基于PSD的濃度檢測系統(tǒng)設計與分析 畢業(yè)工作總結(jié)

畢業(yè)設計工作總結(jié)表6

工作任務完成情況（包括任務書中規(guī)定的工作內(nèi)容、研究目標等，如未能完成須說明原因）：在李XX教授的精心指導下，經(jīng)過一個學期的時間，我上網(wǎng)搜集資料、查閱了大量的相關書籍、請教老師和同學，確定了研究內(nèi)容并按照任務書要求完成了相關的工作。本文針對目前實時液體濃度檢測技術大都需要費時和繁瑣的人工取采樣，滯后性大，無法實現(xiàn)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(tǒng)。主要工作如下：分析了基于PSD的濃度檢測系統(tǒng)的工作原理，并對PSD的工作特性進行了分析研究；研制了基于PSD的濃度檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并詳細介紹了PSD的工作原理，采用了一種PSD專用信號處理芯片且實用的PSD信號處理電路設計，用來對PSD的輸出信號進行處理；開發(fā)了基于PSD液體濃度檢測的軟件系統(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；對液體濃度檢測系統(tǒng)的誤差進行了討論與分析。由于本人的水平有限、閱歷尚淺，設計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任務并撰寫了畢業(yè)設計論文。在這里衷心的對李田澤老師表示感謝！主要創(chuàng)新點：本論文的創(chuàng)新點是在之前工作的基礎上，對以往光學系統(tǒng)的不足之處的改進、選擇了PSD傳感器，建立相應的單片機軟硬件系統(tǒng)。本文所采用的檢測方案為降低設計難度，選用PSD專用芯片對PSD信號進行處理，提高了精度，降低了誤差，減輕了信號處理的負擔。選用外設豐富的8051單片機為處理器，其內(nèi)部集成有多通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可直接通過單片機控制進行ADC轉(zhuǎn)換，少了許多接口電路，降低了系統(tǒng)的復雜性，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、個人精力投入、出勤等情況）：拿到任務書后兩周內(nèi)，首先通過網(wǎng)上、實驗室、圖書館等查閱各種資料，包括設計所需要的材料、外文文獻和翻譯資料，與指導老師交流，確定設計方案，再將這些資料整理并加以融合，在此基礎上根據(jù)設計任務書的具體指標稍作修改，基本上滿足本次設計的要求。在設計過程中，我深知自己所學知識有限，積極與其他同學及老師請教遇到的問題，正是由于老師的精心解答，同學的熱心幫助，我才如期完成畢業(yè)設計。對每次老師集中指導我都非常重視，按時出勤，認真聽取老師的指導，及時和老師交流設計心得，報告設計進度。收獲、體會及建議：經(jīng)過一個學期緊張而充實的畢業(yè)設計工作，我受益匪淺。通過本次設計，我鞏固了所學專業(yè)知識，拓展了自己的知識結(jié)構(gòu)，學到了許多新的知識和技術。通過李田澤老師的不辭辛勞的悉心指導，我不僅將自己所學的知識在實踐中得以運用，加強了對知識的理解、運用能力，而且接觸了很多新觀念、新方法，拓寬了知識面，為將來的工作打下良好的基礎。本次畢業(yè)設計，培養(yǎng)了我嚴謹認真的態(tài)度和獨立解決分析問題的能力，自我約束能力也進一步增強。在漫長的設計過程中我克服了浮躁心理，踏踏實實用心做好每一步設計。同時，我還認識到了和他人的協(xié)作對于一個人的成功是多么的重要，在與同學的交流協(xié)作中，我也學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。本文是在導師李田澤教授的悉心指導下完成的。他淵博的知識，嚴謹?shù)闹螌W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，都將激勵我奮發(fā)向上。學生簽字：201*年6月20日

擴展閱讀：畢業(yè)論文 基于PSD的濃度檢測系統(tǒng)設計與分析

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ畢業(yè)論文

基于PSD濃度檢測系統(tǒng)設計與分析

學院：

專業(yè)：學生姓名：學號：指導教師：

201*年6月

摘要

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(tǒng)具有十分重要的意義。工業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)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(tǒng)。

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(fā)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LED顯示出來。本系統(tǒng)主要由半導體激光器、雙隔離窗光學系統(tǒng)、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(tǒng)采用兩個隔離窗使光線在待測液體中兩次折射，測量結(jié)果更精確；PSD信號調(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(diào)理后的模擬量信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)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(tǒng)顯示出來。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，光源強度和溫度漂移對本系統(tǒng)的影響非常小，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應時間快以及自動化程度高等優(yōu)點，能夠方便、準確地實現(xiàn)液體濃度的實時在線檢測。本濃度檢測系統(tǒng)可廣泛應用在化工、制糖、食品、制藥等諸多行業(yè)，是一種具有廣闊發(fā)展前景的濃度檢測系統(tǒng)。

關鍵詞：位置敏感器件（PSD），半導體激光器，液體濃度，8051單片機

-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課題設計的目的意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1

1.2.1位置敏感探測器(PSD)國內(nèi)外發(fā)展狀況11.2.2液體濃度測量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3課題設計的主要內(nèi)容3

第二章總體方案4

2.1系統(tǒng)總體方案設計42.2系統(tǒng)性能指標5

第三章光學系統(tǒng)的設計6

3.1光源的選擇63.2光學系統(tǒng)設計7

第四章基于8051單片機的PSD信號處理電路的設計10

4.1半導體位置敏感器件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信號調(diào)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224.38051單片機硬件系統(tǒng)234.3.1單片機系統(tǒng)概述234.3.2電源電路設計244.3.3AD574芯片及其接口254.3.4MCS-8051單片機274.3.5AD574A與單片機的接口電路28

-IV-目錄

4.3.6基于MAX232的通訊模塊28

第五章LED顯示電路設計30

5.1LED的結(jié)構(gòu)305.2顯示器接口31

第六章系統(tǒng)的軟件設計32

6.1系統(tǒng)軟件設計流程326.2A/D轉(zhuǎn)換子程序設計336.3LED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(tǒng)35

第八章系統(tǒng)誤差分析36

8.1光強波動的影響368.2位置敏感器件對系統(tǒng)的影響368.3溫度對系統(tǒng)測量的影響37

結(jié)論39參考文獻40致謝42

-V-第一章緒論

第一章緒論

液體濃度測量在工業(yè)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(yè)中有著廣泛的作用,它是提高產(chǎn)品質(zhì)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(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的指標，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)企業(yè)除了在實驗室對產(chǎn)品濃度進行檢測外，還要在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品濃度進行監(jiān)督和控制，實驗室檢驗只是抽樣檢驗，實時性差，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。而實時在線檢測可使工作人員在生產(chǎn)過程中及時掌握濃度變化并采取措施，從而實現(xiàn)實時控制，使產(chǎn)品的濃度控制在生產(chǎn)所需的范圍內(nèi)。

本檢測系統(tǒng)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(chǎn)生的誤差，使用比較簡單的光學系統(tǒng)和電子電路便可以非常穩(wěn)定地檢測液體的濃度，大大節(jié)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(tǒng)的要求，這更具現(xiàn)實意義。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1位置敏感探測器(PSD)國內(nèi)外發(fā)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(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(shù)下降，這便是橫向光電效應的第一次發(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，并用載流子復合理論對此現(xiàn)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

--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年代的改進型分割型器件，改善了器件的性能及參數(shù)；90年代改進表面分割型器件進一步發(fā)展，使結(jié)構(gòu)更加完善，性能及參數(shù)進一步提高。

而在國內(nèi)，PSD的發(fā)展比較晚，有關PSD的報告出現(xiàn)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(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和四象限位置探測器。

1.2.2液體濃度測量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，工業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)各不同，適應場合也不同，并且各有其優(yōu)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(yè)濃度檢測中，常需檢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(yè)檢測的需求。

以上傳統(tǒng)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(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)量和自動化控制，所以它們的應用范圍都很有限，不能適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)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(nèi)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和昂貴的實驗裝置，不能用于流動液體濃度的檢測。

--第一章緒論

1.3課題設計的主要內(nèi)容

1．系統(tǒng)總體設計方案及框圖2．PSD特性分析3．光學系統(tǒng)的設計4．信號處理電路的設計5．A/D轉(zhuǎn)換電路的設計

本文的研究重點在光學系統(tǒng)的設計、PSD信號處理及單片機控制系統(tǒng)的研究，相比以往的濃度檢測系統(tǒng)，設計了新型的光學系統(tǒng)、選用位置敏感探測器PSD并建立相應的單片機軟硬件系統(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系列單片機作為核心處理芯片，從而簡化了檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，使得安裝調(diào)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。

6．LED顯示電路設計7．濃度檢測系統(tǒng)圖設計8．系統(tǒng)程序設計9．系統(tǒng)誤差分析

--第二章總體方案

第二章總體方案

濃度的變化會引起液體對光的折射率的變化，而由激光器發(fā)出的固定傾斜入射的光線，折射率的變化導致出射光線發(fā)生偏移，利用PSD將得到的電流信號經(jīng)過放大處理后檢測出偏移量的大小，將這個模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給8051單片機，以單片機為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制處理，最后由LED顯示液體的濃度。

2.1系統(tǒng)總體方案設計

本濃度檢測系統(tǒng)主要分以下幾個部分：半導體激光器、光學系統(tǒng)、PSD信號調(diào)理電路、8051單片機系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等等。液體濃度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖：

電激光器光學系統(tǒng)源PSD傳感器PSD信號調(diào)理電路LED顯示系統(tǒng)鍵盤輸入驅(qū)動電路8051單片機A/D轉(zhuǎn)換電路圖2-1濃度檢測系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作原理為：由半導體激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過光學系統(tǒng)照射到PSD感光面上，PSD信號經(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，以其為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制，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

新型濃度檢測系統(tǒng)的主要技術指標有：系統(tǒng)分辨力、系統(tǒng)測量精度、系統(tǒng)測量范圍和體積與質(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，但實際測量時，會受放大器、單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路影響，因此，綜合來說系統(tǒng)的分辨力可達3／100000。

（2）系統(tǒng)測量精度

系統(tǒng)測量精度取決于系統(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表示濃度檢測系統(tǒng)的測量精度。則：

2SdRR2

（3）系統(tǒng)測量范圍

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)實際約

11.6mm，其可測量折射率1.22986~1.50137。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(tǒng)的體積與重量

濃度檢測系統(tǒng)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(tǒng)的設計

第三章光學系統(tǒng)的設計

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(qū)域發(fā)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(zhì)量好，所以用鈉燈作為光源后測出來的數(shù)據(jù)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(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)射設備，是晶體內(nèi)部的受激電子從高能級到低能級時，發(fā)射光子的結(jié)果。發(fā)光二級管具有體積小、堅固、耐用、使用電壓低、壽命長等優(yōu)點。但發(fā)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(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(yōu)點。本系統(tǒng)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(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)相互垂直的兩個光學平面作為光學諧振腔，當PN結(jié)通電且電流大于閥值時，引起高強度的電致發(fā)光，最后在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了激光。

第三章光學系統(tǒng)的設計

激光產(chǎn)生是因為當光通過半導體時，所引發(fā)受激發(fā)射后放大的結(jié)果。

3.2光學系統(tǒng)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(fā)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(jīng)分析計算可求待測液體濃度。

蒸餾水d入射光線n待測液體圖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

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)有關的常量。

（2）濃度檢測的光學系統(tǒng)圖

本文提出了采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測的實驗設備。如圖3-2所示。

光學系統(tǒng)由兩個內(nèi)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進入待測液體時產(chǎn)生一個入射角在裝有蒸餾水2的水槽裝有一個雙平面鏡，光線經(jīng)過雙平面鏡的反射后，再次進入待測液體，同樣

第三章光學系統(tǒng)的設計

水槽雙平面鏡蒸餾水2光學透射窗2待測液體光學透射窗1蒸餾水1濾光片PSD

激光器圖3-2光學系統(tǒng)圖

，再次進入裝有蒸餾水的水槽1，最后通過窄帶濾光片投射會產(chǎn)生一個入射角在位置敏感器件的光敏面上，當待測液體的濃度改變時，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此時就會線性的輸出這

一變化，從而實現(xiàn)濃度的檢測。濾波片的作用是濾除大部分環(huán)境雜散光對檢測的影響。

光線的幾何軌跡如圖3-3所示。在圖3-3中用d來表示PSD所測得的被測液體是待測液體（實光線）和蒸餾水（虛光線）時的光線偏移量。

nxnxα－βd2dα－βs1d1d1s1d2圖3-3光線幾何光學軌跡

根據(jù)圖3-3所示幾何關系和光學折射定律有：

d=d1+d2(3-2)

第三章光學系統(tǒng)的設計

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單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

第四章基于8051單片機的PSD信號處理電路的設計

4.1半導體位置敏感器件PSD

PSD是為了實時精確測量位置、距離和位移等發(fā)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。

4.1.1PSD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(gòu)成P-N結(jié)，當內(nèi)部載流子擴散、漂移后達到平衡穩(wěn)定時，就形成一個由N指向P區(qū)的結(jié)電場。當光照射到P-N結(jié)時，半導體會吸收光子，而后激發(fā)出電子-空穴對。在結(jié)電場作用下，空穴將會進入P區(qū)，而電子進入N區(qū)，因此會產(chǎn)生結(jié)光電勢，我們一般稱之為內(nèi)光電效應。但若是入射光僅集中照射在P-N結(jié)光敏面上某一點M，之后產(chǎn)生的電子、空穴會集中在該點M上。由于P區(qū)摻雜濃度遠大于N區(qū)，這樣導致P區(qū)的電導率也會遠大于N區(qū)，因此，P區(qū)的空穴將會由M點迅速擴散到整個P區(qū)，可以將整個P區(qū)看成等電位。而N區(qū)的電導率較低，進入N區(qū)的電子也將仍然集中在M點，從而會使P-N結(jié)橫向形成不平衡電勢，這會將空穴拉回N區(qū)，從而在P-N結(jié)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(jié)構(gòu)，如圖4-1（a）。P層為感光面，它兩邊各有一信號輸出電極。底層的公共電極用于加反偏電壓。假設入射光照射到PSD光敏面上一點時，產(chǎn)生的總光生電流為I0，光電流將分別流向兩個信號電極，從而從信號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，因此簡化等效電路如圖4-1(c)，其中入射光點的位置決定R1、R2的值。假如負載RL相對于R1和R2的大小來說可以忽略，則有：

I1R2Lx=(4-1)I2R1Lx第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

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電流之比為，入射光點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)簡化的等效電路

I1I0I2I0Lx（4-2）2LLx（4-3）

2L

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

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呈線性關系。假如兩個信號電極的電流如式（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。PX則稱為一維PSD的位置輸出信號。

4.1.2PSD的主要性能參數(shù)

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(shù)、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器件的光譜響應特性，表示PSD的響應靈敏度和光波的波長間的關系。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）位置線性度

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。因為P區(qū)結(jié)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(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)的位置準確度低于a區(qū)。我們應盡量讓光點擊打a區(qū)域，從而提高位置檢測精度。

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單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

（3）響應速度

響應速度是反映PSD瞬態(tài)特性的重要指標，PSD的工作時所處狀態(tài)及制造工藝都與他有關。

（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(nèi)的光電中心位置偏離實際光點的中心位置，從而使輸出產(chǎn)生誤差。因此，即使入射光點全部落在器件的有效感光面內(nèi)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(jié)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(huán)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(chǎn)生，而且不利于背景光的產(chǎn)生。

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

4.1.4PSD的選取

結(jié)合PSD的性能參數(shù)、系統(tǒng)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(chǎn)品，其響應速度為3s，分辨率為0.3m，有效敏感區(qū)為1×12mm2，光譜響應特性曲線如圖4-3，它主要性能參數(shù)如表4-1所示。

0

400

600

800

1000

0.2

OE=50%(Typ，Ta=26℃)

0.8

OE=100%響應靈敏度（A/W）0.6

S3979S3931S39320.4

波長（nm）

圖4-3S3932光譜響應范圍特性曲線

表4-1S3932型PSD的主要性能參數(shù)光敏面光譜響應范圍響應度上升時間結(jié)電容暗電流極間電阻工作溫度存儲溫度分辨率位置測量誤差-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單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

4.2PSD信號調(diào)理電路的設計

一維PSD信號檢測調(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(shù)折算到PSD的長度中，選擇相應電阻并將輸出的位置信號轉(zhuǎn)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

在實際應用的光電系統(tǒng)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(jīng)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(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的基本檢測電路

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圖4-5電流型前置運放電路

分析電路的頻響函數(shù)，因為信號處于低頻段，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單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

-+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ZiZD時，電路的閉環(huán)增益可簡化為：

-17-

UZf（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）（4-10）

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ZFZDAf（4-11）

1ZF1(1sZFCd)A0ZD當ZF為一純電阻時，可看出是二階系統(tǒng)，電路的階躍響應將會振蕩，與此同時系統(tǒng)也很可能自激振蕩，這樣就需對系統(tǒng)進行相位補償，電路中電容CF的

作用就是相位補償。當前置濾波器的高頻穩(wěn)定性由傳遞函數(shù)在復平面上兩個極點

P1，P2的相位差Ψ來表示，則60時前置濾波器穩(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(nèi)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。

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

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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)可實現(xiàn)電壓的匹配，例如：當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(jié)構(gòu)獨特、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,使其可在一個非常寬的輸入動態(tài)范圍內(nèi)進行精確的運算。激光調(diào)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(nèi)。通常輸出偏移小于或等于100μV。由于器件具有400kHz帶寬,進一步加強了實時模擬信號的處理能力。因此,AD538具有其它同類產(chǎn)品所不具備的特殊優(yōu)點,PSD器件的坐標處理電路是由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(nèi)，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(diào)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：

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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輸出；

R1R2R3R4R（4-13）

V0(VinVd)（4-14）

由4-14式可以看出，電路實現(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(gòu)成輸出放大器使衰減率較低，當外接的保持電容為1μF時，它僅有5mV/Min的衰減率。同時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引腳來進行調(diào)節(jié)。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(fā)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。

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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，應該從精度、衰減率和捕獲時間等參數(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，應選擇大電容，取Ch=0.1F。此時的衰減率為3.0104V/s，捕獲誤差在0.01%范圍內(nèi)，捕獲時間為300s。當保持電容為0.1F，結(jié)溫度為25°C時，衰減率3.0104V/s，而后坐過程將會持續(xù)18ms，保持期間的電壓衰減在理想情況下為

VD3181040.0054mV，當采用10位A/D轉(zhuǎn)換器，0~2V電壓輸入，分辨

力0.002V，不會產(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

該控制信號由外部觸發(fā)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(wǎng)絡和一個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，并且使脈沖展寬和整形生成規(guī)則的矩形脈沖。

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

當閉合按鍵S1時，電容通過R1C網(wǎng)絡充電，充電的時間常數(shù)

1R1C470s。在斷開按鍵時，則通過R2C網(wǎng)絡放電，放電的時間常數(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)動這樣的強干擾源將會產(chǎn)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(huán)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。

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

圖4-11有源雙t陷波電路

雙t網(wǎng)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f050HZ的信號互相抵消，陷波器的參數(shù)關系式為

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和運算放大器輸入阻抗的限制選定電阻、電容。

4.38051單片機硬件系統(tǒng)

4.3.1單片機系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)就采用了8051單片機，因為8051片內(nèi)具有4KB的程序存儲器，所以像本系統(tǒng)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，

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計本系統(tǒng)中單片機最小系統(tǒng)包括單片機本體、復位電路和時鐘電路。+Vcc+VccR1010KR1110KP1.0123456781312U11P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8051RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728RESET+5S1KEY1S2KEY2E110UFR2200GNDGND+Vcc1514C1104R110KGND31Y119189171612MHZC2104GND圖4-12單片機最小系統(tǒng)電路圖復位電路：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(xù)24個振蕩脈沖周期以上。振蕩電路：單片機本身是同步時序電路，但為實現(xiàn)同步工作方式，必須且只能有一個時鐘信號。時鐘信號的產(chǎn)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(diào)電容，組成反饋電路，形成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如上圖4-17，為電路中的兩個電容大都取230pf左右，而晶體振蕩器的振蕩頻率范圍是1.2MHz-12MHz。3

44.3.2電源電路設計

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。

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

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(zhuǎn)換器質(zhì)量水平的技術指標有：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，并有自動校零及自動的極性轉(zhuǎn)換等功能，只需外接少量的電容電阻，就能組成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。AD574A的主要性能指標如下：

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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個控制引腳：

CS、CE片選信號和片啟動信號。R/C：讀出和轉(zhuǎn)換控制信號。l2/8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇信號引腳。當12/8＝l(+5v)時，雙字節(jié)輸出（12條數(shù)據(jù)線同時有效輸出），當12/8＝0(0V)時，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進行全12位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為25μs；若是Ao＝1時，則進行8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為16μs。在讀出期間：若是Ao=0時，高8位數(shù)據(jù)有效；若是Ao＝l時，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)信號引腳。

開始轉(zhuǎn)換時，STS會達到高電平并在轉(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，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

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)、片外程序存儲器選擇輸出/編程電壓輸入。當EA為高電平時，

訪問片內(nèi)程序存儲器；當EA為電平時，訪問外部程序存儲器I/O的負載驅(qū)動能力：P0口的每條口線能以吸收電流方式驅(qū)動8個TTL電路，P1、P2、P3口均只能驅(qū)動個TTL電路。

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

圖4-158051引腳圖

4.3.5AD574A與單片機的接口電路

4的接口電路圖見附錄二，其內(nèi)含有8051單片機與AD57A

三態(tài)鎖存器74LS373和74LS00與非門電路，邏輯控制信號（CS、R/C、A0）

由8051單片機的數(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，然后通過8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)分兩次讀進兩次讀進8051單片機，所以R/C須接地。當8051單片機的P1.0查詢到STS端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號后，先將轉(zhuǎn)換后的12位A/D數(shù)據(jù)的高8位讀進單片機內(nèi)，然后再將

使能端CE低4位讀進單片機。這里不管AD574A是處在啟動、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，

都必須為1，因此將單片機的寫控制線WR和讀控制線RD通過74LS00與非門與

AD574A的使能端CE相連。

第四章基于8051單片機的PSD信號處理系統(tǒng)的設計

4.3.6基于MAX232的通訊模塊

液體濃度檢測系統(tǒng)采用了實時軟件調(diào)試，所以需要與上位機通訊，采用

RS-232協(xié)議，而PC機串行口給出的信號是一個RS-232信號，它是一個基于3-7V正電壓、3-7V負電壓的脈沖鏈。這一信號必須轉(zhuǎn)換成為一個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)動器/接收器芯片

MAX232來實現(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)動器。

有個電源電壓轉(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顯示電路的設計第五章LED顯示電路設計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發(fā)光二極管（dp）作為小數(shù)點位。當顯示器的某段發(fā)光二極管通電時，該段就會發(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接地。若某段發(fā)光二極管陽極為高電平時，該段就會發(fā)光。在共陽極中，各段發(fā)光二極管陽極都連一起，并將它們的公共點接+5V電壓。當某段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該段也會發(fā)光。.gfedcba.gfedcbaGNDVcc(a)(b)(c)圖5-1LED顯示器A為了顯示某個數(shù)字或者字符，就要點亮相應的段，這就需要譯碼。BCD碼轉(zhuǎn)換為對應的段碼將由軟件來完成。表5-1顯示出段碼與數(shù)字、字母的關系表。表5-1段碼與數(shù)字、字母的關系表SizeNumberTitle字符01共陰極段碼3FH06H25BH共陽極段碼C0HF9HA4H字符A3B共陰極段碼77H7CH39H共陽極段碼88H4BDate:File:526-Jun-201*畢業(yè)設計畢業(yè)設計終1283HC6HC第五章LED顯示電路的設計

34567894FH66H6DH7DH07H7FH6FHB0H99F92H82HF8H80H90HDEFHPU滅5EH79H71H76H73H3EH00HA1H86H8EH09H8CHC1HFFH從表可以看出，共陽極顯示器的段碼和共陰極顯示器的段碼是互為反碼的。單片機微處理器有很強的邏輯控制能力，而且采用軟件譯碼并不復雜。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、動態(tài)顯示。在靜態(tài)顯示系統(tǒng)中，每位顯示器都應有各自的鎖存器、譯碼器與驅(qū)動器。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，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容。在采用動態(tài)顯示的系統(tǒng)中，控制器會定時掃描各個顯示器，顯示器件輪流工作，每次只能使一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，仍感覺所有的器件都在同時顯示。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已有能自動對顯示器進行掃描的專用顯示芯片，是電路即簡單又少占用機時。當LED顯示器位數(shù)較多時，為簡化電路，將所有位的字段線對應并聯(lián)，由一個8位I/O口控制，而共陰極點或共陽極點將由另一個I/O口控制。所以用兩個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)的軟件設計

第六章系統(tǒng)的軟件設計

6.1系統(tǒng)軟件設計流程

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，當待測液體水槽內(nèi)裝有蒸餾水時，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，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，顯示系統(tǒng)會顯示待測液體濃度。

第六章系統(tǒng)的軟件設計

6.2A/D轉(zhuǎn)換子程序設計

A/D轉(zhuǎn)換的目的是把經(jīng)信號處理電路處理過的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機能接收處理的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換子程序就是把這個模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并且將靠左邊對齊的數(shù)據(jù)調(diào)為向右對齊。

返回啟動A/D轉(zhuǎn)換開始ACC.7=1?N關閉A/D轉(zhuǎn)換Y圖6-2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖

6.3LED顯示子程序設計

LED顯示的應該是濃度的數(shù)值。由于該數(shù)值包含四位小數(shù)，所以要顯示這個數(shù)值必須考慮到小數(shù)點在第二位。流程圖如圖5-3。

暫存送出位控信號延時取顯示數(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)的軟件設計

6.4十進制編碼與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制數(shù)據(jù)，故需要將十進制編碼變變?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�進制編碼。因此需要相互轉(zhuǎn)變BCD編碼和十進制編碼。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]第七章濃度檢測系統(tǒng)

第七章濃度檢測系統(tǒng)

本液體濃度檢測系統(tǒng)主要分為半導體激光器、光學系統(tǒng)、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、8051單片機及LED顯示電路等幾個部分。半導體激光器發(fā)出激光，通過光學系統(tǒng)、（裝有蒸餾水及待測液體）照射在PSD的感光面上，經(jīng)過信號調(diào)理電路將PSD輸出的電流信號進行處理，由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過適當接口將其送入單片機微處理器，以8051單片機為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行監(jiān)控，再由顯示器顯示待測液體濃度。

光學系統(tǒng)的設計：綜合考慮水的吸收、散射導致光的衰減，所選擇的系統(tǒng)光源是波長為670nm的半導體激光器，此外光學系統(tǒng)還有兩個裝有蒸餾水的參考水槽和裝有待測液體的測量水槽，兩兩水槽間通過互相平行的兩個光學透射窗隔離，此光學透射窗也會同時對水平入射的光線，在進入待測液體時產(chǎn)生一個入射角。在左邊內(nèi)裝蒸餾水的水槽有一個雙平面鏡，光線經(jīng)過雙平面鏡的反射后，再次進入待測液體，而射出水槽后通過濾光片投射在PSD的光敏面上，當待測液體濃度發(fā)生變化時，透射到PSD光敏面上的光斑位置也會發(fā)生變化，PSD就會線性的輸出這一變化，從而實現(xiàn)濃度的檢測。而且加入濾波片的目的是為了過濾掉大部分環(huán)境雜散光對濃度檢測的影響。

PSD信號調(diào)理電路的設計：根據(jù)PSD的特征，若是要接收到光線的偏移量，須對PSD的輸出電流進行一系列調(diào)理，主要包括信號放大電路、加法電路、減法電路、反相比例運算電路等等。只有經(jīng)過這種調(diào)理才能得到光線的偏移量。

A/D轉(zhuǎn)換電路的設計：因為智能儀器所能接受、處理的只能是數(shù)字量，而通過信號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送入微處理器8051單片機內(nèi)。此設計選用的AD574芯片是一種12位快速逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，最快轉(zhuǎn)換時間為25us，轉(zhuǎn)換誤差為1LSB。

LED顯示電路的設計：LED顯示器具備工作低電壓、小體積、長壽命、響應快速、豐富的顏色種類等許多優(yōu)點，是智能儀器中最常用的顯示器。本設計選用的顯示電路為六位動態(tài)掃描顯示電路。

第八章實驗結(jié)果及系統(tǒng)誤差分析

第八章系統(tǒng)誤差分析

8.1光強波動的影響

當光源光波動時，對系統(tǒng)的輸出會有一定的影響。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。而實際運用中中，當半導體激光器的輸出光功率打開1小時后，激光器的輸出光功率變化在50uW內(nèi)，因此，由這個光強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/uW

圖8-1PSD輸出隨光強變化的曲線

8.2位置敏感器件對系統(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體光敏器件，本身的暗電流會對檢測結(jié)果帶來影

響，另外，盡管我們在位置敏感器件的光敏面上封裝了暗盒和窄帶濾光片，環(huán)境雜散光中還會有透過濾光片不能被濾除的小部分光。

-36---第八章實驗結(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

當濃度發(fā)生變化的時候，光點會上下的不斷移動，在試驗之間，需要將光線偏移量方向和半導體位置敏感器件的光敏面軸線方向盡量保持重合，但很難實現(xiàn)完全重合，而兩者的偏差導致了誤差的產(chǎn)生。如圖所示，PSD光敏面的尺寸為40mm2，設光斑位置與位置敏感器件軸線最大偏移量為1mm，則實際的位置d和檢測到的軸向位移x的最大差別，其引起的相對誤差表示為

xdxddcos1cos1L/2dddL/22b2(8-1)

將具體的實驗參量代入，可得這一相對誤差的大小約為0.12%。

bPSD的中軸線感光面Ldx光線的移動方向圖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溫度對系統(tǒng)測量的影響

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，分析表明這一波動主要是系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成的。另外還有一個原因會導致圖中液體濃度隨著時間和溫度增加而略微增大，就是被檢測的液體沒有被密封在水槽中，因此在一天的時間里，待測液體中的水會蒸發(fā)。如果不采用差動檢測技術，溫度每變化2.5C就會給結(jié)果帶來3%左右的影響，因此加入?yún)⒖颊麴s水槽，通過差動檢測方法，能有效的抑制溫度漂移帶來的影響。

-37---第八章實驗結(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的濃度檢測系統(tǒng)，由光學系統(tǒng)、PSD信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、8051單片機采集控制系統(tǒng)及顯示電路組成，較之以往檢測方法更加簡便有效。

本論文的主要工作歸納如下：

（1）分析了基于PSD的濃度檢測系統(tǒng)的工作原理，并對PSD的工作特性進行了分析研究。而通過液體濃度變化引起光折射率變化的原理，設計出雙隔離窗法光學系統(tǒng)。

（2）研制了基于PSD的濃度檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件由檢測核心器件PSD、激光器、光學系統(tǒng)、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機和顯示電路等組成，并詳細介紹了PSD的工作原理，采用了一種PSD專用信號處理芯片且實用的PSD信號處理電路設計，用來對PSD的輸出信號進行處理。,

（3）開發(fā)了基于PSD液體濃度檢測的軟件系統(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）對液體濃度檢測系統(tǒng)的誤差進行了討論與分析。

本文的研究重點在光學系統(tǒng)的設計、PSD傳感器的應用以及基于8051單片機的ADC轉(zhuǎn)換控制部分的研究。這是在之前工作的基礎上，對以往光學系統(tǒng)的不足之處的改進、選擇了PSD傳感器，建立相應的單片機軟硬件系統(tǒng)。本文所采用的檢測方案為降低設計難度，選用PSD專用芯片對PSD信號進行處理，提高了精度，降低了誤差，減輕了信號處理的負擔。選用外設豐富的8051單片機為處理器，其內(nèi)部集成有多通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可直接通過單片機控制進行ADC轉(zhuǎn)換，少了許多接口電路，降低了系統(tǒng)的復雜性，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。設計了LED接口電路。

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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，定期開會指導我們，向我們傳達一些經(jīng)驗教訓等。李老師兢兢業(yè)業(yè)的工作精神和科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度使我在設計和試驗中受益匪淺，在此，謹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，在設計過程中，還得到了其他老師的指點和無私的幫助，對他們的關心和熱心幫助，在此謹向他們表示誠摯的感謝！還要感謝我所有的朋友和同學，謝謝他們不斷的鼓勵和無私的幫助。

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！

附錄

附錄一

","p":{"h":17.043,"w":3.96,"x":216.824,"y":170附錄

#definePB8255XBYTE[0x7dff]

ucharidatadis_buf[6]={0,0,0,0,0,0};/*定義顯示緩沖數(shù)組*/uchar

table[10]={0x7b,0x30,0xea,0xf8,0xb1,0xd9,0xdb,0x70,0xfb,0xf9,};

/*定義代碼段：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9*/

ucharcodeledbit[6]={0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};/*定義位數(shù)組*/voiddisplay(ucharidatap);/*函數(shù)聲明*/voiddelay(ucharD);voidmain()

{display(dis_buf+5);}

voiddisplay(ucharidata*p)/*顯示子程序*/{uchari;COM8255=0x80;PB8255=0xff;while(1){for(i=0;i=6){i=0;p=p+6;}}}

voiddelay(ucharD)/*延時子程序*/{unsignedcharj;while(--D)for(j=110;j>0;--j);}

BCD轉(zhuǎn)十進制

程序如下：

unsignedlongBCDtoDec(constunsignedchar*bcd,intlength){

inti,tmp;

unsignedlongdec=0;

-44-

code

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