配的干涉滤光片，过滤掉大部分的背景光。电路方面：在几个时钟周期内，它可以看成是直流电平，因此可提前检出当信号光源熄灭时，背景干扰和暗电流的大小，之后点亮信号光源，此时再将检测到的输出信号减去背景干扰部分。此外，也可以先光源脉冲调制，然后对输出的信号采取锁相放大措施，从而通过同步检波过滤背景干扰及暗电流成分。（1）消除背景干扰及暗电流的电路第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 20 -此处我们同时使用光学法和电学法中的第一种措施来对背景干扰和暗电流进行消除。如下图 4-8 为其电路原理图：图 4-8 背景干扰、暗电流电路的消除电路：背景干扰、暗电流的干扰电平；dV：叠加干扰电平的信号输出；inV （4-13）RRRRR4321 （4-14）)(0dinVVV由 4-14 式可以看出，电路实现了消除背景干扰和暗电流的功能，电路不能放大，只是对信号进行了反向处理。（2） 干扰电平的采样与保持我们采用 LF198 采样保持器，它的直流精度非常高、捕获时间较低而且衰减率较小。在输出时，采用 P 沟道 JFET 构成输出放大器使衰减率较低，当外接的保持电容为 1F 时，它仅有 5mV/Min 的衰减率。同时双极性输入阶使失调电压和宽带宽度比较低， LF198 的失调得以通过片外的某个引脚来进行调节。LF198 的模拟输入电压范围能达到它电源电压的范围。LF198 型采样保持器如图 4-9 所示。采样保持器将由外触发电路提供采样保持信号，在点亮光源前，通过人工手动启动采样干扰电平。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 21 -图 4-9 采样保持器（3） 保持电容 Ch 的确定保持电容的选择主要从介质材料和电容值两个方面来考虑。在精密的采样保持电路中，误差主要来源于保持电容的介质吸收，我们了解到，聚丙烯、聚四氟乙烯这两种电容介质迟滞线是非常低的，因此我们选聚保持电容为四氟乙烯电容。在选择电容值时，应该从精度、衰减率和捕获时间等参数方面考虑。随着电容的增大，衰减率不断降低，为了获得更小的衰减率，应选择大电容，取Ch=0.1F。此时的衰减率为，捕获误差在范围内，捕获时sV /100 . 34%01. 0间为 300s。当保持电容为 0.1F，为 25C 时，衰减率，结温度sV /100 . 34而后坐过程将会持续 18ms，保持期间的电压衰减在理想情况下为 ，当采用 10 位 A/D 转换器，02V 电压输入，分mVVD0054. 0101834辨力，不会产生较大误差。因此我选择值为 0.1F 材料为聚四氟乙烯的V002. 0保持电容。（4） 采样保持电路的控制信号该控制信号由外部触发电路生成，并且在点亮光源前由人工手动启动。设计电路如图 4-10 所示，电路有两个 RC 网络和一个 schmidt（施密特）触发器。施密特触发器的作用是消除按键抖动，并且使脉冲展宽和整形生成规则的矩形脉冲。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 22 -当闭合按键 S1 时，电容通过 C 网络充电，充电的时间常数1R。在断开按键时，则通过 C 网络放电，放电的时间常数sCR470112R。ms472 VCC14N13M12H11L10F9E8GND7D6C5K4I3B2A1GND+5V+5VR1100R210K+4.7uFS1+5V图 4-10 外触发电路 4.2.3 陷波电路由于工作环境的恶劣，在电路中，发动这样的强干扰源将会产生工频干扰，其值约为 50Hz。PSD 输出的信号为微弱电流信号，在恶劣的环境中，工频干扰耦合在被放大后会将信号掩盖。由于存在工频干扰，信号变的很糟糕，必须用滤波器对工频干扰消除。我们选取有源双 t 陷波器，它能有效消除工频干扰的影响，电路如图 4-11 所示。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 23 -+-OUT+-OUTRRRkR业1-k业RCCCGNDVinVout图 4-11 有源双 t 陷波电路双 t 网络中两支路中 R，C 的对称程度决定双 t 陷波器的频率特性。保持各个电阻和电容的对称关系，可以是对应频率的信号互相抵消，陷波ZHf500器的参数关系式为 (4-15)RCf10 (4-16)1 (41kQk 值决定阻带宽度，k 越大，Q 越高，频率选择性越好。但是 Q 值太高，滤波器的性能就不稳定。这里取 k=0.9，则 Q=2.5。由和运算放大器ZHf500输入阻抗的限制选定电阻、电容。4.3 8051 单片机硬件系统4.3.1 单片机系统概述本系统就采用了 8051 单片机，因为 8051 片内具有 4KB 的程序存储器，所以像本系统这种较小的程序便不再需要扩展外部的程序存储器。由图 4-12 可知，第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 24 -本系统中单片机最小系统包括单片机本体、复位电路和时钟电路。123456ABCD654321DCBATitleNu mberRev isionSizeBDate:10-Jun-2 007Sheet o f File:H:业业业业业业业业业业业业业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 Y1GN DGN DR1010KR1110K+V cc+V ccRE SETR2200图 4-12 单片机最小系统电路图复位电路复位电路：RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间会持续 24 个振荡脉冲周期以上。振荡电路振荡电路：单片机本身是同步时序电路，但为实现同步工作方式，必须且只能有一个时钟信号。时钟信号的产生时钟信号的产生：在 8051 单片机带有高增益的反向放大器，它的输入端是引脚 X1，输出端是引脚 X2，通过这两个引脚接芯片外部的晶振、微调电容，组成反馈电路，形成一个稳定的自激振荡器。如上图 4-17，为电路中的两个电容大都取 30pf 左右，而晶体振荡器的振荡频率范围是 1.2MHz-12MHz。4.3.2 电源电路设计本系统主要需要、等电压共存，而、电压由线性电V12V5V12V5源提供，如图 4-13 所示。第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 25 -Port1Port2T1220V18VD51Bridge1234C5147FC524700FC530.33FC540.33FVin12+12V 3GNDU9MC7812-12V31Vin2GNDU10MC7912C550.22FC560.22FD52D53D545VD555VC571000FC581000F100R51100R52C59470FC510470FC5110.1FC5120.1FGND+12V -12V+5V-5V图 4-13 系统电源电路4.3.3 AD574 芯片及其接口智能仪器处理的电路大都是模拟量，而智能仪器的微处理器能接收处理的是数字量，因此被测量的模拟量须由 A/D 转换器转换成数字量。通常我们把A/D 转换器及其接口称为模拟量输入通道。A/D 转换器是将模拟量转变为数字量的器件，这个模拟量一般泛指电压、电阻、时间等等，但是大部分情况模拟量指的是电压。A/D 转换器质量水平的技术指标有：分辨率、量化误差、转换精度、转换速度和满刻度范围等。AD574A 是单片高速 12 位逐次逼近型 A/D 转换器，其内置双极性电路，组成混合集成转换显片，AD574A 外接元器件少，低功耗，高精度，并有自动校零及自动的极性转换等功能，只需外接少量的电容电阻，就能组成一个完整的 A/D 转换器。AD574A 的主要性能指标如下：第四章 基于 8051 单片机的 PSD 信号处理系统的设计 - 26 -（1）分辨率：12 位，误差：小于或非线性LBS2/1LBS1（2）转换速率：最大 35，适用于转换速率低于 30的