【正文】 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。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)。 STS：輸出狀態(tài)信號(hào)引腳。 EA /VPP：片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器選擇輸出 /編程電壓輸入。 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) 。其引腳圖見(jiàn)圖 415。 BIPOFF：雙極性位置。 A0：字節(jié)選擇控制線。 A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn) 變 為數(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。由圖 412 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) 24 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。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 。 因此 我選擇 值 為 材料為 聚四氟乙烯 的 保持電容 。 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) 21 圖 49 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(lái)考慮。 （ 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(lái) 對(duì) 背景干擾和暗電流進(jìn)行 消除 。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 %的范圍之內(nèi)。 +IC2OP07R0R1R2 R3GNDGNDVinV0 圖 47 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) 19 忽略。 RF、 CF 由 系統(tǒng)頻響決定。 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 IC IC IC 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 。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。 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。 假如兩個(gè)信號(hào)電極的電流如式（ 44）處理： LxII IIPX ???? 12 12 （ 44） 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(wú)關(guān)，此時(shí) PSD 則是 僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。底層的公共電極 用于 加反偏電壓。 PSD 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 PN 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)。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝有一個(gè) 雙平面鏡 ，光線經(jīng)過(guò) 雙平面鏡 的反射后， 再次進(jìn)入 待測(cè)液體 ，同樣 入射光線 待測(cè)液體 ? d ? n 蒸餾水 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 32 光學(xué) 系統(tǒng)圖 會(huì) ?產(chǎn)生一個(gè)入射角 ，再次進(jìn)入裝有蒸餾水的水槽 1，最后 通過(guò)窄帶 濾 光片投射在 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) 。 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。 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)。若 PSD 長(zhǎng)度 增加 ，則測(cè)量范圍加大。 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。 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。 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)。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 。 36 位置敏感器件對(duì)系統(tǒng)的影響 3 第二章 總體方案 1 課題設(shè)計(jì)的目的意義 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。 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(lái)。IV 第一章 緒論 6 光源的選擇 10 半導(dǎo)體位置敏感器件 PSD 12 影響 PSD 性能的因素 23 電源電路設(shè)計(jì) 30 顯示器接口 33 LED 顯示子程序設(shè)計(jì) 37 結(jié) 論 42 第一章 緒論 1 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。 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?zhuān)岢隹捎脕?lái)檢測(cè)光點(diǎn)位置。 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(wú)法適應(yīng)工業(yè)檢測(cè) 的 需 求 。 第二章 總體方案 4 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(guò)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(guò) 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 。最大相當(dāng)于 20 度氯化鈉溶液的 90%的濃度精度。 （ 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。本系統(tǒng)使用 HTL67T05 型輸出基橫模量子阱 半導(dǎo)體 激光器。 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(kāi)，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 。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)。 P 層為感光面， 它 兩邊各有一信號(hào)輸出電極。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。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)。 （ 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(wú)關(guān)。60 m? (Typ， Ta=26℃ ) OE=50% 400 600 800 1000 0 OE=100% S3979 S3931 S3932 響應(yīng)靈敏度（A/W） 波長(zhǎng)（ nm） 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) 15 PSD 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 44 所示 。 PSD 光電流流過(guò) 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 。電路如 下 圖 47。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。 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(guò) 同步檢波 過(guò)濾 背景干擾及暗電流成分。 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(guò)人工手動(dòng) 啟動(dòng) 采樣干擾電平 。C 時(shí)，衰減率 sV / 4?? ， 而后 坐 過(guò) 程 將會(huì) 持續(xù) 18ms ， 保 持 期 間 的 電 壓 衰 減 在 理 想 情 況 下 為 mVVD 4 ???? ?，當(dāng)采用 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器， 0~2V電壓輸入，分辨力 ，不會(huì)產(chǎn)生 較大 誤差。 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 。 8051 單片機(jī)硬件系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng)概 述 本系統(tǒng) 就 采用了 8051 單片機(jī) ， 因?yàn)?8051 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。通常 我們把 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口稱(chēng)為模擬量輸入通道。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 ） 。 AC、 DC 模擬、數(shù)字公共端。由于制造工藝的 局限 ，許多引腳都是 功能復(fù)用。這里不管 AD574 A 是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果， 使能端 CE都必須為 1，因此將 單 片機(jī) 的寫(xiě)控制線 WR 和讀控制線 RD 通過(guò) 74LS00 與非門(mén) 與AD574 A 的 使能端 CE 相連。當(dāng) EA 為高電平時(shí)，訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；當(dāng) EA 為電平時(shí)，訪問(wèn)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 ，P P P3口均只能驅(qū)動(dòng)個(gè) TTL 電路。 開(kāi)始 轉(zhuǎn)換時(shí)， STS 會(huì) 達(dá)到 高電平并在 轉(zhuǎn)換過(guò)程中 一直 保持高電平。 VL： 接 +5V。 AD574A 的 主要 性能指標(biāo) 如下： 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) 26 （ 1）分辨率： 12 位 ， 非線性 誤差：小于 LBS2/1? 或 LBS1? （ 2）轉(zhuǎn)換速率：最大 35 s? ，適 用于 轉(zhuǎn)換速率低于 30 SKb/ 的領(lǐng) 域 （ 3）模擬電壓輸入范圍： 1~0V 和 1~20V， 0~ 5? V 和 0~ 10? V 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 。 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(guò)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