【導讀】濃度檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。工業(yè)生產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，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。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。信號轉變?yōu)閿底至?，并將信號輸入至單片機進行分析處理，從而得到濃度值，方便、準確地實現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)。

　　

【正文】 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，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 48 為其 電路原理圖 ： 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 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輸出； RRRRR ???? 4321 （ 413） )(0 din VVV ??? （ 414） 由 414 式可以看出，電路實現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 失調電壓和寬帶 寬 度 比較低 ， LF198 的失調 得以通過片外的某個引腳來進行調節(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49 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 。 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 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 保持電容的介質吸收， 我們了解到， 聚丙烯 、 聚四氟乙烯 這兩種 電容介質遲滯線 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 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=。此時 的 衰減率為 sV / 4?? ， 捕獲誤差在 % 范圍內，捕獲時間為 300181。s。當保持電容為 ， 結溫度 為 25176。C 時，衰減率 sV / 4?? ， 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 mVVD 4 ???? ?，當采用 10 位 A/D 轉換器， 0~2V電壓輸入，分辨力 ，不會產生 較大 誤差。 因此 我選擇 值 為 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 410 所示，電路有兩個 RC 網絡 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 22 當 閉合 按鍵 S1 時， 電容 通過 1R C 網絡充電，充電 的 時間常數sCR ?? 47011 ?? 。在 斷開 按鍵時， 則 通過 2R C 網絡 放電，放電 的 時間常數ms472 ?? 。 V C C14N13M12H11L10F9E8GND7D6C5K4I3B2A1GND+ 5 V+ 5 VR1100R210K+S1+ 5 V 圖 410 外觸發(fā)電路 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 411 所示。 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 23 +OUT+OUTR RRkR（1k（RC CCGNDVinVout 圖 411 有源 雙 t 陷波電路 雙 t 網絡中兩支路 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 ZHf 500 ? 的信號互相抵消，陷波器的參數關系式為 RCf 10? (415) )1(4 1kQ ?? (416) 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=，則 Q=。由 ZHf 500 ? 和運算放大器輸入阻抗的限制選定電阻 、 電容 。 8051 單片機硬件系統(tǒng) 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 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 412 可 知 ，第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 24 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。 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 同步工作方式，必須 且只能 有一個時鐘信號 。 時鐘信號 的 產生 ：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 、 微調電容， 組成 反饋電路， 形成 一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如 上 圖 417， 為 電路中的兩個電容大都 取 30pf 左右，而晶體振蕩器的振蕩頻率范圍是 。 電源電路設計 本 系統(tǒng)主要 需要 V12? 、 V5? 等 電壓共存， 而 V12? 、 V5? 電壓由線性電源提供，如圖 413 所示 。 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 25 Port1Port2T1220V18VD51Bridge1234C5147μFC524700μFC53C54Vin12+12V 3GNDU9MC781212V31Vin2GNDU10MC7912C55C56D52D53D545VD555VC571000μFC581000μF100R51100R52C59470μFC510470μFC511C512GND+12V 12V+5V5V 圖 413 系統(tǒng)電源電路 AD574 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字量，因此被測量的模擬量須 由 A/D 轉換器轉換成數字量 。通常 我們把 A/D轉換器及其接口稱為模擬量輸入通道。 A/D 轉換器是將模擬量轉 變 為數字量的器件，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 轉換器質量水平的技術指標有：分辨率、量化誤差、轉換精度、轉換速度 和 滿刻度范圍等。 AD574A 是單片高速 12 位逐次逼近型 A/D 轉換器， 其 內置雙極性電路 ， 組成 混合集成轉換顯片， 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轉換器。 AD574A 的 主要 性能指標 如下： 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 26 （ 1）分辨率： 12 位 ， 非線性 誤差：小于 LBS2/1? 或 LBS1? （ 2）轉換速率：最大 35 s? ，適 用于 轉換速率低于 30 SKb/ 的領 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） 數據 輸出 格式： 12 位 /8 位 。 其引腳如圖 414 所示 ： 1Vcc10REFIN9ANGND12BPLRof1310Vspn1420Vspn8REFout7+Vs11VslsbDB016DB117DB218DB319DB420DB521DB622DB723DB824DB925DB1026STATUS28CE6A0/SC4CS3msb1127R/C512/82AD574 圖 414 AD574 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 ：讀出和轉換控制信號。 l2/8 ：數據 輸出 格式選擇信號引腳。當 12/8 ＝ l(+5v)時，雙字節(jié) 輸出 （ 12 條數據線同時有效 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。在轉換期間： 若是 A0＝ 0， AD574 進行全 12 位轉換，轉換時間為 25μs； 若是 Ao＝ 1 時， 則 進行 8 位轉換，轉換時間為 16μs。在讀出期間： 若是 Ao=0 時，高 8 位數據有效； 若是 Ao＝ l 時，低 4 位數據有效，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、數字公共端。 BIPOFF：雙極性位置。 10VIN、第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 27 20VIN： 10V/20V 檔輸入。 STS：輸出狀態(tài)信號引腳。 開始 轉換時， STS 會 達到 高電平并在 轉換過程中 一直 保持高電平。轉換完成 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 轉換已完成， CPU 可以讀取轉換結果。 表 42 AD574 控制信號真值表 CE CS R／ C l 2／ 8 A0 操作 0 ? ? ? ? 無操作 ? 1 ? ? ? 無操作 1 0 0 ? 0 初始化為 12 位轉換器 1 0 0 ? 1 初始化為 8 位轉換器 1 0 1 接 +5V ? 允許 12 位并行輸出 1 0 1 接地 0 允許高 8 位輸出 1 0 1 接地 1 允許低 4 位 +4 位尾 0輸出 MCS8051 單片機 MCS8051 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 415。 ALE/ PROG ：允許地址鎖存輸出 /編程脈沖輸入。 EA /VPP：片內、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 的負載驅動能力： P0口的每條口線能以吸收電流方式驅動 8 個 TTL 電路 ，P P P3口均只能驅動個 TTL 電路。 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 28 P101P112P123P134P145P156P167P178RST9P32/INT012P30/RXD10P31/TXD11P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL118XTAL219Vss20Vcc40P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732EA/Vp31ALE/PROG30PSEN29P2728P2627P2526P2425P2324P2223P2122P20218051（（（ 圖 415 8051引腳圖 AD574A 與單片機的 接口電路 8051 單片機與 AD574 A 的 接 口 電 路 圖 見 附 錄 二 ， 其內含有三態(tài)鎖存器 74LS373 和 74LS00 與非門電路，邏輯控制信號（ CS 、 CR/ 、 A0）由 8051 單片機 的數據口 P0 發(fā)出，并由 三態(tài)鎖存器 74LS373 鎖 存 到輸出段的 QQ0 和 Q1 上， 以此來 控制 AD574A 的工作過程。 AD 轉換器的數據 輸出也通過P0 數據總線連至 8051 單片機 ， 然后通過 8 位數據口， 12 位數據分 兩次讀進 兩次讀進 8051 單片機 ，所以 CR/ 須 接地。當 8051 單片機 的 查詢到 STS 端轉換結束信號后，先將轉換后的 12 位 A/D 數據的高 8 位讀進 單片機內 ，然后再將低 4 位讀進 單片機 。這里不管 AD574 A 是處在啟動、轉換和輸出結果， 使能端 CE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AD574 A 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