基于PSD的浓度检测系统设计与分析

I-摘要基于的浓度检测系统设计与分析摘要IIeefteranalogmndIII-IV- I 半导体位置敏感器件 10 前置滤波器、主放大电路、模拟除法器 15 系统软件设计流程 32转换子程序设计 33显示子程序设计 33十进制编码与编码的相互变换 34 光强波动的影响 36位置敏感器件对系统的影响 36温度对系统测量的影响 37 第一章绪论1.1课题设计的目的意义PSD低了对准直聚焦光学系统的要求，这更具现实意义。1.2国内外研究现状位置敏感探测器国内外发展状况，第一章绪论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。D设计9．系统误差分析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并建立相单片机软硬件系统。第一章绪论安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D2.1系统总体方案设计DPPSD传感器单片机A/DD光学系统激光器电源2.2系统性能指标(1)系统分辨力第二章总体方案(2)系统测量精度dR(3)系统测量范围(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但标是，往往同其他指标互相矛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。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第三章光学系统的设计dd待测液体蒸馏水入射光线n9nnncot+2/2nkd0(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进入待测液体时产生一个入射角9。在装有蒸馏水2的水槽装有一个双平面镜，光线双平面镜蒸馏水双平面镜蒸馏水2光学透射窗2待测液体光学透射窗1滤光片PSD激光器会产生一个入射角9，再次进入装有蒸馏水的水槽1，最后通过窄带滤光片投射在第三章光学系统的设计。待测液体(实光线)和蒸馏水(虚光线)时的光线偏移量。nnxnxα－βd12和(3-3)(3-4)xgns(3-1)式得到光线偏移量为stan(a-b)stan(a-b)d=d1+d2=1tan(a-b)+1tan(a-b)(3-7)(3-7)机的信号处理电路的设计PSD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4.1.1PSD的工作原理若有一轻微掺杂的型半导体和一重掺杂的型半导体构成结，当内部载流到结时，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01201212L12IRLx 1=2=(4-1)IRL+x210I+I与式(4-1)联立得：12b(c)(a)截面电路(b)等效电路(c)简化的等效电路I=II=I(4-2)102LI=I202L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：P=II21=x(4-4)XI+IL214.1.2PSD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(2)位置线性度1123图区域及区域的定义(3)响应速度(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D(2)入射光点的中心位置SD(4)环境温度对PSD的影响4.1.4PSD的选取)W/A(度敏灵应响0光光敏面光谱响应范围上升时间电容极间电阻工作温度存储温度分辨率位置测量误差4.2PSD信号调理电路的设计R0.2~20nA(V=5V)R4.2.1前置滤波器、主放大电路、模拟除法器(1)前置滤波电路F-UoOUT+RDF图(4-5)U=I(4-5)0IN+CZfZiUZfZVi图等效电路图Z=RdDV=IZININDZZ=FF11+Ao式中Z=RF，A为放大器开环增益；FFZF一AA=Df1+(1++F+sZFCd)oiD当Z>>Z时，电路的闭环增益可简化为：iDiZF一AA=D F当Z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，与此同时系F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C的作用就是相位补FFC>FPSC>FPSDRF1—是前置滤波器的开环单位增益带宽。did(2)主放大电路V图主放大电路图RRR(3)模拟除法器AD538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AD4.2.2背景干扰及暗电流消除理。(1)消除背景干扰及暗电流的电路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图背景干扰、暗电流电路的消除电路Vin：叠加干扰电平的信号输出；234RRRR234VinVd(2)干扰电平的采样与保持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，通过人工手动启图采样保持器(3)保持电容Ch的确定间的电压衰减在理想情况下为VD=318104=0.0054mV，当采用10位A/D转换器，(4)采样保持电路的控制信号111RC放电，放电的时间常数T=47ms。22+5VR1+5V2+5V2344.7uF567AVCCBNIMKHR2R2CL9DF8GNDEGND图外触发电路4.2.3陷波电路和电容的对称关系，可以是对应频率f=50H的信号互相抵消，陷波器的参数关系式0Z为1f=0RC124240Z电阻、电容。4.38051单片机硬件系统4.3.1单片机系统概述U2P3P124P135P14KEY1KEY2P157P1655PINT1INT0GNDP22T026P25EA104Y1P279X112MX2CTXDALE/PALE/PGNWRRST，其有效时间34X形4.3.2电源电路设计系统电源电路4.3.3AD574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(4)芯片工作模式：分全速工作模式和单一工作模式两种式选择信号引脚。当12/8＝l(+5v)时，双字节输出(12条数据线同时有效输出)，当12/8＝0(0V)时，为单字节输出(只有高8位或低4位有效)。00操操作无操作无操作出l2／85V接地接地00111100000011111A01014.3.4MCS-8051单片机EAVPPEA为高电平时，访问片内程序存储器；当EA为电平时，访问外部程序存储器I/O的负载驱动能力：P口的每条口线能以吸收电流方式驱动8个TTL电路，PPP口均只能驱1、2、3动个TTL电路。图4.3.5AD574A与单片机的接口电路LS进单片机内，然后再将低4位读进单片机。这里不管AD574A是处在启动、转换和输 出结果，使能端CE都必须为1，因此将单片机的写控制线WR和读控制线RD通过74LS00与非门与AD574A的使能端CE相连。4.3.6基于MAX232的通讯模块V中间转换电路采用多路RS-232驱动器/接收器芯片MAX232来实现。其电路图如图A第五章LED显示电路的设计AD5.1LED的结构发光二极管(a—g)构成“8”字形，另外还需采用另一个发光二极管(dp)作为小数点位。BB.gfedcba.ggfedcbagVccVcc字符共阴极段码共阳极段码字符共阴极段码共阳极段码03FHC0HA77H88H106HF9HB7CH83HDEFHPU灭DEFHPU灭4A4HA1H图TitleSizeNumberBFile:5第五章LED显示电路的设计字的BCD经PSD经PSDYAD转换调整PSD位NYNAD转换6.1系统软件设计流程6.2A/D转换子程序设计NNY-第六章系统的软件设计6.3LED显示子程序设计LED显示的应该是浓度的数值。由于该数值包含四位小数，所以要显示这个数值入口N指向缓冲区首地址N显示小数点最高位LED控制位送显示数据送出位控信号时取显示数据指向下一缓冲区查表取段码YN位YN位控信号左移LED程图A×BA×B-i=i+1-i=i+1N第六章系统的软件设计图码转换成十进制码图十进制码转换成码第七章浓度检测系统 的电流信号进行处理，由A/D转换电路将模拟量转换为数字量，通过适当接口将其送入单片机微处理器，以8051单片机为核心对浓度检测系统进行监控，再由显示器显示待测液体浓度。nm两个装有蒸馏水的参考水槽和装有待而且加入滤波片的目的是为了过滤掉大部分环境杂散光对浓度检测的影响。LED显示电路的设计：LED显示器具备工作低电压、小体积、长寿命、响应快速、丰富的颜色种类等许多优点，是智能仪器中最常用的显示器。本设计选用的显示电路为六位动态扫描显示电路。第八章实验结果及系统误差分析8.1光强波动的影响8.2位置敏感器件对系统的影响(1)位置敏感器件暗电流和环境杂散光的影响尽管我们在位置敏感器件的光敏面上封装了暗盒和窄带滤光片，环境杂散光中还会有除的小部分光。(2)光线偏移量方向与位置敏感器件轴线不平行的影响方向和半导体位置敏感器件的光敏面轴线方向尽量保持重合，但很难实现完全重合，而两者的偏差导致了误差的产生。如图所示，PSD光敏面的尺寸为40mm2，设光斑位dddbbdL8.3温度对系统测量的影响此在一天的时间里，待测液体中的水会蒸发。如果不采用差动检测技术，温度每变化抑制温度漂移带来的影响。图8-3光线偏移量随温度的变化曲线温度℃(1)分析了基于PSD的浓度检测系统的工作原理，并对PSD的工作特性进行了CLED(4)对液体浓度检测系统的误差进行了讨论与分析。参考文献[3]郭培源，光电检测技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2006郭培源，付扬，光电检测技术与应用(第2版).北京：北京航空航天大学出版社，2011新、王蕾.单片微型计算机原理及应用.北京:电子工业出版社,2011:51-79DJ[9]刘铁根.光电检测技术与系统.北京：机械工业出版社,2009[10]谭博学、苗汇静.集成电路原理及应用(第二版).北京:电子工业出版社,2008:37-103.[12]徐熙平、张宁.光电检测技术及应用北京：机械工业出版社,2012[13]周秀云.光电检测技术及应用.北京：电子工业出版社，200951单片机介绍,百度文库，百度百科.[17]陈润泰.检测技术与智能仪表(修订版).中南工业大学出版社,2008.]陈家璧.激光原理与应用.北京:电子工业出版社,2004reviewofSHLaneandJJGelfandCharacteristicsofintegratedrulesystemandneuralpril[24]范准峰,莫健华,高永强,等.基于光电位置传感器的激光液位检测系统研究.仪表技术与传感[26]李光飞,楼然苗.单片机课程设计实例指导.北京:北京航空行天大学出版社,2004[28]庞亚萍.位置敏感探测器的发展状况及应用研究.科技情报开发与经济.2006,16(24):183-185参考文献PSD设计.华中科技大学学报.2004,32(4):7-9致谢致谢本次毕业论文是在李XX教授的悉心指导下完成的，从论文的选择、课题的研究方A/D转换子程序RUintAD574(void)/*AD574转换函数*/ADCOM=0;/*启动A/D转换*/}while1){for(i=0;i<6;i++){/*函数声明*//*显示子程序/if(i>=6){i=0;p=p+6;}}}}{{}{inti;{}附录二：总体电路图双平面镜蒸馏水2光学透射窗2待测液体光学透射窗滤光片PSD光学系统激光器电路23