基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 畢業(yè)工作總結(jié)
畢業(yè)設(shè)計(jì)工作總結(jié)表6
工作任務(wù)完成情況（包括任務(wù)書中規(guī)定的工作內(nèi)容、研究目標(biāo)等，如未能完成須說明原因）：在李XX教授的精心指導(dǎo)下，經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的時(shí)間，我上網(wǎng)搜集資料、查閱了大量的相關(guān)書籍、請(qǐng)教老師和同學(xué)，確定了研究?jī)?nèi)容并按照任務(wù)書要求完成了相關(guān)的工作。本文針對(duì)目前實(shí)時(shí)液體濃度檢測(cè)技術(shù)大都需要費(fèi)時(shí)和繁瑣的人工取采樣，滯后性大，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)液體濃度，鑒于以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)。主要工作如下：分析了基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)PSD的工作特性進(jìn)行了分析研究；研制了基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了PSD的工作原理，采用了一種PSD專用信號(hào)處理芯片且實(shí)用的PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，用來對(duì)PSD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理；開發(fā)了基于PSD液體濃度檢測(cè)的軟件系統(tǒng)，編寫了ADC采集轉(zhuǎn)換與LED顯示部分的軟件，完成了系統(tǒng)調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示的工作；對(duì)液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了討論與分析。由于本人的水平有限、閱歷尚淺，設(shè)計(jì)中很多地方都不盡完美，但總的來說，在老師的幫助下基本完成了各項(xiàng)任務(wù)并撰寫了畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。在這里衷心的對(duì)李田澤老師表示感謝！主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：本論文的創(chuàng)新點(diǎn)是在之前工作的基礎(chǔ)上，對(duì)以往光學(xué)系統(tǒng)的不足之處的改進(jìn)、選擇了PSD傳感器，建立相應(yīng)的單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)。本文所采用的檢測(cè)方案為降低設(shè)計(jì)難度，選用PSD專用芯片對(duì)PSD信號(hào)進(jìn)行處理，提高了精度，降低了誤差，減輕了信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)。選用外設(shè)豐富的8051單片機(jī)為處理器，其內(nèi)部集成有多通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可直接通過單片機(jī)控制進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，少了許多接口電路，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且提高了系統(tǒng)可靠性。
工作狀況（包括工作態(tài)度、刻苦精神、協(xié)作精神、個(gè)人精力投入、出勤等情況）：拿到任務(wù)書后兩周內(nèi)，首先通過網(wǎng)上、實(shí)驗(yàn)室、圖書館等查閱各種資料，包括設(shè)計(jì)所需要的材料、外文文獻(xiàn)和翻譯資料，與指導(dǎo)老師交流，確定設(shè)計(jì)方案，再將這些資料整理并加以融合，在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的具體指標(biāo)稍作修改，基本上滿足本次設(shè)計(jì)的要求。在設(shè)計(jì)過程中，我深知自己所學(xué)知識(shí)有限，積極與其他同學(xué)及老師請(qǐng)教遇到的問題，正是由于老師的精心解答，同學(xué)的熱心幫助，我才如期完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。對(duì)每次老師集中指導(dǎo)我都非常重視，按時(shí)出勤，認(rèn)真聽取老師的指導(dǎo)，及時(shí)和老師交流設(shè)計(jì)心得，報(bào)告設(shè)計(jì)進(jìn)度。收獲、體會(huì)及建議：經(jīng)過一個(gè)學(xué)期緊張而充實(shí)的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，我受益匪淺。通過本次設(shè)計(jì)，我鞏固了所學(xué)專業(yè)知識(shí)，拓展了自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，學(xué)到了許多新的知識(shí)和技術(shù)。通過李田澤老師的不辭辛勞的悉心指導(dǎo)，我不僅將自己所學(xué)的知識(shí)在實(shí)踐中得以運(yùn)用，加強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的理解、運(yùn)用能力，而且接觸了很多新觀念、新方法，拓寬了知識(shí)面，為將來的工作打下良好的基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度和獨(dú)立解決分析問題的能力，自我約束能力也進(jìn)一步增強(qiáng)。在漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)過程中我克服了浮躁心理，踏踏實(shí)實(shí)用心做好每一步設(shè)計(jì)。同時(shí)，我還認(rèn)識(shí)到了和他人的協(xié)作對(duì)于一個(gè)人的成功是多么的重要，在與同學(xué)的交流協(xié)作中，我也學(xué)到了很多為人處事的方法，使得自己的交際能力有了很大的提高。本文是在導(dǎo)師李田澤教授的悉心指導(dǎo)下完成的。他淵博的知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，鞭策我不斷努力探索；他敏銳的洞察力和孜孜不倦的教誨使我受益終身，無論是現(xiàn)在還是將來，都將激勵(lì)我奮發(fā)向上。學(xué)生簽字：201*年6月20日
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SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ畢業(yè)論文
基于PSD濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
學(xué)院：
專業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：
201*年6月
摘要
摘要
目前，實(shí)時(shí)液體濃度檢測(cè)技術(shù)相對(duì)來說還比較落后，因此研究新型的液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。工業(yè)生產(chǎn)中檢測(cè)液體濃度的方法有比重法、化學(xué)分析法、超聲波法及光學(xué)法等。但這些方法既費(fèi)時(shí)又需繁瑣的人工取采樣，滯后性大，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)液體濃度，鑒于以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)。
濃度的變化會(huì)引起液體折射率的變化，對(duì)于固定的入射光線，折射率的變化會(huì)導(dǎo)致出射光線發(fā)生偏移，利用光電位置敏感器件檢測(cè)出光線偏移量的大小，進(jìn)而得到液體的折射率，從而計(jì)算出液體濃度，再由LED顯示出來。本系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、雙隔離窗光學(xué)系統(tǒng)、PSD信號(hào)處理電路、基于8051單片機(jī)的A/D采集運(yùn)算控制電路和顯示電路等組成。雙隔離窗光學(xué)系統(tǒng)采用兩個(gè)隔離窗使光線在待測(cè)液體中兩次折射，測(cè)量結(jié)果更精確；PSD信號(hào)調(diào)理電路主要由前置放大、加法器、減法器和除法器等部分構(gòu)成，將對(duì)信號(hào)進(jìn)行I/V變換和放大處理；基于8051單片機(jī)的A/D采集運(yùn)算控制電路主要對(duì)PSD調(diào)理后的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并將信號(hào)輸入至單片機(jī)進(jìn)行分析處理，從而得到濃度值，最后由顯示系統(tǒng)顯示出來。
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光源強(qiáng)度和溫度漂移對(duì)本系統(tǒng)的影響非常小，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)液體濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。本濃度檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在化工、制糖、食品、制藥等諸多行業(yè)，是一種具有廣闊發(fā)展前景的濃度檢測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：位置敏感器件（PSD），半導(dǎo)體激光器，液體濃度，8051單片機(jī)
-I-ABSTRACT
ABSTRACT
Atpresent,real-timeon-lineliquidconcentrationdetectiontechnologyisstillrelativelybackward.Researchofanewtypeofliquidconcentrationdetectionsystemisofgreatsignificance.Theproportionofliquidconcentrationdetectedintheindustrialproductionmethod,chemicalanalysis,opticalmethod.However,thesemethodsaretime-consumingandtediousmanualtotakesamplinglag,cannotachievereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration,inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsanewtypeofconcentrationdetectionsystembasedonpositionsensitivedetector.Inthechemicalandpharmaceutical,lightindustryandbeverageandenvironmentalprotectiondepartmentsandthevariousfieldsofscientificresearchandnationaldefensearetodetectandcontroltheparametersoftheliquidconcentration.Atpresent,theproportionofliquidconcentrationdetectedintheindustrialproductionmethod,chemicalanalysis,ultrasonicandopticalmethod.However,thesemethodsaretime-consumingandtediousmanualtotakesamplinglag,cannotachievereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration,inviewoftheaboveproblems,thedesignsanewtypeofconcentrationdetectionsystembasedonpositionsensitivedetector.
Concentrationchangecancausethechangeofliquidrefractiveindex,thefixedincidentlight,therefractiveindexchangewillcauseashiftoftheemergentlight,usingphotoelectricpositionsensitivedevicedetectthesizeofthedeviationofthelight,therefractiveindexliquidisobtained,tocalculatetheliquidconcentration,displayedbyLED.Thissystemismainlycomposedofsemiconductorlaserwindow,doubleisolationopticalsystem,PSDsignalprocessingcircuit,basedon51singlechipmicrocomputerA/Dacquisitionoperationcontrolcircuitanddisplaycircuit,etc.Doubleisolationopticalsystemconsistsoftwoseparatewindowbendslightaftertwo,makemoreaccuratemeasurementresults;PSDsignaldisposalcircuitismainlycomposedofpreamplifier,summator,subtracteranddividerandotherparts,willbethesignalI/Vtransformandprocessingtoenlarge;Basedon51singlechip
IIABSTRACT
microcomputerA/DsamplingoperationcontrolcircuitmainlyofPSDafteranalogsignalsintodigitalquantity,andwillbetreatedassignalinputtotheMCUisanalyzed,thedensityisobtained,finallydisplayedbythedisplaysystem.
Experimentsfoundthatlightintensityandtemperaturedriftofthissystemisaverysmalleffect,thesystemhassimplestructure,goodstability,highsensitivity,fastresponsetimeandhighdegreeofautomation,etc.Theliquidcanberealizedconvenientlyandprecisely,andreal-timeon-linedetectionofconcentration.Theconcentrationdetectionsystemcanbewidelyusedinchemicalindustry,sugar,food,pharmaceuticalandotherindustries,isakindofconcentrationdetectingsystemhasthebroadprospectsfordevelopment.
Keywords:PSD,semiconductorlaserdiode，liquidconcentration,MCU8051
III目錄
目錄
摘要I
ABSTRACTII
目錄IV第一章緒論1
1.1課題設(shè)計(jì)的目的意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1
1.2.1位置敏感探測(cè)器(PSD)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.2.2液體濃度測(cè)量的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容3
第二章總體方案4
2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)42.2系統(tǒng)性能指標(biāo)5
第三章光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6
3.1光源的選擇63.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)7
第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)10
4.1半導(dǎo)體位置敏感器件PSD104.1.1PSD的工作原理104.1.2PSD的主要性能參數(shù)124.1.3影響PSD性能的因素134.1.4PSD的選取144.2PSD信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)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224.38051單片機(jī)硬件系統(tǒng)234.3.1單片機(jī)系統(tǒng)概述234.3.2電源電路設(shè)計(jì)244.3.3AD574芯片及其接口254.3.4MCS-8051單片機(jī)274.3.5AD574A與單片機(jī)的接口電路28
-IV-目錄
4.3.6基于MAX232的通訊模塊28
第五章LED顯示電路設(shè)計(jì)30
5.1LED的結(jié)構(gòu)305.2顯示器接口31
第六章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)32
6.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程326.2A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)336.3LED顯示子程序設(shè)計(jì)336.4十進(jìn)制編碼與BCD編碼的相互變換34
第七章濃度檢測(cè)系統(tǒng)35
第八章系統(tǒng)誤差分析36
8.1光強(qiáng)波動(dòng)的影響368.2位置敏感器件對(duì)系統(tǒng)的影響368.3溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響37
結(jié)論39參考文獻(xiàn)40致謝42
-V-第一章緒論
第一章緒論
液體濃度測(cè)量在工業(yè)中占有非常重要的地位。對(duì)溶液濃度的測(cè)量與控制在
化工、制糖、乳制品等行業(yè)中有著廣泛的作用,它是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。
1.1課題設(shè)計(jì)的目的意義
濃度是一項(xiàng)重要的衡量工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)企業(yè)除了在實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品濃度進(jìn)行檢測(cè)外，還要在生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品濃度進(jìn)行監(jiān)督和控制，實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)只是抽樣檢驗(yàn)，實(shí)時(shí)性差，難以控制產(chǎn)品質(zhì)量，僅僅依靠這種方法難以滿足生產(chǎn)需求。而實(shí)時(shí)在線檢測(cè)可使工作人員在生產(chǎn)過程中及時(shí)掌握濃度變化并采取措施，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使產(chǎn)品的濃度控制在生產(chǎn)所需的范圍內(nèi)。
本檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用高精度的PSD作為信號(hào)接收器，有效解決了光線偏離而產(chǎn)生的誤差，使用比較簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)和電子電路便可以非常穩(wěn)定地檢測(cè)液體的濃度，大大節(jié)約成本，并且由于PSD只對(duì)光斑能量中心敏感，因而對(duì)光源的變化影響可忽略不計(jì)，降低了對(duì)準(zhǔn)直聚焦光學(xué)系統(tǒng)的要求，這更具現(xiàn)實(shí)意義。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1位置敏感探測(cè)器(PSD)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
半導(dǎo)體位置敏感器件中分一維PSD和二維PSD。一維可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，而二維可以檢測(cè)出光點(diǎn)的平面二維位置坐標(biāo)。
1930年，肖特基將銅-一氧化碳金屬半導(dǎo)體結(jié)的一氧化碳表面邊緣的金電極通過電流表短接于銅層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用一束光照射一氧化碳表面時(shí)，外電流隨光入射位置與電極之間的距離的增加指數(shù)下降，這便是橫向光電效應(yīng)的第一次發(fā)現(xiàn)。1957年瓦爾馬克在InGe結(jié)上重新發(fā)現(xiàn)了橫向光電效應(yīng)，并用載流子復(fù)合理論對(duì)此現(xiàn)象做了解釋，提出可用來檢測(cè)光點(diǎn)位置。1960年Lucovskey推導(dǎo)出了描述橫向光電效應(yīng)的Lucovskey方程，奠定了PSD的理論基礎(chǔ)。PSD在20世紀(jì)
--第一章緒論
60年代迅速發(fā)展并逐漸成熟；70年代發(fā)展了表面分割型與兩面分割型器件；80年代的改進(jìn)型分割型器件，改善了器件的性能及參數(shù)；90年代改進(jìn)表面分割型器件進(jìn)一步發(fā)展，使結(jié)構(gòu)更加完善，性能及參數(shù)進(jìn)一步提高。
而在國(guó)內(nèi)，PSD的發(fā)展比較晚，有關(guān)PSD的報(bào)告出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)也是一些關(guān)于PSD原理及性能方面的報(bào)道，且大部分是些譯文，PSD本身及其應(yīng)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(guó)電子科技集團(tuán)44研究所研制的a-Si:H一維PSD和單晶硅雙面結(jié)構(gòu)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(cè)器。
1.2.2液體濃度測(cè)量的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，工業(yè)生產(chǎn)中檢測(cè)液體濃度的方法有許多種，有化學(xué)分析法、比重法、光學(xué)法等。這些方法的工作原理及裝置結(jié)構(gòu)各不同，適應(yīng)場(chǎng)合也不同，并且各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
化學(xué)分析法，雖可以做到較高的檢測(cè)精度，但它需要消耗許多昂貴的化學(xué)試劑，又需要較長(zhǎng)的分析周期，因此成本高。
比重法，雖然方便，但在工業(yè)濃度檢測(cè)中，常需檢測(cè)大槽或大池中的不同深度處的溶液濃度，由于比重計(jì)采用浮力原理，它只能檢測(cè)上層表面的溶液濃度，無法適應(yīng)工業(yè)檢測(cè)的需求。
以上傳統(tǒng)液體濃度檢測(cè)的方法各有其不足，同時(shí)它們都需要人工取樣，不能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，而且在取樣間隔內(nèi)溶液濃度的變化又是未知的，這樣就影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和自動(dòng)化控制，所以它們的應(yīng)用范圍都很有限，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求。
國(guó)外已報(bào)道的有：伯格曼制作了一個(gè)光纖探頭來檢測(cè)各種液體的濃度；納拉亞南使用一個(gè)基于激光的棱鏡糖度計(jì)來檢測(cè)液體濃度。其他提出來的技術(shù)包括平面熒光法、干涉測(cè)量法、熱標(biāo)記法等等。國(guó)內(nèi)已報(bào)道的有：浮力法、靜壓法、折光法、振動(dòng)法、同位素法、勢(shì)力學(xué)法等。然而，這些技術(shù)都需要復(fù)雜和昂貴的實(shí)驗(yàn)裝置，不能用于流動(dòng)液體濃度的檢測(cè)。
--第一章緒論
1.3課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及框圖2．PSD特性分析3．光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4．信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)5．A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
本文的研究重點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、PSD信號(hào)處理及單片機(jī)控制系統(tǒng)的研究，相比以往的濃度檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了新型的光學(xué)系統(tǒng)、選用位置敏感探測(cè)器PSD并建立相應(yīng)的單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用雙隔離窗透射法，利用光在液體濃度變化時(shí)引起折射率變化的原理，對(duì)濃度測(cè)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(shí)采用外圍設(shè)備豐富的8051系列單片機(jī)作為核心處理芯片，從而簡(jiǎn)化了檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，使得安裝調(diào)試更為簡(jiǎn)便，同時(shí)減少了許多誤差來源，保證了測(cè)量值的較高精度。
6．LED顯示電路設(shè)計(jì)7．濃度檢測(cè)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)8．系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)9．系統(tǒng)誤差分析
--第二章總體方案
第二章總體方案
濃度的變化會(huì)引起液體對(duì)光的折射率的變化，而由激光器發(fā)出的固定傾斜入射的光線，折射率的變化導(dǎo)致出射光線發(fā)生偏移，利用PSD將得到的電流信號(hào)經(jīng)過放大處理后檢測(cè)出偏移量的大小，將這個(gè)模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給8051單片機(jī)，以單片機(jī)為核心對(duì)濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制處理，最后由LED顯示液體的濃度。
2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要分以下幾個(gè)部分：半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、PSD信號(hào)調(diào)理電路、8051單片機(jī)系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等等。液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖：
電激光器光學(xué)系統(tǒng)源PSD傳感器PSD信號(hào)調(diào)理電路LED顯示系統(tǒng)鍵盤輸入驅(qū)動(dòng)電路8051單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路圖2-1濃度檢測(cè)系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)工作原理為：由半導(dǎo)體激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到PSD感光面上，PSD信號(hào)經(jīng)處理電路，由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量變轉(zhuǎn)為數(shù)字量，通過某些接口送入單片機(jī)，以其為核心對(duì)濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，再由顯示系統(tǒng)（LED）顯示液體濃度。
第二章總體方案
2.2系統(tǒng)性能指標(biāo)
新型濃度檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：系統(tǒng)分辨力、系統(tǒng)測(cè)量精度、系統(tǒng)測(cè)量范圍和體積與質(zhì)量等。
（1）系統(tǒng)分辨力
系統(tǒng)理論來說可分辨1／100000的折射率變化，但實(shí)際測(cè)量時(shí)，會(huì)受放大器、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路影響，因此，綜合來說系統(tǒng)的分辨力可達(dá)3／100000。
（2）系統(tǒng)測(cè)量精度
系統(tǒng)測(cè)量精度取決于系統(tǒng)誤差修正后的殘差△R與偶然誤差的總均方根值
R。若以Sd表示濃度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。則：
2SdRR2
（3）系統(tǒng)測(cè)量范圍
系統(tǒng)中采用了濱松公司的S3932型，考慮到邊緣誤差，有效敏感區(qū)實(shí)際約
11.6mm，其可測(cè)量折射率1.22986~1.50137。最大相當(dāng)于20度氯化鈉溶液的90%的濃度精度。若PSD長(zhǎng)度增加，則測(cè)量范圍加大。
（4）系統(tǒng)的體積與重量
濃度檢測(cè)系統(tǒng)的體積與重量在使用中是一個(gè)突出指標(biāo)，但是往往同其他指標(biāo)互相矛盾。
第三章光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第三章光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1光源的選擇
光源有鈉光燈、發(fā)光二極管、氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器可以選擇。而選擇的要求是單色性好、方向性好、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，在可見光區(qū)域發(fā)射處兩條極強(qiáng)的黃色譜線，通常取589.3nm作為鈉光燈光線的參考波長(zhǎng)。因此鈉燈是比較重要的單色光源之一。鈉燈的光源質(zhì)量好，所以用鈉燈作為光源后測(cè)出來的數(shù)據(jù)并不需要去修正，但其設(shè)備體積大，且需要限制電流，啟動(dòng)電壓也比較高。
（2）發(fā)光二極管LED
LED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(fā)射設(shè)備，是晶體內(nèi)部的受激電子從高能級(jí)到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射光子的結(jié)果。發(fā)光二級(jí)管具有體積小、堅(jiān)固、耐用、使用電壓低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但發(fā)光二級(jí)管的單色性差，強(qiáng)度較弱，方向性也不好。
（3）氦氖激光器
氦氖激光器是一個(gè)氣體放電管，管內(nèi)充有氦氣、氖氣，兩端用鍍有多層介質(zhì)膜的反射鏡封固，構(gòu)成諧振腔。光在兩鏡面間多次反射，形成持續(xù)振蕩，從而發(fā)射出激光。激光單色性好、方向性比較好、激光束產(chǎn)生的光斑質(zhì)量好。但氦氖激光器的激光管體積相對(duì)太大，且需很高的電源電壓。
（4）半導(dǎo)體激光器
半導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)使用HTL67T05型輸出基橫模量子阱半導(dǎo)體激光器。
半導(dǎo)體激光器的芯片結(jié)構(gòu)幾乎與側(cè)面發(fā)光的LED芯片相同，但需要制造與PN結(jié)相互垂直的兩個(gè)光學(xué)平面作為光學(xué)諧振腔，當(dāng)PN結(jié)通電且電流大于閥值時(shí)，引起高強(qiáng)度的電致發(fā)光，最后在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了激光。
第三章光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
激光產(chǎn)生是因?yàn)楫?dāng)光通過半導(dǎo)體時(shí)，所引發(fā)受激發(fā)射后放大的結(jié)果。
3.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）濃度檢測(cè)的基本光學(xué)原理
濃度檢測(cè)的基本原理如圖3-1所示，被測(cè)液體濃度的改變，導(dǎo)致折射率發(fā)生變化，從而引起入射光折射角的變化，通過檢測(cè)折射角的變化，經(jīng)分析計(jì)算可求待測(cè)液體濃度。
蒸餾水d入射光線n待測(cè)液體圖3-1液體濃度檢測(cè)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(cè)液體，中間用一塊傾斜的光學(xué)透射窗隔離開，這樣，光線的折射角度就會(huì)隨兩部分液體折射率差值的變化而不同。當(dāng)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(guān)系
nnn0cot2/2nkd(3-1)
其中，Ω為光線出射角，θ為光線入射角，k為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。
（2）濃度檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)圖
本文提出了采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。如圖3-2所示。
光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)內(nèi)盛蒸餾水的水槽和一個(gè)盛有待測(cè)液體的測(cè)量水槽組成，三個(gè)水槽間由兩個(gè)平行的光學(xué)透射窗隔開，水平入射的光線在由光
。學(xué)透射窗1進(jìn)入待測(cè)液體時(shí)產(chǎn)生一個(gè)入射角在裝有蒸餾水2的水槽裝有一個(gè)雙平面鏡，光線經(jīng)過雙平面鏡的反射后，再次進(jìn)入待測(cè)液體，同樣
第三章光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
水槽雙平面鏡蒸餾水2光學(xué)透射窗2待測(cè)液體光學(xué)透射窗1蒸餾水1濾光片PSD
激光器圖3-2光學(xué)系統(tǒng)圖
，再次進(jìn)入裝有蒸餾水的水槽1，最后通過窄帶濾光片投射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)入射角在位置敏感器件的光敏面上，當(dāng)待測(cè)液體的濃度改變時(shí)，光線透射后到
位置敏感器件光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化，而PSD此時(shí)就會(huì)線性的輸出這
一變化，從而實(shí)現(xiàn)濃度的檢測(cè)。濾波片的作用是濾除大部分環(huán)境雜散光對(duì)檢測(cè)的影響。
光線的幾何軌跡如圖3-3所示。在圖3-3中用d來表示PSD所測(cè)得的被測(cè)液體是待測(cè)液體（實(shí)光線）和蒸餾水（虛光線）時(shí)的光線偏移量。
nxnxα－βd2dα－βs1d1d1s1d2圖3-3光線幾何光學(xué)軌跡
根據(jù)圖3-3所示幾何關(guān)系和光學(xué)折射定律有：
d=d1+d2(3-2)
第三章光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
d1s1d1tan(3-3)d2s1d2tan(3-4)
和n0sinngsin(3-5)nxsinngsin(3-6)
式中，s1為兩隔離窗的間距。從式中看出，當(dāng)入射角、參考液體和兩隔離窗之間的距離選定后，α、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
dd1d2s1tanstan11tan1tann0s1tanarcsinsinnx2fnx（3-7）
n01tanarcsinnsinx第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)
4.1半導(dǎo)體位置敏感器件PSD
PSD是為了實(shí)時(shí)精確測(cè)量位置、距離和位移等發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體光電敏感器件，而它是基于半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)這一理論測(cè)量入射光點(diǎn)位置。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，而二維可以檢測(cè)出光點(diǎn)的平面二維位置坐標(biāo)。
4.1.1PSD的工作原理
若有一輕微摻雜的N型半導(dǎo)體和一重?fù)诫s的P+型半導(dǎo)體構(gòu)成P-N結(jié)，當(dāng)內(nèi)部載流子擴(kuò)散、漂移后達(dá)到平衡穩(wěn)定時(shí)，就形成一個(gè)由N指向P區(qū)的結(jié)電場(chǎng)。當(dāng)光照射到P-N結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體會(huì)吸收光子，而后激發(fā)出電子-空穴對(duì)。在結(jié)電場(chǎng)作用下，空穴將會(huì)進(jìn)入P區(qū)，而電子進(jìn)入N區(qū)，因此會(huì)產(chǎn)生結(jié)光電勢(shì)，我們一般稱之為內(nèi)光電效應(yīng)。但若是入射光僅集中照射在P-N結(jié)光敏面上某一點(diǎn)M，之后產(chǎn)生的電子、空穴會(huì)集中在該點(diǎn)M上。由于P區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)，這樣導(dǎo)致P區(qū)的電導(dǎo)率也會(huì)遠(yuǎn)大于N區(qū)，因此，P區(qū)的空穴將會(huì)由M點(diǎn)迅速擴(kuò)散到整個(gè)P區(qū)，可以將整個(gè)P區(qū)看成等電位。而N區(qū)的電導(dǎo)率較低，進(jìn)入N區(qū)的電子也將仍然集中在M點(diǎn)，從而會(huì)使P-N結(jié)橫向形成不平衡電勢(shì)，這會(huì)將空穴拉回N區(qū)，從而在P-N結(jié)橫向形成一個(gè)橫向電場(chǎng)，稱之為橫向光電校應(yīng)。
實(shí)用一維PSD為PIN三層結(jié)構(gòu)，如圖4-1（a）。P層為感光面，它兩邊各有一信號(hào)輸出電極。底層的公共電極用于加反偏電壓。假設(shè)入射光照射到PSD光敏面上一點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的總光生電流為I0，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而從信號(hào)電極上分別得到光電I1和I2，而I0=I1+I2。若是PSD表面層的電阻是均勻的，那么PSD的等效電路為圖4-1〔b〕所示。由于Rsh很大、C1很小，因此簡(jiǎn)化等效電路如圖4-1(c)，其中入射光點(diǎn)的位置決定R1、R2的值。假如負(fù)載RL相對(duì)于R1和R2的大小來說可以忽略，則有：
I1R2Lx=(4-1)I2R1Lx第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在上式中，L為PSD中心與信號(hào)電極的距離，x為入射光點(diǎn)與PSD中心的距離。由此可得兩個(gè)電極的輸出光電流之比為，入射光點(diǎn)到該電極間距比的倒數(shù)。因此將I0=I1+I2與式（4-1）聯(lián)立得：
(a)
(b)(c)
圖4-1PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路
(a)截面電路(b)等效電路(c)簡(jiǎn)化的等效電路
I1I0I2I0Lx（4-2）2LLx（4-3）
2L第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
可以看出，當(dāng)入射光點(diǎn)不變動(dòng)位置時(shí)，PSD的單獨(dú)一個(gè)電極輸出的光電流與入射光強(qiáng)成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度固定時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距PSD中心的距離x呈線性關(guān)系。假如兩個(gè)信號(hào)電極的電流如式（4-4）處理：PXI2I1x（4-4）
I2I1L則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的坐標(biāo)x有關(guān)，與入射光無關(guān)，此時(shí)PSD則是僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。PX則稱為一維PSD的位置輸出信號(hào)。
4.1.2PSD的主要性能參數(shù)
從使用的角度來看，PSD的譜響應(yīng)特性、置線性度、靈敏面尺寸、暗電流、暗電流溫度系數(shù)、響應(yīng)速度等等是我們選擇PSD器件一定要考慮的指標(biāo)。
（1）光譜響應(yīng)特性
PSD器件的光譜響應(yīng)特性，表示PSD的響應(yīng)靈敏度和光波的波長(zhǎng)間的關(guān)系。PSD器件的光譜響應(yīng)一般為3001100nm之間，而其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大約在900nm左右。
（2）位置線性度
位置線性度指的是光點(diǎn)順著直線運(yùn)動(dòng)時(shí)PSD的位置輸出偏離該直線的程
度。因?yàn)镻區(qū)結(jié)面上電阻率并不是不變的，這時(shí)影響PSD非線性的主要因素。因而在使用時(shí)須人為的將PSD敏感面劃為a、b區(qū)，a區(qū)是指中央?yún)^(qū)域，b區(qū)指的是邊緣區(qū)域，b區(qū)的位置準(zhǔn)確度低于a區(qū)。我們應(yīng)盡量讓光點(diǎn)擊打a區(qū)域，從而提高位置檢測(cè)精度。
圖4-2區(qū)域a及區(qū)域b的定義1區(qū)域a2區(qū)域b3感光面
-12-
12第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
（3）響應(yīng)速度
響應(yīng)速度是反映PSD瞬態(tài)特性的重要指標(biāo)，PSD的工作時(shí)所處狀態(tài)及制造工藝都與他有關(guān)。
（4）暗電流及暗電流溫度系數(shù)
暗電流及暗電流溫度系數(shù)指的是在無光照情況下PSD的響應(yīng)特性。
4.1.3影響PSD性能的因素
（1）入射光對(duì)PSD性能的影響
理論上講，入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小都和位置輸出沒有關(guān)系。但當(dāng)入射光強(qiáng)增大時(shí)，信號(hào)電極的輸出光電流也會(huì)隨之增大，進(jìn)而器件的位置分辨率會(huì)有所提高。然而入射光點(diǎn)強(qiáng)度太大，會(huì)引起器件飽和，應(yīng)當(dāng)控制入射光點(diǎn)強(qiáng)度。另外選擇光源時(shí)，應(yīng)挑選與PSD光譜響應(yīng)良好匹配的光源，以方便充分全面的利用光能。
（2）入射光點(diǎn)的中心位置
PSD的位置輸出只與入射光點(diǎn)的中心位置有關(guān)，而與光點(diǎn)尺寸無關(guān)。但當(dāng)光點(diǎn)位置接近有效感光面邊緣時(shí)，一部分光就會(huì)落到感光面之外，使落在有效感光面內(nèi)的光電中心位置偏離實(shí)際光點(diǎn)的中心位置，從而使輸出產(chǎn)生誤差。因此，即使入射光點(diǎn)全部落在器件的有效感光面內(nèi)時(shí)，但為了降低邊緣效應(yīng)，入射光的直徑小一點(diǎn)會(huì)更好。
（3）反偏電壓對(duì)PSD性能的影響
當(dāng)加上反偏電壓后，PSD的感光靈敏度將會(huì)略有提高，而且PSD的結(jié)電容會(huì)有所減小。因此PSD在使用時(shí)加上10V左右的反偏電壓后，會(huì)使PSD的暗電流也有所增加。
（4）環(huán)境溫度對(duì)PSD的影響
溫度的變大導(dǎo)致器件暗電流的增大，暗電流的存在導(dǎo)致誤差和噪聲的產(chǎn)生，而且不利于背景光的產(chǎn)生。
第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1.4PSD的選取
結(jié)合PSD的性能參數(shù)、系統(tǒng)測(cè)量范圍和測(cè)量精度的分析，本文選用濱松公司的S3932型PSD產(chǎn)品，其響應(yīng)速度為3s，分辨率為0.3m，有效敏感區(qū)為1×12mm2，光譜響應(yīng)特性曲線如圖4-3，它主要性能參數(shù)如表4-1所示。
0400
600
800
1000
0.2
OE=50%(Typ，Ta=26℃)
0.8
OE=100%響應(yīng)靈敏度（A/W）0.6
S3979S3931S39320.4
波長(zhǎng)（nm）
圖4-3S3932光譜響應(yīng)范圍特性曲線
表4-1S3932型PSD的主要性能參數(shù)光敏面光譜響應(yīng)范圍響應(yīng)度上升時(shí)間結(jié)電容暗電流極間電阻工作溫度存儲(chǔ)溫度分辨率位置測(cè)量誤差-14-
1×12mm2320~1100nm0.55A/W(=920nm)3.0s(VR=5V，RL=1K)80pF(VR=5V，f=10kHZ)0.2~20nA(VR=5V)30~80K(Vb=0.1V)-10~60℃-20~80℃0.3m±60m第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.2PSD信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
一維PSD信號(hào)檢測(cè)調(diào)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(yùn)放電路，IC1和IC2是前置運(yùn)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(qiáng)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(gè)之間的線形因數(shù)折算到PSD的長(zhǎng)度中，選擇相應(yīng)電阻并將輸出的位置信號(hào)轉(zhuǎn)便成對(duì)應(yīng)的濃度值。
4.2.1前置濾波器、主放大電路、模擬除法器
在實(shí)際應(yīng)用的光電系統(tǒng)中，光電探測(cè)器上獲得的一般都是微弱的電信號(hào)，不能被直接接受處理，應(yīng)當(dāng)經(jīng)放大器進(jìn)行放大處理。通過前置濾波器和光電探測(cè)器放在一起后組成的成探頭，對(duì)信號(hào)給予放大。因?yàn)榍爸脼V波器對(duì)增益和信噪比都有嚴(yán)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(hào)為微弱的電流信號(hào)，為了對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)一步的處理，需要設(shè)計(jì)電流型前置濾波電路進(jìn)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(jié)電容Cd決定。RF、CF由系統(tǒng)頻響決定。
電路的輸出電壓：
RDCF圖4-4一維PSD的基本檢測(cè)電路
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圖4-5電流型前置運(yùn)放電路
分析電路的頻響函數(shù)，因?yàn)樾盘?hào)處于低頻段，放大器的開環(huán)帶寬可看成無
U0IINRF（4-5）
窮大，根據(jù)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。
-16-
RF-CFOUTRFUo+第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
-+OUZCZfZiVi圖4-6等效電路圖
ZDRdVINIINZDZF1ZF1Ao式中ZRFF1sR，A0為放大器開環(huán)增益；
FCF1則(//Zi//ZFU1A)VINo0sCdA0Z1ZFDsC//Zi//d1Ao經(jīng)過整理可得電路的閉環(huán)增益：
ZFAfZD11A(1ZFZZFsZFCd)oiZD當(dāng)ZiZD時(shí)，電路的閉環(huán)增益可簡(jiǎn)化為：
-17-
UZf（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）（4-10）
第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
ZFZDAf（4-11）
1ZF1(1sZFCd)A0ZD當(dāng)ZF為一純電阻時(shí)，可看出是二階系統(tǒng)，電路的階躍響應(yīng)將會(huì)振蕩，與此同時(shí)系統(tǒng)也很可能自激振蕩，這樣就需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相位補(bǔ)償，電路中電容CF的
作用就是相位補(bǔ)償。當(dāng)前置濾波器的高頻穩(wěn)定性由傳遞函數(shù)在復(fù)平面上兩個(gè)極點(diǎn)
P1，P2的相位差Ψ來表示，則60時(shí)前置濾波器穩(wěn)定，CF須滿足此條件：
CFCPSD（4-12）RF11是前置濾波器的開環(huán)單位增益帶寬。
此處選用OP07運(yùn)放，其開環(huán)單位增益帶寬1=0.6MHz，差模輸入阻抗
Zi50m，又Rd50k，Cd1200pF，ZiRd。RF的阻值要遠(yuǎn)小于PSD
的內(nèi)阻Rd，此處取RF1k，將上述參數(shù)帶入上式，解得CF44.7pF。
（2）主放大電路
前置放大器對(duì)PSD的輸出電流信號(hào)進(jìn)行I/V變換，送入主放大器的為電壓信號(hào)，由于PSD內(nèi)阻的限制，RF不允許太大，主放大器的主要功能是將信號(hào)放大到我們所需的幅度。電路如下圖4-7。
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(shù)值很小直接
第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
忽略。電路輸出為：V0=－(R2／R1)Vin
使R3=R1//R2可消除偏置電流產(chǎn)生的誤差，而失調(diào)電壓、失調(diào)電流可通過放大器外接調(diào)零電阻來消除。
放大器的輸出電壓要被送到數(shù)采模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此必須考慮放大器的輸出與數(shù)采模塊的模擬輸入電壓范圍的匹配。而通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)可實(shí)現(xiàn)電壓的匹配，例如：當(dāng)主放大器的輸入極值電壓為0.01mV，數(shù)采模塊的單極性輸入電壓0~±3V，則A0的取值為300左右。
（3）模擬除法器AD538
AD538是美國(guó)ADI公司出品的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算器件,能提供精確的模擬乘、除和冪運(yùn)算功能。AD538結(jié)構(gòu)獨(dú)特、工藝精良。低輸入/輸出偏移電壓和優(yōu)異的線性性能的結(jié)合,使其可在一個(gè)非常寬的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確的運(yùn)算。激光調(diào)整技術(shù)可使乘/除運(yùn)算誤差控制在輸入幅值的0.25%的范圍之內(nèi)。通常輸出偏移小于或等于100μV。由于器件具有400kHz帶寬,進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)時(shí)模擬信號(hào)的處理能力。因此,AD538具有其它同類產(chǎn)品所不具備的特殊優(yōu)點(diǎn),PSD器件的坐標(biāo)處理電路是由AD538模擬除法器構(gòu)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(gè)方面來處理。
光路方面：采用光學(xué)濾波的方法----在PSD感光面上加個(gè)信號(hào)光源與透過波長(zhǎng)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，它可以看成是直流電平，因此可提前檢出當(dāng)信號(hào)光源熄滅時(shí)，背景干擾和暗電流的大小，之后點(diǎn)亮信號(hào)光源，此時(shí)再將檢測(cè)到的輸出信號(hào)減去背景干擾部分。此外，也可以先光源脈沖調(diào)制，然后對(duì)輸出的信號(hào)采取鎖相放大措施，從而通過同步檢波過濾背景干擾及暗電流成分。
（1）消除背景干擾及暗電流的電路
此處我們同時(shí)使用光學(xué)法和電學(xué)法中的第一種措施來對(duì)背景干擾和暗電流進(jìn)行消除。如下圖4-8為其電路原理圖：
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圖4-8背景干擾、暗電流電路的消除電路
Vd：背景干擾、暗電流的干擾電平；Vin：疊加干擾電平的信號(hào)輸出；
R1R2R3R4R（4-13）
V0(VinVd)（4-14）
由4-14式可以看出，電路實(shí)現(xiàn)了消除背景干擾和暗電流的功能，電路不能放大，只是對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shí)間較低而且衰減率較小。在輸出時(shí)，采用P溝道JFET構(gòu)成輸出放大器使衰減率較低，當(dāng)外接的保持電容為1μF時(shí)，它僅有5mV/Min的衰減率。同時(shí)雙極性輸入階使失調(diào)電壓和寬帶寬度比較低，LF198的失調(diào)得以通過片外的某個(gè)引腳來進(jìn)行調(diào)節(jié)。LF198的模擬輸入電壓范圍能達(dá)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(fā)電路提供采樣保持信號(hào)，在點(diǎn)亮光源前，通過人工手動(dòng)啟動(dòng)采樣干擾電平。
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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(zhì)材料和電容值兩個(gè)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(zhì)吸收，我們了解到，聚丙烯、聚四氟乙烯這兩種電容介質(zhì)遲滯線是非常低的，因此我們選聚保持電容為四氟乙烯電容。
在選擇電容值時(shí)，應(yīng)該從精度、衰減率和捕獲時(shí)間等參數(shù)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(yīng)選擇大電容，取Ch=0.1F。此時(shí)的衰減率為3.0104V/s，捕獲誤差在0.01%范圍內(nèi)，捕獲時(shí)間為300s。當(dāng)保持電容為0.1F，結(jié)溫度為25°C時(shí)，衰減率3.0104V/s，而后坐過程將會(huì)持續(xù)18ms，保持期間的電壓衰減在理想情況下為
VD3181040.0054mV，當(dāng)采用10位A/D轉(zhuǎn)換器，0~2V電壓輸入，分辨
力0.002V，不會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此我選擇值為0.1F材料為聚四氟乙烯的保持電容。
（4）采樣保持電路的控制信號(hào)
該控制信號(hào)由外部觸發(fā)電路生成，并且在點(diǎn)亮光源前由人工手動(dòng)啟動(dòng)。設(shè)計(jì)電路如圖4-10所示，電路有兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)schmidt（施密特）觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器的作用是消除按鍵抖動(dòng)，并且使脈沖展寬和整形生成規(guī)則的矩形脈沖。
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當(dāng)閉合按鍵S1時(shí)，電容通過R1C網(wǎng)絡(luò)充電，充電的時(shí)間常數(shù)
1R1C470s。在斷開按鍵時(shí)，則通過R2C網(wǎng)絡(luò)放電，放電的時(shí)間常數(shù)247ms。
+5VS1R11001+5V2+344.7uF567GNDAVCCBNIMKHCLDFGNDE14+5V1312111098R210K
圖4-10外觸發(fā)電路
4.2.3陷波電路
由于工作環(huán)境的惡劣，在電路中，發(fā)動(dòng)這樣的強(qiáng)干擾源將會(huì)產(chǎn)生工頻干擾，其值約為50Hz。PSD輸出的信號(hào)為微弱電流信號(hào)，在惡劣的環(huán)境中，工頻干擾耦合在被放大后會(huì)將信號(hào)掩蓋。由于存在工頻干擾，信號(hào)變的很糟糕，必須用濾波器對(duì)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。
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圖4-11有源雙t陷波電路
雙t網(wǎng)絡(luò)中兩支路中R，C的對(duì)稱程度決定雙t陷波器的頻率特性。保持各個(gè)電阻和電容的對(duì)稱關(guān)系，可以是對(duì)應(yīng)頻率f050HZ的信號(hào)互相抵消，陷波器的參數(shù)關(guān)系式為
f01(4-15)RCQ1(4-16)
4(1k)k值決定阻帶寬度，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(wěn)定。這里取k=0.9，則Q=2.5。由f050HZ和運(yùn)算放大器輸入阻抗的限制選定電阻、電容。
4.38051單片機(jī)硬件系統(tǒng)
4.3.1單片機(jī)系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)就采用了8051單片機(jī)，因?yàn)?051片內(nèi)具有4KB的程序存儲(chǔ)器，所以像本系統(tǒng)這種較小的程序便不再需要擴(kuò)展外部的程序存儲(chǔ)器。由圖4-12可知，
第四章基于8051單片機(jī)的PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)本體、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。+Vcc+VccR1010KR1110KP1.0123456781312U11P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8051RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728RESET+5S1KEY1S2KEY2E110UFR2200GNDGND+Vcc1514C1104R110KGND31Y119189171612MHZC2104GND圖4-12單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖復(fù)位電路：RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間會(huì)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期以上。振蕩電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)本身是同步時(shí)序電路，但為實(shí)現(xiàn)同步工作方式，必須且只能有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生：在8051單片機(jī)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(gè)引腳接芯片外部的晶振、微調(diào)電容，組成反饋電路，形成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。如上圖4-17，為電路中的兩個(gè)電容大都取230pf左右，而晶體振蕩器的振蕩頻率范圍是1.2MHz-12MHz。3
44.3.2電源電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要需要12V、5V等電壓共存，而12V、5V電壓由線性電源提供，如圖4-13所示。
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圖4-13系統(tǒng)電源電路
4.3.3AD574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(shù)字量，因此被測(cè)量的模擬量須由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。通常我們把A/D轉(zhuǎn)換器及其接口稱為模擬量輸入通道。A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的器件，這個(gè)模擬量一般泛指電壓、電阻、時(shí)間等等，但是大部分情況模擬量指的是電壓。A/D轉(zhuǎn)換器質(zhì)量水平的技術(shù)指標(biāo)有：分辨率、量化誤差、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，其內(nèi)置雙極性電路，組成混合集成轉(zhuǎn)換顯片，AD574A外接元器件少，低功耗，高精度，并有自動(dòng)校零及自動(dòng)的極性轉(zhuǎn)換等功能，只需外接少量的電容電阻，就能組成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。AD574A的主要性能指標(biāo)如下：
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（1）分辨率：12位，非線性誤差：小于1/2LBS或1LBS（2）轉(zhuǎn)換速率：最大35s，適用于轉(zhuǎn)換速率低于30Kb/S的領(lǐng)域（3）模擬電壓輸入范圍：1~0V和1~20V，0~5V和0~10V共四種（4）芯片工作模式：分全速工作模式和單一工作模式兩種（6）數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位。其引腳如圖4-14所示：
圖4-14AD574引腳圖
AD574共有6個(gè)控制引腳：
CS、CE片選信號(hào)和片啟動(dòng)信號(hào)。R/C：讀出和轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。l2/8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇信號(hào)引腳。當(dāng)12/8＝l(+5v)時(shí)，雙字節(jié)輸出（12條數(shù)據(jù)線同時(shí)有效輸出），當(dāng)12/8＝0(0V)時(shí)，為單字節(jié)輸出（只有高8位或低4位有效）。A0：字節(jié)選擇控制線。在轉(zhuǎn)換期間：若是A0＝0，AD574進(jìn)行全12位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs；若是Ao＝1時(shí)，則進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為16μs。在讀出期間：若是Ao=0時(shí)，高8位數(shù)據(jù)有效；若是Ao＝l時(shí)，低4位數(shù)據(jù)有效，中間4位為“0”，高4位為三態(tài)。
VL：接+5V。Vcc：接+12V/+15V。VEE：接-12V/-15V。REFIN、EFOUT：參考輸入、輸出。AC、DC模擬、數(shù)字公共端。BIPOFF：雙極性位置。10VIN、
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20VIN：10V/20V檔輸入。STS：輸出狀態(tài)信號(hào)引腳。
開始轉(zhuǎn)換時(shí)，STS會(huì)達(dá)到高電平并在轉(zhuǎn)換過程中一直保持高電平。轉(zhuǎn)換完成后重新回到低電平。STS可以當(dāng)成被CPU查詢的狀態(tài)信息，也可以用它的下降沿向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)，通知A/D轉(zhuǎn)換已完成，CPU可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
表4-2AD574控制信號(hào)真值表
CE0CSR／Cl2／8A0操作無操作無操作初始化為12位轉(zhuǎn)換器初始化為8位轉(zhuǎn)換器允許12位并行輸出允許高8位輸出允許低4位+4位尾010000011111
00111接+5V接地接地0101輸出4.3.4MCS-8051單片機(jī)
MCS-8051為40條引腳雙列直插封裝。由于制造工藝的局限，許多引腳都是功能復(fù)用。其引腳圖見圖4-15。
ALE/PROG：允許地址鎖存輸出/編程脈沖輸入。
EA/VPP：片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器選擇輸出/編程電壓輸入。當(dāng)EA為高電平時(shí)，
訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA為電平時(shí)，訪問外部程序存儲(chǔ)器I/O的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力：P0口的每條口線能以吸收電流方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1、P2、P3口均只能驅(qū)動(dòng)個(gè)TTL電路。
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圖4-158051引腳圖
4.3.5AD574A與單片機(jī)的接口電路
4的接口電路圖見附錄二，其內(nèi)含有8051單片機(jī)與AD57A
三態(tài)鎖存器74LS373和74LS00與非門電路，邏輯控制信號(hào)（CS、R/C、A0）
由8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74LS373鎖存到輸出段的Q7、Q0和Q1上，以此來控制AD574A的工作過程。AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過P0數(shù)據(jù)總線連至8051單片機(jī)，然后通過8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)兩次讀進(jìn)8051單片機(jī)，所以R/C須接地。當(dāng)8051單片機(jī)的P1.0查詢到STS端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，先將轉(zhuǎn)換后的12位A/D數(shù)據(jù)的高8位讀進(jìn)單片機(jī)內(nèi)，然后再將
使能端CE低4位讀進(jìn)單片機(jī)。這里不管AD574A是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，
都必須為1，因此將單片機(jī)的寫控制線WR和讀控制線RD通過74LS00與非門與
AD574A的使能端CE相連。
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4.3.6基于MAX232的通訊模塊
液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)軟件調(diào)試，所以需要與上位機(jī)通訊，采用
RS-232協(xié)議，而PC機(jī)串行口給出的信號(hào)是一個(gè)RS-232信號(hào)，它是一個(gè)基于3-7V正電壓、3-7V負(fù)電壓的脈沖鏈。這一信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成為一個(gè)0-5V的脈沖
鏈，處理器讀取更為方便。中間轉(zhuǎn)換電路采用多路RS-232驅(qū)動(dòng)器/接收器芯片
MAX232來實(shí)現(xiàn)。其電路圖如圖4-16所示。
MAX232芯片內(nèi)本身就IC芯片----MAX232芯片包括兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器。
有個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232輸出電平所需的-10~+10V電壓。所以芯片接口串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源就行了。
圖4-16MAX232外圍電路圖
C第五章LED顯示電路的設(shè)計(jì)第五章LED顯示電路設(shè)計(jì)5.1LED的結(jié)構(gòu)LED是發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，如圖5-1（a），用其中的七只發(fā)光二極管(ag)構(gòu)成“8”字形，另外還需采用另一個(gè)發(fā)光二極管（dp）作為小數(shù)點(diǎn)位。當(dāng)顯示器的某段發(fā)光二極管通電時(shí)，該段就會(huì)發(fā)光。人為控制某幾段發(fā)光二極管通電，就能顯示出數(shù)碼或者字符。LED顯示器結(jié)構(gòu)分為共陰極和共陽(yáng)極兩種，如圖5-1（b）和圖5-1（c）。B在共陰極中，各段發(fā)光二極管陰極都連一起，并且將它們的公共點(diǎn)接地。若某段發(fā)光二極管陽(yáng)極為高電平時(shí)，該段就會(huì)發(fā)光。在共陽(yáng)極中，各段發(fā)光二極管陽(yáng)極都連一起，并將它們的公共點(diǎn)接+5V電壓。當(dāng)某段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該段也會(huì)發(fā)光。.gfedcba.gfedcbaGNDVcc(a)(b)(c)圖5-1LED顯示器A為了顯示某個(gè)數(shù)字或者字符，就要點(diǎn)亮相應(yīng)的段，這就需要譯碼。BCD碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的段碼將由軟件來完成。表5-1顯示出段碼與數(shù)字、字母的關(guān)系表。表5-1段碼與數(shù)字、字母的關(guān)系表SizeNumberTitle字符01共陰極段碼3FH06H25BH共陽(yáng)極段碼C0HF9HA4H字符A3B共陰極段碼77H7CH39H共陽(yáng)極段碼88H4BDate:File:526-Jun-201*畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)終1283HC6HC第五章LED顯示電路的設(shè)計(jì)
34567894FH66H6DH7DH07H7FH6FHB0H99F92H82HF8H80H90HDEFHPU滅5EH79H71H76H73H3EH00HA1H86H8EH09H8CHC1HFFH從表可以看出，共陽(yáng)極顯示器的段碼和共陰極顯示器的段碼是互為反碼的。單片機(jī)微處理器有很強(qiáng)的邏輯控制能力，而且采用軟件譯碼并不復(fù)雜。智能儀器大多使用的是軟件譯碼。
5.2顯示器接口
按顯示方式來分，七段LED顯示分為靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示。在靜態(tài)顯示系統(tǒng)中，每位顯示器都應(yīng)有各自的鎖存器、譯碼器與驅(qū)動(dòng)器。用以鎖存各自帶顯示數(shù)字的BCD碼或反碼。因此，靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每一次顯示輸出后能夠保持顯示器不變，僅在待顯數(shù)字需要改變時(shí)，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容。在采用動(dòng)態(tài)顯示的系統(tǒng)中，控制器會(huì)定時(shí)掃描各個(gè)顯示器，顯示器件輪流工作，每次只能使一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，仍感覺所有的器件都在同時(shí)顯示。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已有能自動(dòng)對(duì)顯示器進(jìn)行掃描的專用顯示芯片，是電路即簡(jiǎn)單又少占用機(jī)時(shí)。當(dāng)LED顯示器位數(shù)較多時(shí)，為簡(jiǎn)化電路，將所有位的字段線對(duì)應(yīng)并聯(lián)，由一個(gè)8位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)將由另一個(gè)I/O口控制。所以用兩個(gè)8位I/O口能控制6位LED顯示器。若是顯示電路中，圖見附錄二，要求6位LED從右到左依次顯示8051內(nèi)存30H37H的內(nèi)容(小于等于0FH)，用查表法得到字段碼。8155的命令狀態(tài)口、PA口、PB口和PC口的地址為7CFFH7FFFH。
第六章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
第六章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
6.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
開始初始化各模塊顯示N有鍵按下？Y功能鍵1功能鍵2AD轉(zhuǎn)換調(diào)整PSD位N圖6-1系統(tǒng)程序流程圖AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理顯示數(shù)據(jù)處理顯示結(jié)束D調(diào)零了？Y功能鍵1具有調(diào)零功能，當(dāng)待測(cè)液體水槽內(nèi)裝有蒸餾水時(shí)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理后，顯示系統(tǒng)將會(huì)顯示，假如沒有顯示調(diào)零，須調(diào)節(jié)PSD位置，直到調(diào)零為止；功能鍵2的作用是系統(tǒng)工作狀態(tài)，把待測(cè)的液體放入水槽，按功能鍵2，系統(tǒng)則開始工作，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到8051單片機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，顯示系統(tǒng)會(huì)顯示待測(cè)液體濃度。
第六章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
6.2A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)
A/D轉(zhuǎn)換的目的是把經(jīng)信號(hào)處理電路處理過的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能接收處理的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換子程序就是把這個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并且將靠左邊對(duì)齊的數(shù)據(jù)調(diào)為向右對(duì)齊。
返回啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換開始ACC.7=1?N關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換Y圖6-2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖
6.3LED顯示子程序設(shè)計(jì)
LED顯示的應(yīng)該是濃度的數(shù)值。由于該數(shù)值包含四位小數(shù)，所以要顯示這個(gè)數(shù)值必須考慮到小數(shù)點(diǎn)在第二位。流程圖如圖5-3。
暫存送出位控信號(hào)延時(shí)取顯示數(shù)據(jù)指向下一緩沖區(qū)查表取段碼六位顯示完畢？YN位控信號(hào)左移返回
入口指向緩沖區(qū)首地址是第二位嗎？顯示小數(shù)點(diǎn)N最高位LED控制位送顯示數(shù)據(jù)圖6-3LED顯示子程序流程圖
第六章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
6.4十進(jìn)制編碼與BCD編碼的相互變換
由于經(jīng)過變換后的數(shù)據(jù)仍是不能直接顯示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，故需要將十進(jìn)制編碼變變?yōu)锽CD碼；而BCD碼是鍵盤輸入的，它不能被微控制器直接處理，需要將BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制編碼。因此需要相互轉(zhuǎn)變BCD編碼和十進(jìn)制編碼。其轉(zhuǎn)換流程如圖6-4、6-5所示。
開始A=ResultLB=10A×BResultL=A,R1=BA=ResultH,B=10A×BA=A+R1ResultH=AResultL=ResultL+Key返回
圖6-4BCD碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制碼
開始m=輸入值i=0a[i]=m%10m=m/10i=i+1Nm=0？YRL=a[1]第七章濃度檢測(cè)系統(tǒng)
第七章濃度檢測(cè)系統(tǒng)
本液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要分為半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、8051單片機(jī)及LED顯示電路等幾個(gè)部分。半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，通過光學(xué)系統(tǒng)、（裝有蒸餾水及待測(cè)液體）照射在PSD的感光面上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將PSD輸出的電流信號(hào)進(jìn)行處理，由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過適當(dāng)接口將其送入單片機(jī)微處理器，以8051單片機(jī)為核心對(duì)濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，再由顯示器顯示待測(cè)液體濃度。
光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：綜合考慮水的吸收、散射導(dǎo)致光的衰減，所選擇的系統(tǒng)光源是波長(zhǎng)為670nm的半導(dǎo)體激光器，此外光學(xué)系統(tǒng)還有兩個(gè)裝有蒸餾水的參考水槽和裝有待測(cè)液體的測(cè)量水槽，兩兩水槽間通過互相平行的兩個(gè)光學(xué)透射窗隔離，此光學(xué)透射窗也會(huì)同時(shí)對(duì)水平入射的光線，在進(jìn)入待測(cè)液體時(shí)產(chǎn)生一個(gè)入射角。在左邊內(nèi)裝蒸餾水的水槽有一個(gè)雙平面鏡，光線經(jīng)過雙平面鏡的反射后，再次進(jìn)入待測(cè)液體，而射出水槽后通過濾光片投射在PSD的光敏面上，當(dāng)待測(cè)液體濃度發(fā)生變化時(shí)，透射到PSD光敏面上的光斑位置也會(huì)發(fā)生變化，PSD就會(huì)線性的輸出這一變化，從而實(shí)現(xiàn)濃度的檢測(cè)。而且加入濾波片的目的是為了過濾掉大部分環(huán)境雜散光對(duì)濃度檢測(cè)的影響。
PSD信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)PSD的特征，若是要接收到光線的偏移量，須對(duì)PSD的輸出電流進(jìn)行一系列調(diào)理，主要包括信號(hào)放大電路、加法電路、減法電路、反相比例運(yùn)算電路等等。只有經(jīng)過這種調(diào)理才能得到光線的偏移量。
A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)：因?yàn)橹悄軆x器所能接受、處理的只能是數(shù)字量，而通過信號(hào)處理電路后獲得的是模擬量，這就需要將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，即A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后通過某些接口將信號(hào)送入微處理器8051單片機(jī)內(nèi)。此設(shè)計(jì)選用的AD574芯片是一種12位快速逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us，轉(zhuǎn)換誤差為1LSB。
LED顯示電路的設(shè)計(jì)：LED顯示器具備工作低電壓、小體積、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快速、豐富的顏色種類等許多優(yōu)點(diǎn)，是智能儀器中最常用的顯示器。本設(shè)計(jì)選用的顯示電路為六位動(dòng)態(tài)掃描顯示電路。
第八章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及系統(tǒng)誤差分析
第八章系統(tǒng)誤差分析
8.1光強(qiáng)波動(dòng)的影響
當(dāng)光源光波動(dòng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的輸出會(huì)有一定的影響。圖8-1就是在0.01的液體濃度下PSD的輸出隨光強(qiáng)變化的曲線。在變化500uW的范圍內(nèi)，PSD輸出的位移變化約13um。而實(shí)際運(yùn)用中中，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率打開1小時(shí)后，激光器的輸出光功率變化在50uW內(nèi)，因此，由這個(gè)光強(qiáng)度變化引起的誤差約為0.005%。
1540
光線偏移量/um
153215241516
1508
1500
100011001201*30014001500
光強(qiáng)/uW
圖8-1PSD輸出隨光強(qiáng)變化的曲線
8.2位置敏感器件對(duì)系統(tǒng)的影響
（1）位置敏感器件暗電流和環(huán)境雜散光的影響
位置敏感器件是一種半導(dǎo)體光敏器件，本身的暗電流會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來影
響，另外，盡管我們?cè)谖恢妹舾衅骷墓饷裘嫔戏庋b了暗盒和窄帶濾光片，環(huán)境雜散光中還會(huì)有透過濾光片不能被濾除的小部分光。
-36---第八章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及系統(tǒng)誤差分析
（2）光線偏移量方向與位置敏感器件軸線不平行的影響
當(dāng)濃度發(fā)生變化的時(shí)候，光點(diǎn)會(huì)上下的不斷移動(dòng)，在試驗(yàn)之間，需要將光線偏移量方向和半導(dǎo)體位置敏感器件的光敏面軸線方向盡量保持重合，但很難實(shí)現(xiàn)完全重合，而兩者的偏差導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。如圖所示，PSD光敏面的尺寸為40mm2，設(shè)光斑位置與位置敏感器件軸線最大偏移量為1mm，則實(shí)際的位置d和檢測(cè)到的軸向位移x的最大差別，其引起的相對(duì)誤差表示為
xdxddcos1cos1L/2dddL/22b2(8-1)
將具體的實(shí)驗(yàn)參量代入，可得這一相對(duì)誤差的大小約為0.12%。
bPSD的中軸線感光面Ldx光線的移動(dòng)方向圖8-2光線偏移量方向與位置敏感器件軸線不平行示意圖
8.3溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響
由圖8-3可以看出，隨著溫度的升高，系統(tǒng)的輸出基本沒有太大的變化，只是有些波動(dòng)，分析表明這一波動(dòng)主要是系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成的。另外還有一個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致圖中液體濃度隨著時(shí)間和溫度增加而略微增大，就是被檢測(cè)的液體沒有被密封在水槽中，因此在一天的時(shí)間里，待測(cè)液體中的水會(huì)蒸發(fā)。如果不采用差動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，溫度每變化2.5C就會(huì)給結(jié)果帶來3%左右的影響，因此加入?yún)⒖颊麴s水槽，通過差動(dòng)檢測(cè)方法，能有效的抑制溫度漂移帶來的影響。
-37---第八章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及系統(tǒng)誤差分析
1540光線偏移量/um15321524
15161508150024.024.525.025.5526.026.5溫度/℃
圖8-3光線偏移量隨溫度的變化曲線
-38---結(jié)論
結(jié)論
本文所研究的是基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)，由光學(xué)系統(tǒng)、PSD信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、8051單片機(jī)采集控制系統(tǒng)及顯示電路組成，較之以往檢測(cè)方法更加簡(jiǎn)便有效。
本論文的主要工作歸納如下：
（1）分析了基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)PSD的工作特性進(jìn)行了分析研究。而通過液體濃度變化引起光折射率變化的原理，設(shè)計(jì)出雙隔離窗法光學(xué)系統(tǒng)。
（2）研制了基于PSD的濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件由檢測(cè)核心器件PSD、激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和顯示電路等組成，并詳細(xì)介紹了PSD的工作原理，采用了一種PSD專用信號(hào)處理芯片且實(shí)用的PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，用來對(duì)PSD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。,
（3）開發(fā)了基于PSD液體濃度檢測(cè)的軟件系統(tǒng)，編寫了ADC采集轉(zhuǎn)換與LED顯示部分的軟件。完成了系統(tǒng)調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示的工作。
（4）對(duì)液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了討論與分析。
本文的研究重點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、PSD傳感器的應(yīng)用以及基于8051單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換控制部分的研究。這是在之前工作的基礎(chǔ)上，對(duì)以往光學(xué)系統(tǒng)的不足之處的改進(jìn)、選擇了PSD傳感器，建立相應(yīng)的單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)。本文所采用的檢測(cè)方案為降低設(shè)計(jì)難度，選用PSD專用芯片對(duì)PSD信號(hào)進(jìn)行處理，提高了精度，降低了誤差，減輕了信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)。選用外設(shè)豐富的8051單片機(jī)為處理器，其內(nèi)部集成有多通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可直接通過單片機(jī)控制進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，少了許多接口電路，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且提高了系統(tǒng)可靠性。另外采用LED電路作為系統(tǒng)的顯示器件。設(shè)計(jì)了LED接口電路。
參考文獻(xiàn)
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Frequency
致謝
致謝
本次畢業(yè)論文是在李XX教授的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選擇、課題的研究方法及路線的確定，直到最后論文定稿，無不凝聚著導(dǎo)師的心血。李教授雖然身體狀況不佳，但是仍在不斷努力工作，定期開會(huì)指導(dǎo)我們，向我們傳達(dá)一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等。李老師兢兢業(yè)業(yè)的工作精神和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中受益匪淺，在此，謹(jǐn)向尊敬的李老師致以衷心的感謝和崇高的敬意，希望李老師身體健康，萬事如意！
另外，在設(shè)計(jì)過程中，還得到了其他老師的指點(diǎn)和無私的幫助，對(duì)他們的關(guān)心和熱心幫助，在此謹(jǐn)向他們表示誠(chéng)摯的感謝！還要感謝我所有的朋友和同學(xué)，謝謝他們不斷的鼓勵(lì)和無私的幫助。
最后，我向家人表示最崇高的敬意，感謝他們多年來的理解與支持及無私奉獻(xiàn)！
附錄
附錄一
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BCD轉(zhuǎn)十進(jìn)制
程序如下：
unsignedlongBCDtoDec(constunsignedchar*bcd,intlength){
inti,tmp;
unsignedlongdec=0;
-44-
code
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