【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制 圖 系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)前端設(shè)計(jì) 前端 的 主要部件 是 激光傳感器，它的作用是將含有微粒相關(guān)信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。 當(dāng)空氣中沒(méi)有顆粒物 通過(guò) 時(shí)， 則沒(méi)有 散射現(xiàn)象， 預(yù)先設(shè)定的定波長(zhǎng)的 激光二極管發(fā)出的激光被 預(yù)先設(shè)定的 光陷阱 所吸收，激光傳感器上無(wú)感應(yīng)電傳感器采集電路 AT89S52 并行總線 CH376 SD 卡 時(shí)鐘 電路 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 流產(chǎn)生。 當(dāng)有大氣中有顆粒物 通過(guò) 時(shí) ，入射光會(huì)照射到顆 粒物上，產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的散射光，然后散射光被激光傳感器接收到并產(chǎn)生對(duì) 應(yīng)強(qiáng)度 大小 的光電流，光電流的強(qiáng)弱與顆粒物的直徑大小有關(guān)。 只要將光電流進(jìn)行一系列的處理工作，就能得到微粒大小和濃度的相關(guān)信息。 光電流的處理主要由高精度單運(yùn)放 MAX4265組成的放大電路以及 濾波 電路 和 ADS7804 組成的 模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路組成。 放大電路 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào) 并放大處理 ，再通過(guò) 一個(gè)二階高通濾波器 ，濾除 低頻干擾等無(wú)用信號(hào)。最 后， 放大 濾波 后的模擬信號(hào) 由 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ，經(jīng)由數(shù)據(jù)總線 送入單片機(jī)。 傳感器 APD 接收散射光這樣 的微弱光信號(hào)，需要光電傳感器具有很高的靈敏度。有兩種光電檢測(cè)器可以選擇，包括光電二極管（ PIN）和 雪崩二極管 （ APD） 。 PIN 響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定。 APD 靈敏度高，響應(yīng)快，具有小型、不需要高壓電源等優(yōu)點(diǎn)。 而 與 光電二極管相比，雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別當(dāng)系統(tǒng)帶寬比較大時(shí)，能使系統(tǒng)的探測(cè)性能獲得大的改善 [4][5]。 由于信號(hào)微弱，持續(xù)時(shí)間較短，本設(shè)計(jì)采用有 較高相應(yīng)速度和倍增效應(yīng)的雪崩二極管。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件，它利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向移動(dòng)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。 在雪崩過(guò)程中，光生載流子在強(qiáng) 電場(chǎng)的作用下進(jìn)行高速定向運(yùn)動(dòng)，具很高動(dòng)能的光生電子或空穴與晶格原 子發(fā)生 碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子 空穴對(duì)；二次電子 空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下獲得足夠的動(dòng)能，又是晶格原子電離產(chǎn)生新的電子 空穴對(duì)，此過(guò)程像“雪崩”似的繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子，這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其電流倍增系數(shù)定義為： 0/M I I? 式中 I 為倍增輸出電流， 0I 為倍增前的輸出電流 [6][7]。 雪崩二極管 作為前端的傳感采集器件，在整個(gè)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中扮演著重要角色，有用信號(hào)的采集全部由它來(lái)完成。 與同類 的其他 光電管相比 較 ，其 大大 提高了光電二極管的靈敏度（具有內(nèi)部增益 102～ 104），而且 響應(yīng) 速度也很快 ， 頻帶清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) 帶寬可達(dá) 100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管 [8]。 APD 在前端系統(tǒng)中 的傳感原理如圖 所 圖 APD 傳感原理 放大電路 的設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)很微弱，必需要經(jīng) 過(guò)放大處理才能方便測(cè)量等 后續(xù)工作。 APD 所采集的信號(hào)頻率范圍很寬，這就要求放大器與之相適應(yīng)，要有高阻抗、高放大倍數(shù)和寬頻帶。放大器 MAX4265 是 MAX 系列的一款超低失真運(yùn)算放大器 ，頻帶寬，多應(yīng)用在光電傳感器的前置放大電路中。 MAX4265 的主要參數(shù)如下表 所示。 表 MAX4265 參數(shù)表 增益帶寬 300MHz 轉(zhuǎn)換速度（ Sn） 4000（ V/ns） 輸入電壓噪聲 8（ nV/√Hz） 雙電源供電電壓 177。 到 177。 5V 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 38 頁(yè) 運(yùn)算放大器 MAX4265 具有極低的失真，在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng) 100Ω負(fù)載都能維持極低的失真。它能提供良好的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍，在頻率低于 5MHz 是為90dBc，在 100MHz 為 60dBc。這些都是信號(hào)處理應(yīng)用的理想選擇。 本設(shè)計(jì) 的放大電路 采用反 相 比例運(yùn)算電路， 并使用兩級(jí)放大，電壓信號(hào)從放大器的負(fù) 相端接入放大電路，放大器采用正負(fù)電源供電，并在電源兩端接 的濾波電容濾去雜波。電路中，對(duì)前端的分壓電阻精度要求很高，其精度直接影響后續(xù)的一系列測(cè)量工作，這里采用金屬膜精密電阻。金屬膜電阻 體積小、噪聲低、穩(wěn)定性好、高頻特性優(yōu)秀 ，電流噪聲和非線性較小，阻值范圍寬，溫度系數(shù)?。囟认禂?shù)范圍為 10～ 100ppm/176。 C），性能穩(wěn)定，適合用于 一些 要求高初始精度、低溫度系數(shù)和低噪聲的精密應(yīng)用場(chǎng)合，是使用最廣泛的一類電阻器。 電路 如圖 所示 [9][10]。 圖 兩級(jí) 運(yùn)算 放大 電路 根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念， R2 取 51 歐姆 ， R3 取 510 歐姆 ， 一級(jí)放大倍數(shù)為 10 倍。 這樣，兩級(jí)放大后，原始信號(hào)被放大了 100 倍。 在該電路仿真時(shí)，APD 及分壓電阻部分使用信號(hào)發(fā)生器代替，在電路前端輸入峰值為 50mV，頻率為清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 1KHz 的正弦波 ，其輸出如下圖 所示，由仿真圖可知，前端電路基本滿足放大的需求 [11～ 14]。 圖 放大電路仿真 濾波電路 的設(shè)計(jì) 在所采集的光電信號(hào)中，不但有前向散射光 的信號(hào)，還帶自然光等轉(zhuǎn)換的電信號(hào)以及以工頻干擾為主的噪聲干擾。在 APD 所采集的信號(hào)中，低頻信號(hào)干擾性很強(qiáng)，故本設(shè)計(jì)采用高通濾波器濾除低頻信號(hào)。相比無(wú)源濾波器，由 放大器和RC 器件組成的有源濾波器 Q 值高、易調(diào)試、體積小、重量輕，并能提供一定的信號(hào)增益 [15][16]。本文設(shè)計(jì)的巴特沃斯高通濾波器 電路圖 如圖 所示。 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 巴特沃斯高通濾波器 該電路的傳遞函數(shù)是： ????(??) = ??????(??) ??2??6??7??6??71+?? ??7??6??7(??5+??6+??7)+??2??6??7??6??7 (31) 通帶放大倍數(shù)是： ???????(??) = ???5??7 (32) 所以， ????(??) = ? 10?9??10?9??2+10?6??+1 截止頻率是： ??? = 12??√??6??7??6??7 (33) 所以， 計(jì)算得 截止頻率約為 。 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 38 頁(yè) 品質(zhì)因數(shù)是： Q = (??5 +??6 +??7√ ??6??6??7??7) (34) A/D 轉(zhuǎn)換器 前端電路 采集到的信號(hào)變化極其細(xì)微， 而常用的 8 位 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度過(guò)低，不能滿足設(shè)計(jì)需求。所以 為 了 提高轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計(jì) 采用 12 為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADS7804，其同樣在轉(zhuǎn)換速度和價(jià)格上都占有優(yōu)勢(shì)。 ADS7804 為單通道輸入，它的模擬輸入電壓為177。 10V，采樣速率達(dá)到 100kHz。而且芯片 的 內(nèi)部還 設(shè) 有采樣保持、時(shí)鐘、電壓基準(zhǔn)等可以簡(jiǎn)化外部硬件設(shè)計(jì)的電路模塊，同時(shí)也提高了系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性，在儀器儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛。 其 DIP 封裝引腳圖 如圖 所示。 圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 38 頁(yè) VIN 為模擬信號(hào)輸入引腳。 D11～ D0 為數(shù)字量并行輸出端口， 由于對(duì)單片機(jī)的并行接口有限，所以 D11～ D8 空置。 DZ（ 19 管腳到 22 管腳）是為了與 16 為AD 轉(zhuǎn)換器 ADS7805 而設(shè)置，可懸空。 CS 為低電平有效的片選引腳， R/C 為讀取結(jié)果 /模數(shù)轉(zhuǎn)換控制信號(hào) ， BUSY 用來(lái)指示模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成， BYTE 用來(lái)控制從總線所轉(zhuǎn)換的結(jié)果是高四位還是低八位。 VANA 和 VDIG 為模擬電源和數(shù)字電源，應(yīng)該 同時(shí)接 +5V 電壓， 兩個(gè)模擬接地引腳 AGND1 和 AGND2 與數(shù)字接地引腳 DGND 也同時(shí) 接地。 REF 為參考電壓端，通常對(duì)地接 的鉭電容。 CAP 為參考電壓所需電容，同樣對(duì)地接 的鉭電容。 其工作時(shí)，首先將 R/C 置為低電平， CS引腳將被輸入一 脈沖 ， 并在其下降沿 時(shí)啟動(dòng) AD 芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換。 8us 后轉(zhuǎn)換完成，BUSY 引腳置為高電平， R/C 引腳電平也 同時(shí) 被拉高，同樣在 CS 引腳脈沖的下降沿時(shí)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到數(shù)據(jù)總線上。這里，由于是 12 為的數(shù)據(jù)而只有 8 位的總線，采用兩次讀取。 BYTE 為高電平是讀取數(shù)據(jù)的高字節(jié)部分，低電平時(shí)讀取數(shù)據(jù)的 低字節(jié) 。 ADS7804 啟動(dòng)轉(zhuǎn)化和讀取轉(zhuǎn)化結(jié)果的時(shí)序比較特別，參見(jiàn)如下圖 所示 。 R/??? CS??? BUSY??????? MODE 獲取 轉(zhuǎn)換 獲取 DATE BUS 高阻態(tài) 有效數(shù)據(jù) 圖 AD 轉(zhuǎn)換盒讀取結(jié)果時(shí)序圖 對(duì)于 51 單片機(jī)而言，外部接 12MHz 的晶振，其脈沖寬度為 500ns，而 RD 引腳只要對(duì)外部進(jìn)行讀寫(xiě)，就會(huì)產(chǎn)生有 6 個(gè)震蕩周期的脈沖，正好合適 AD 轉(zhuǎn)換器CS 腳的脈沖要求，故將 CS 腳與單片機(jī)上的 RD 腳連接， BYTE 引腳、 R/C 引腳和BUSY 引腳分別接單片機(jī) P2 端口的對(duì)應(yīng)位置 [17～ 20]。 ADS7804 與 AT89S52 單片機(jī)的接口電路圖如下圖 所示。 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 ADS7804 接口電路 ADS7904 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以二進(jìn)制補(bǔ)碼的方式輸出，分辨率可達(dá)到 。 系統(tǒng)控制單元 以 AT89S52 單片機(jī)和文件管理芯片 CH376 完成系統(tǒng)的整體控制工作。 其中AT89S52 主要負(fù)責(zé)前部分的數(shù)據(jù)采集和對(duì) CH376 的控制， CH376 主要負(fù)責(zé) SD 卡的存儲(chǔ)部分。 AT89S52 單片機(jī) AT89S52 是一種低功耗、高性能 的 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器 。 片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中可編程，也 適 用 于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和 系統(tǒng)可編程 Flash， 運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、對(duì) C 語(yǔ)言提供較好的支持， 使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 38 頁(yè) 器、 256 字節(jié) RAM、 32 位 I/O 口線、看門(mén)狗定時(shí)器、 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針、 三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可 以 選擇 的 節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作， 但 允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 在 掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位 。 同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢(qián)的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同 場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝