【正文】 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)。27 AD574A 與單片機(jī)的接口電路 25 MCS8051 單片機(jī) 23 單片機(jī)系統(tǒng) 概述 22 8051 單片機(jī)硬件系統(tǒng) 4 系統(tǒng)性能指標(biāo) 2 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 Based on 51 single chip ABSTRACT III microputer 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 realtime online 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 錄 IV 目 錄 摘 要 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(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)液體濃度， 鑒于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于 PSD 的 濃度檢測(cè)系統(tǒng)。 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(lái)。 4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 5 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 PSD 的選取 14 PSD 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 32 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程 33 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) 36 光強(qiáng)波動(dòng)的影響 36 溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響 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 。 PSD 在 20 世紀(jì)第一章 緒論 2 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。 國(guó)外已報(bào)道的有： 伯格曼 制作了一個(gè)光纖探頭來(lái)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(lái) 檢測(cè)液體濃度。 液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如 下 圖： 圖 21 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(guò) 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(guò) 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。 （ 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。但 發(fā)光二級(jí)管的單色性差，強(qiáng)度較弱，方向性也不好 。第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 激光產(chǎn)生是 因?yàn)楫?dāng) 光 通過(guò) 半導(dǎo)體時(shí)， 所 引發(fā)受激發(fā)射 后 放大的結(jié)果。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。當(dāng)光照射到 PN 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) 。 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 。 PX 則 稱為一維 PSD 的位置輸出信號(hào)。 圖 42 區(qū)域 a 及區(qū)域 b 的定義 1 區(qū)域 a 2 區(qū)域 b 3 感光面 1 2 3 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) 13 （ 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)。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 。 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。 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) 16 IC31OPAMPPSD4PSD3PSD2PSD1PSDIC32OPAMPIC33OPAMPIC34OPAMPC12PWREND13SIGNLEND14Vx15B 3+10V4+2V5Iz1Vs7I9Vz2Vy10Iy11Ix16Vo8+Vs6U31AD53810KR3110KR3210KR33C3150uFC3250uFR3910KR31010K10KR34R3610KR3710K10KR35R311C3450uFC33R38POT2GND+VCCVCCGNDGNDGNDVCCGND+VCCVCC+VCCGNDAD574IN圖 44 一維 PSD 的基本檢測(cè)電路 OUT+RFRFRDCFCFUo 圖 45 電流型前置運(yùn)放電路 電路的輸出電壓： RFIU IN ??0 （ 45） 分析電路的頻響函數(shù)， 因?yàn)?信號(hào)處于低頻段，放大器的開(kāi)環(huán)帶寬可看成無(wú)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 46 所示。 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(guò)放大器外接調(diào)零電阻來(lái)消除。通常輸出偏移小于或等于 100μ V。如 下 圖 48 為其 電路原理圖 ： 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) 20 圖 48 背景干擾、暗電流電路 的消除電路 dV ： 背景干擾、暗電流的干擾電平； inV ： 疊加干擾電平的信號(hào)輸出； RRRRR ???? 4321 （ 413） )(0 din VVV ??? （ 414） 由 414 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 。在精密的采樣保持電路中， 誤差 主要 來(lái)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 。 （ 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) 。 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 411 所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 10 J un 2 00 7 S he e t o f F i l e : H :\（ （ （ （ \（ （ （ （ （ （ \（ （ （ \f xl b D r a w n B y :E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U 1 180 5 1P 1. 0Y112 M H ZC1104C2104G N DG N D+5E110 U FR110K+ V c cS2K E Y 2S1K E Y 1G N DG N DR 1010K R 1110K+ V c c+ V c cR E S E TR2200 圖 412 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。 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。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。 10VIN、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) 27 20VIN： 10V/20V 檔輸入。 ALE/ PROG ：允許地址鎖存輸出 /編程