基于单片机的液体浓度检测系统

基于单片机的液体浓度

检测系统设计

学生姓名：系专

部：业：

学号：自动化系电气工程及其自动化

乔俊福

指导教师：

二零一四年六月诚信声明

本人郑重声明:本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。

本人签名：

年

月

日

太原工业学院毕业论文基于单片机的液体浓度监测系统设计

摘

要

目前，实时在线液体浓度检测技术还比较落后，研究开发新型的液体浓度检测系统具有重要意义。浓度的变化会引起液体折射率的变化，对于固定的入射光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，便可得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。基于以上理论，本文提出一种双隔离窗的光透射方法应用于液体浓度的检测。

基于光电位置敏感器新型浓度检测系统主要由半导体激光器、光学系统、PSD信号调理电路、单片机系统、A/D转换电路和显示电路组成。由激光器发出激光，经过光学系统照射在一维PSD上，PSD信号调理电路将输出的电流信号进行调理，再由A/D转换电路将模拟量转换为数字量，通过适当接口将其送入AT89C52单片机，单片机对数据处理后，由显示电路显示出待测液体的浓度。

新型浓度检测系统检测方法的准确性在理论分析和实验仿真中得到了验证，一些影响检测结果的主要因素也在本文中作了细致的分析。实验表明，温度漂移和光源强度对本系统的影响非常小。该系统具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、响应时间快以及自动化程度高等优点，能够方便、准确地实现液体浓度的实时在线检测。关键词：位置敏感器件（PSD），半导体激光器，液体浓度，AT89C52单片机

I太原工业学院毕业论文Liquidconcentrationmonitoringsystemdesignbasedonsingle

chipmicrocomputer

Abstract

Atpresent,real-timeon-lineliquidconcentrationdetectiontechnologyisstillrelativelybackward.Researchanddevelopmentofanewtypeofliquidconcentrationdetectionsystemisofgreatsignificance.Changesinconcentrationcanmakechangesofrefractiveindexinliquid,whichwillcauseexitrayexcursionastothefixedincidentray.Therefore,refractiveindexwillresultfromrayexcursion,whosesizecangetfromusingphoto-electricpositionsensitivedetectorstodetect,thuscalculatingtheconcentrationoftheliquid.Basedontheabove-mentionedtheory,thispaperfirstlypresentslighttransmissionliquidconcentrationdetectionsystemusingadoubleisolatedopticaltransmittancewindow.

BasedonPSD,thenewconcentrationdetectionsystemmainlyincludesthesemiconductorlaserdiode,opticalsystem,andthePSDsignalconditioningcircuit,SCMsystem,andA/Dconvertercircuitanddisplaysystem.Laserissuedbythelasermachine,viaopticalsystemirradiatesonthesingledimensionPSD,thenafterPSDsignalconditioningcircuitrecuperatingthecurrentoutputsignal,theA/Dconvertercircuitwilltransferanalogintodigital,throughanappropriateinterfaceintoAT89C52singlechip.Afterdataprocessing,thedisplaysystemfinallyshowstheconcentrationoftheunknownliquid.

TheaccuracyofNewDetectionSystemconcentrationdetectionisprovedbytheoreticalanalysisandexperimentalsimulation,andsomemainfactorsthatmakeimpactontheresultsarealsomadedetailedanalysisinthispaper.Experimentsshowthatthetemperaturedriftandthestrengthoflightsourcesmakelittleinfluenceonthissystem.Thesystemissimpleinstructure,highsensitivity,goodstability,fastresponsetimeandhighdegreeofautomationadvantages,canbeaconvenientwaytoachieveaccurate,real-timedetectionofliquidconcentration.

Keywords:positionsensitivedetector(PSD),semiconductorlaserdiode，liquidconcentration,AT89C52

II太原工业学院毕业论文目

第1章1

1.11

1.21

1.2.11.2.21.33第2章

录

-

绪论.............................................................-

课题设计的目的意义............................................--国内外同类课题研究现状........................................--位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况.........................................-1-液体浓度测量的国内外研究现状...................................................-2-

课题设计的主要内容............................................--

总体方案.........................................................4系统总体方案设计..............................................4系统性能指标..................................................4

2.12.2第3章

新型浓度检测系统设计.............................................6光学系统设计..................................................63.1.13.1.2

光源的选择...............................................................................................6光学系统设计...........................................................................................7

3.1

3.2半导体位置敏感器件PSD.........................................93.2.13.2.23.2.33.2.43.2.53.2.6

PSD的结构................................................................................................9PSD的工作原理......................................................................................10常用PSD器件的种类.............................................................................12PSD的主要性能参数..............................................................................14影响PSD性能的因素.............................................................................15PSD的选取..............................................................................................16

3.3PSD信号调理电路的设计........................................173.3.13.3.23.3.3

前置放大、主放大电路.........................................................................18背景干扰及暗电流消除.........................................................................21陷波电路.................................................................................................24

3.4单片机硬件系统的设计.........................................25

III太原工业学院毕业论文3.4.13.4.23.4.33.4.4

第4章

单片机系统概述.....................................................................................25电源电路设计.........................................................................................27ADC0832芯片及其接口..........................................................................28LCD显示电路设计..................................................................................30

系统的软件设计..................................................34系统软件设计流程.............................................34A/D转换子程序设计............................................35LCD显示子程序设计............................................35数据处理子程序设计...........................................37

4.14.24.34.4第5章

软件仿真与系统误差分析..........................................38Proteus软件仿真..............................................38系统误差分析.................................................-0

5.2.15.2.25.2.3

-

5.15.24

光源光强波动对系统的影响.................................................................40位置敏感器件对系统的影响.................................................................40A/D的分辨率对系统的影响..................................................................41

第6章总结............................................................42

致谢...................................................................43参考文献...............................................................44附录...................................................................46

IV太原工业学院毕业论文第1章绪论

液体的浓度是一个重要的物理量，在工业生产如化工、医药、轻工、食品、饮料、环保等各个部门以及科研国防各领域，有着十分广泛的应用，尤其对环境保护、水质资源的监测等方面，具有重要的研究背景和科学意义。

浓度的变化会引起液体折射率的变化，对于固定的入射光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，便可得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。基于以上理论，本文提出了一种采用双隔离窗的光透射液体浓度检测系统[27]。

1.1课题设计的目的意义

浓度是衡量工业产品质量的一项非常重要的指标，为了提高产品质量，生产企业除了在化验室对产品的浓度进行检验外，还要求在生产线上对产品的浓度进行监控，化验室检验只是抽样检验，步骤繁琐，实时性差，不易控制产品质量，仅仅依靠这种方法很难满足生产要求。在线检测系统可以使操作人员在生产过程中随时掌握产品浓度的变化情况，及时采取措施，实现实时控制，使产品的浓度控制在要求的范围内这对提高产品质量有很重要的意义[26]。

目前液体浓度的检测方法虽然很多，但大部分采用接触式检测方法，接触式方法对某些有害液体有一定危险性。

本新型浓度检测系统利用光电敏感器件PSD作为光敏元件，使用比较简单的光学系统和电子电路便可以非常稳定地检测液体的浓度，大大节省成本，并且由于PSD只对光斑能量中心敏感，因而对光源的变化影响可忽略不计，降低了对准直聚焦光学系统的要求，更具有现实意义[27]。

1.2国内外同类课题研究现状

1.2.1位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况

半导体位置敏感器件(PositionSensitiveDetector简称PSD)是一种对其感光面上的入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的信号。通过对输出信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维PSD可以检测出光点的平面二维位置坐标。

-1-太原工业学院毕业论文美国、日本、英国等发达国家在PSD的研究和制造方面已经具有相当高的水平，其产品性能日趋完善。日本浜松光子学株式会社（HAMAMATSU）、瑞典SiTek和美国UDT等厂商都开发出了多种结构、规格、能满足不同需求的一维和二维的PSD系列产品及相应的处理电路。不同结构、规格的PSD有不同的位置分辨率、响应速度和位置误差，响应灵敏度0.4—0.6A/W，位置分辨率0.2—7μm，响应速度0.3—13μs，尺寸1х3mm2—27х27mm2，典型位置误差十几μm—mm。最近，瑞典SiTek开发了一种响应灵敏度增强型PSD（EnhanceSensitivityPSD，ES-PSD），响应灵敏度是普通PSD的5倍。

在国内，PSD的发展比较晚。有关PSD的报告出现在70年代，当时也只是一些关于PSD原理及特性方面的报道，且大部分是些译文，PSD本身及其应用方面的研究比较缓慢，只是近年来才引起重视，90年代应用方面的报道就比较多了。在研制方面，目前有电子44所研制的a-Si:H一维PSD和单晶硅双面结构二维PSD；机电部214所主要研制一维PSD和枕形结构的二维PSD；上海技术物理研究所和西南技术物理研究所也正在展开这方面的研究。国内市场的总情况是对PSD的了解和认识不足，产品性能还不完善。此外，缺乏配套的信号处理电路、成本高都是约束PSD在国内发展的重要因素。

从七十年代后期PSD出现以来，由于PSD越来越体现出它体积小，高灵敏度，线性范围大，噪声小，分辨率高，光谱响应范围大，响应速度快，价格低及应用电路简单等优点，受到了各界人士的瞩目。其在工业生产、核辐射环境、医疗卫生环境以及军事环境、航空航天等环境中都有广泛的应用[19]。

1.2.2液体浓度测量的国内外研究现状

目前，工业生产中检测液体浓度的方法有很多种，有比重法、化学分析法、超声波法以及光学法等。这些方法的工作原理及装置结构各不相同，适应的部门和场合也不同，并且各有其优点与不足。

比重法，较方便，但在工业浓度检测中，经常需要检测大槽或大池中的不同深度处的溶液浓度，由于比重计采用浮力原理，它只能检测上层表面的溶液浓度，无法适应这种工业检测需要。另外在多组分溶液的装置中，用比重法也无法进行控制。

化学分析法，虽然可以做到较高的检测精度，但它需要耗费许多昂贵的化学试剂，又需要较长的分析周期，甚至需要价格很高的特种分析仪器，成本比较高。

-2-太原工业学院毕业论文以上传统的液体浓度检测方法各有其局限性，同时它们都需要人工取样，不能实现实时在线检测，由于取样费时费事，滞后性大，分析出的结果已经不是当时的状况了，而且在取样间隔内溶液浓度的变化又是未知的，这样就影响了产品的质量和自动化控制，所以它们的应用范围有限，不能适应现代工业生产的实际要求。

国外已报道的有：Bergman制作了一个光纤探头来检测各种液体的盐度；Narayanan使用一个基于激光的棱镜糖度计检测含糖液体的浓度；LongtinandFan在一个矩形单元中测量静止液体的折射率和浓度。其他提出来的技术包括平面荧光技术、热标记技术和干涉测量法技术等。国内已报道的包括：浮力法、重力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法及电导法等。然而，这些技术都需要复杂和昂贵的实验装置，不能用于流动液体浓度的检测[26]。

采用光学传感方法进行溶液浓度的检测具有快捷、简便、不污染待测液体、易于进行信号转换实现自动化控制等特点，并有助于解决在线检测及选择性测量等问题，适应现代工业生产对液体浓度测量的要求，所以越来越受到重视，有关的研究和应用也越来越多。光学传感方法测量液体浓度的出发点是光线透过待测溶液或者在待测溶液的界面上进行反射时，溶液浓度的变化会引起光的偏振方向，溶液的吸光度、折射率等物理参量的变化，如果能在它们之间建立起对应的关系，就可以通过测量这些物理参量的变化来测量液体的浓度[2]。

本文采用的是光透射方法，设计了双隔离窗和双平面镜的独特光学系统，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。

1.3课题设计的主要内容

(1)系统总体设计方案及框图(2)光学系统的设计(3)信号调理电路的设计(4)硬件设计及软件设计(5)软件仿真与系统误差分析

-3-太原工业学院毕业论文第2章总体方案

浓度的变化会引起液体对光的折射率的变化，对于由激光器发出的固定倾斜入射的光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用位置敏感器件（PSD）将得到的电流信号经过放大处理后检测出偏移量的大小，将这个模拟量经过A/D转换后发送给AT89C52单片机，以单片机为核心对浓度检测系统进行控制处理，最后由显示系统显示液体的浓度。

2.1系统总体方案设计

新型浓度检测系统主要包括以下几部分：半导体激光器、光学系统、信号调理电路、AT89C52单片机、A/D转换电路和显示电路等。液体浓度检测系统的系统框图如图2.1：

光电激光PSD传感器学系统

PSD信号调理电路源器LED显示系统键盘输入89C52单片

机A/D转换电路驱动电路图2.1液体浓度检测系统的系统框图

系统工作原理为：半导体激光器发出激光，通过光学系统（内装有参考液体和待测液体）照射到一维PSD感光面上，经过一维PSD信号调理电路将输出的电流信号进行放大等处理，由A/D转换电路将模拟量转换为数字量，通过适当接口将其送入微处理器，以其为核心对浓度检测系统进行控制，再由显示系统显示出待测液体浓度。

2.2系统性能指标

新型浓度检测系统的主要技术指标有：系统分辨力、系统测量范围、系统测量精

-4-太原工业学院毕业论文度和体积质量等[28]。

（1）系统分辨力

系统理论可分辨0.00001的折射率变化，但实际测量中，将会受放大器、单片机和A/D转换电路后的影响，综合分析，系统的分辨力可达0.00003，这相当于20度NaCl溶液的0.018%的浓度精度。

（2）系统测量范围

系统中采用了日本滨松公司的S3932型，其有效敏感区为1×12mm，考虑到边缘误差太大，实际可用约11.6mm，可测量折射率1.22986~1.50137。最大相当于20度NaCl溶液的90%的浓度精度。如果增加PSD的长度，则测量范围可进一步加大。

（3）系统测量精度

系统测量精度取决于系统误差修正后的残差R和偶然误差的总均方根值R。若以Sd表示浓度检测系统的测量精度。则：

2

SdRR2

2

（2.1）

（4）系统的体积与重量

浓度检测系统的体积与重量在使用中是一个非常突出的指标，往往同其他指标互相矛盾。

-5-太原工业学院毕业论文第3章新型浓度检测系统设计

基于PSD的新型浓度检测系统主要由激光器、光学系统、PSD信号调理电路、单片机系统、A/D转换电路和显示电路组成。

3.1光学系统设计3.1.1光源的选择

光电式液体浓度测量系统的光源有钠灯、发光二极管、氦氖激光器、半导体激光器可以选择。选择的要求是单色性好、方向性比较好、稳定性比较高、结构简单、体积比较小、结实坚固、价格低廉及使用方便等。

（1）钠光灯

钠光灯工作时，在可见光区域发射处两条极强的黄色谱线(又称D线)，它们的波长分别为589nm及589.6nm，通常取它们的中心近似值589.3nm作为黄光的标准参考波长，很多光学常数常以它作基准，因此钠灯是比较重要的单色光源之一。钠灯的光源质量比较好，为标准参考波长，所以测量出来的数值不需要修正，但体积比较大，需要限流器，启动电压也比较高。

（2）发光二极管

发光二极管LED作为光源出现在有关的报导中，可以使用新型黄色超高亮度的发光二极管LED，它是一种直接注入电流的发射器件，是晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时，发射出光子的结果。LED具有体积比较小、坚固耐用、使用电压低、寿命比较长等优点。暨南大学研制的饮料中糖含量在线测量系统就是使用超高亮度的黄色发光二极管作为光源的，但是LED的单色性较差，强度较弱，方向性也不理想。

（3）氦氖激光器

氦氖激光器是一个气体放电管，管内充有氦、氖混合气体，两端用镀有多层介质膜的反射镜封固，构成谐振腔。光在两镜面间多次反射，形成持续振荡，发射出激光。激光单色性好(波长为632.8nm)、方向性比较好、激光束产生的光斑质量也比较好。但氦氖激光器的激光管体积比较大，需要很高的电源电压(2000~3000V的直流电)。

（4）半导体激光器(激光二极管)

半导体激光器(激光二极管LD)具有单色性好，方向性比较好，体积比较小

-6-太原工业学院毕业论文(采用TO封装)，工作电源电压比较低(2.5V左右)，使用比较方便等优点。本系统使用中国科学院半导体研究所(海特光电子技术公司)生产的HTL67T05型5mw输出670nm基横模量子阱激光器。

激光二极管的芯片结构基本上与侧面发光的LED芯片结构基本相同，但要制造出与PN结垂直的两个相对平行的光学平面作为光学谐振腔，当PN结通以电流并超过阀值时，引起高强度的电致发光，最终在谐振腔内产生了激光。激光的产生是光在半导体内通过时，引发受激发射而获得放大的结果[11][12]。

3.1.2光学系统设计

（1）浓度检测的基本光学原理

液体浓度检测的基本原理如图3.1所示，被测液体浓度的改变，会引起入射光线折射角的变化，通过检测光线折射角度的变化（这一变化几乎与浓度成正比），经过分析计算可以求得待测液体的浓度[12]。

蒸馏水dn

入射光线待测液体图3.1液体浓度检测的基本原理图

测量水槽分为两部分，一部分装有参考液体（蒸馏水），另一部分就是待测的液体，中间用一块倾斜放置的光学透射窗隔开，这样，光线的折射角度就会随两部分液体折射率差值的变化而不同。当光线如图3-1所示的情况入射，那么两种液体折射率之差n与光线偏移量d（相当于参考液体与被测液体都是蒸馏水的情况）之间存在下列关系

nnn0cot2/2nkd

其中，为光线出射角，为光线入射角，k为与结构有关的常量。

（2）浓度检测的光学系统图

(3.1)

基于浓度检测的基本光学原理，本文提出了一种采用双隔离窗的光透射新型液体浓度检测的实验装置。如图3.2所示。

-7-太原工业学院毕业论文水槽双平面镜蒸馏水2光学透射窗2待测液体光学透射窗1蒸馏水1滤光片PSD激光器图3.2新型液体浓度检测系统光学部分

光学系统包括两个装有蒸馏水的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽，三个水槽之间由两个平行的光学透射窗隔开，水平入射的光线在由光学透射窗1进入待测液体时产生一个入射角(图3.2)。在装有蒸馏水2的水槽装有一个双平面镜，光线经过双平面镜的反射后，再进入待测液体，同样产生一个入射角，再次进入装有蒸馏水的水槽1，最后通过窄带滤光片投射在位置敏感器件的光敏面上，当待测液体浓度发生变化时，透射到位置敏感器件的光敏面上的光斑位置也发生变化，位置敏感器件就会线性的输出这一变化，从而实现浓度的检测。加入滤波片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对检测的影响[11][13]。

光线的几何轨迹如图3.3所示。在图3.3的几何光学光线轨迹中用d来表示PSD所测得的被测液体是待测液体（实光线）和蒸馏水（虚光线）时的光线偏移量。

nxnxd2dα－βα－βs1

d1d1s1d2图3.3光线几何光学轨迹

根据图3.3所示几何关系和光学折射定律有：

-8-太原工业学院毕业论文dd1d2d1s1d1tand2s1d2tan(3.2)(3.3)(3.4)

和

n0sinngsinnxsinngsin(3.5)(3.6)

式中，s1为两隔离窗距离。从式中可以看到，当入射角、参比液体和两隔离窗间距选定以后，、n0和s1就是固定值，将（3.2）、（3.3）式代入（3.1）式得到光线偏移量为

dd1d2

s1tans1tan

1tan1tann0

s1tanarcsinsinn

x2fnxn0

1tanarcsinsinn

x

（3.7）

3.2半导体位置敏感器件PSD

半导体位置敏感器件(PositionSensitiveDetector简称PSD)是一种对其感光面上的入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的信号。通过对输出信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维可以检测出光点的平面二维位置坐标[8]。

3.2.1PSD的结构

若有一轻微掺杂的N型半导体和一重掺杂的P+型半导体构成P-N结，当内部载流子扩散和漂移达到平衡时，就建立了一个方向由N到P区的结电场。当有光照射到P-N结时，半导体吸收光子后激发出电子-空穴对，在结电场作用下使空穴进入P区，而使电子进入N区，从而产生结光电势，这就是一般所说的内光电效应。但是，如果入射光仅集中照射在P-N结光敏面上某一点A，如图3.4所示，则产生的电子和空穴也将集中在A点。由于P区的掺杂浓度远大于N区，即P区的电导率远大于N区，因此，P区的空穴由A点迅速扩散到整个P区，即P区可以近似的视为等电位。而由于N区

-9-太原工业学院毕业论文的电导率比较低，进入N区的

P+

N

A

入射光点

图3.4横向光电效应示意图电子将仍集中在A点，从而在P-N结的横向形成不平衡电势，该不平衡电势将空穴拉回到N区，从而在P-N结横向建立了一个横向电场，这就是横向光电效应。横向光电效应是由肖特基（Schottky）在1930年首先发现的[15]。

PSD的基本结构仍为一P-N结结构，其工作原理是基于横向光电效应。图3.5为PSD的剖面图。

入射光

输出电极

P层N层

公共电极

图3.5PSD的剖面图输出电极

3.2.2PSD的工作原理

PSD是基于横向光电效应的光电位置敏感器件。横向光电效应又称侧向光生伏特效应或殿巴（Dember）效应。半导体光照部分吸收入射光子能量后产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高于未被光照部分，因而出现了载流子浓度梯度，形成载流子的扩散。由于电子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使光照部

-10-太原工业学院毕业论文分带正电，未被光照部分带负电，两部分之间产生光生电动势的现象称为横（侧）向光生伏特效应[14]。

当有光照射到PSD感光区，就会发生横向光电效应，在投射位置上就会产生光生电动势。由于P层的阻抗是均匀分布的，这样在P层两电极上聚集的光电流就与入射光位置和电极之间的距离成反比。如图3.6，假设光束入射到光敏

入射光输出电极输出电极

公共电极

L图3.6一维PSD的工作原理面所产生的总的光电流为I0，P层两电极输出的光电流分别为I1和I2，显然有

I0I1I2，I1和I2的分流大小关系取决于入射光点的位置到电极间的等效电阻。

其具体关系遵循下列公式：

当以PSD的中心为原点：

I1 I2 

12(1xA)Io2L12(12L(3.8)(3.9)(3.10)(3.11)

x)I

BoI2I12xAI1I2LI1L2xAI2L2xALxBIoL当以PSD的一端为原点：

I1 

(3.12)(3.13)(3.14)

I2 xBLIoI2I12xBLI1I2L-11-太原工业学院毕业论文I1LxBI2xB(3.15)

式中，I0是PSD中产生的总的光电流，并且I0I1I2；L是PSD光敏面的长度；xB是输出电极到入射光点的距离；xA是光敏面中心到入射光的距离。

从上式可以看出，xA、xB值和总电流I0无关，即表示光斑的位置信息只与光斑的位置有关，而与光斑强度无关；输出信号和光的聚焦无关，即与光斑分布、对称性以及光斑的大小尺寸无关，只与光的重心位置有关，这给检测带来了方便，但在实际应用中还应于考虑[27]。

PSD是一种能够连续检测光点位置的非分割型光电测距器件，其结构原理和等效电路如图3.7所示

AQxR2R1BPIRNLRL图3.7PSD结构原理和等效电路CAC1

Rt

I0

RAR1I1

I2

R2B3.2.3常用PSD器件的种类

根据所传感的位置坐标维数，PSD分一维和二维两类，根据器件结构，二维PSD有四边形结构、双面结构和枕形结构等几种。

（1）单晶硅PSD

PSD发展的初期，无论表面结构如何变化，单晶硅基PN结的结构一直没有变化。后来，随着研究的深入和应用方向的拓展，又开发了如氢化非晶硅和有机材料等等新的PN结材料。但是，单晶硅基PSD在只需要小光敏面积的应用情况下，依旧保持着一些优势，线性度、灵敏度相当好，响应速度也比其它材料的要快。另外，没有氢化非晶硅的氢游离和有机材料老化导致的器件性能下降的问题。因此单晶硅PSD是目前唯一获得大规模商业应用的PSD产品。

（2）氢化非晶硅(a2Si:H)PSD

-12-太原工业学院毕业论文由于受光刻设备和制作工艺的限制，单晶硅不适于做大面积器件，氢化非晶硅(a2Si:H)薄膜可在布材料上生长，适合大尺寸制作，而且均匀性好，对红外透明，原材料价格低廉。

（3）有机材料双异质结PSD

由于某些有机材料在可见光波段的吸收长度很小，可以做成光敏面较大又非常薄的器件。另外，器件又可以制作在重量轻，表面粗糙或者可弯曲的塑料基底上。这些特性，无疑对一些使用在特殊场合的光导和光伏器件具有一定的吸引力。

（4）面积挠性薄膜PSD

这一PSD的尺寸达到了5mm×80mm，与类似结构的传统pin型PSD相比，其暗电流要小得多。通过分光光度计测量，最高灵敏度为入射光波长500nm时的0.12AW。经过波长632nm，功率2.3mW，光斑直径1mm的激光器的测量，位置非线性度在±10%。大面积挠性薄膜PSD的出现拓展了PSD的应用范围，其低成本、透明和可弯曲的优点适用于一些需要曲面探测器的特殊场合。

（5）阵列型PSD一维PSD阵列

随着PSD应用范围的不断扩大，其自身的一些局限也开始显露出来。其中一个重要的问题就是单个光敏面的只能获得一个位置响应。虽然也有学者从事过在单一PSD光敏面上的多光束位置响应，但是处理方法过于复杂。于是人们开始把目光转向阵列型的PSD。研究和开发了一维和二维的PSD阵列。

二维阵列PSD

自适应光学技术是一种实时校正光学系统随机误差的新技术，它使光学系统能适应使用条件变化而保持良好性能，在太空望远镜系统等领域有着重要应用。自适应光学的核心是对波前的精确探测和修复。

（6）CMOS型PSD

CMOSASIC技术是当今电子集成芯片的主流制造技术。将其移植到集成光学和光电子器件领域，可充分利用现有的平台，节约投资，实现光学器件的规模化、自动化生产，并且最终实现光学和电子器件的混合集成，真正实现SOC(systemonchip)。传统PSD的单一连续大面积光敏面要求口电阻非常大(>10kΩ)且分布均匀的分流电阻层，对工艺精度要求严格[19]。

-13-太原工业学院毕业论文3.2.4PSD的主要性能参数

从使用的角度来看，PSD的灵敏度、光谱响应特性、位置分辨率、位置线性度、灵敏面尺寸、暗电流、暗电流温度系数、响应速度等是使用者选择PSD器件必须考虑的指标[19]。

（1）光谱响应特性

PSD器件的光谱响应特性，表示PSD的响应灵敏度与光波波长之间的关系，它与所使用的材料有关。PSD器件的光谱响应较宽，一般在300—1100nm范围内，PSD光谱响应特性曲线如图3.8所示，其峰值响应波长在900nm左右。

0.70.60.50.40.3300图3.85007009001100PSD光谱响应特性曲线（2）位置分辨率

位置分辨率是指在PSD受光面上能检测的最小变位，用受光面上的距离表示。器件尺寸越大，即L越大，PSD的位置分辨率越高。现实中为了提高PSD的位置分辨率，就必须增大PSD的分流层电阻，减小暗电流，此外还需选择低噪声的运算放大器以及分辨率足够高的测试仪表。

（3）位置线性度

位置线性度是指光点沿着直线移动时PSD的位置输出偏离该直线的程度。由于PSDN区材料的不均匀性、电极形状等因素而造成P区结面上电阻率不为恒量从而成为PSD非线性的主要影响因素，因而在使用过程中不得不人为地将PSD敏感面划为a区和b区，a区为中央区域，b区为边缘区域，a区的位置准确度优于b区。如图3.9所示，区域a的尺寸为Φ10mm，位置检测误差为±150μm，区域b直径尺寸为Φ20mm，位置检测误差为±400μm。在实际运用中，应尽量使光点打在PSD的a区域，提高

-14-太原工业学院毕业论文位置检测精度。另外可以使用非线性性补偿算法，补偿非线性性，提高b区域的使用价值。

123图3.9区域a及区域b的定义1区域a

2区域b

3感光面

（4）响应速度

响应速度是反映PSD瞬态特性的重要指标，它与PSD的工作状态和制作工艺有关。

（5）暗电流及暗电流温度系数

暗电流及暗电流温度系数则是反映PSD在无光照时的响应特性。

3.2.5影响PSD性能的因素

PSD除了固有特性之外，使用情况以及外加参数也对其性能有所影响。下面对这些因素作一些简单的分析

（1）入射光对PSD性能的影响

从理论上讲，入射光点的强度和尺寸大小对位置输出均无关。但当入射光的强度增大时，信号电极的输出光电流也增大，不利于提高信噪比，进而提高器件的位置分辨率。当然，入射光点强度也不能太大，以免引起器件饱和。此外在选择光源时，应尽量选用与PSD光谱响应有良好匹配的光源，以充分利用光源发出的光能。

根据PSD的工作原理，PSD的位置输出只能与入射光点的中心位置有关，而与光点尺寸的大小无关，这给PSD的使用提供了很大的方便。但当光点位置接近有效感光面边缘时，一部分光就会落到感光面之外，使落在有效感光面内的光电中心位置偏离实际光点的中心位置，从而使输出产生误差。光点越靠近边缘，误差就越大。显然，入射光点的尺寸越大，边缘效应就越严重，从而缩小了器件实际可用的感光面的范围。因此，尽管当入射光点全部落在器件的有效感光面内时，位置输出与光点大小无关，

-15-太原工业学院毕业论文但为了减少边缘效应，入射光的直径应该尽量少一些，尤其当PSD的有效感光面尺寸比较小时，更应该注意。

（2）反偏电压对PSD性能的影响

与PIN光电二极管类似，加上反偏电压后，PSD的感光灵敏度略有提高，并且结电容降低，这对提高PSD的动态频率响应是有利的。因此PSD在使用时加上10V左右的反偏电压。加上反偏电压后会使PSD的暗电流也有所增加。上述特性从前表中可以清楚地看出。

（3）背景光的影响

通常，PSD在使用时总存在一定强度的背景光，背景光的存在将会影响器件的性能。假设背景光在两个信号电极上产生的光电流为I，显然，当背景光强度变化时，将引起位置输出的误差。并且，当背景较强时，信号光点强度的变化也将影响位置输出。因此，背景光的存在对PSD的使用是很不利的。

消除背景光影响的方法有两种：光学法和电学法。光学法是在PSD感光面上加上一片透过波长与信号光源匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光。电学法可以先检测出信号光源熄灭时的背景光强的大小，然后点亮光源，将检测到的输出信号减去背景光的成分。或者可以将光源以某一固定的频率调制成脉冲光，对输出信号用锁相放大器进行同步检波，滤去背景光成分，再进行处理，得到位置输出信号。

（4）环境温度的影响

温度上升会引起器件暗电流的增大，温度每上升1C，暗电流就要增加1.15倍。暗电流的存在不仅会带来误差和噪声，而且对背景光产生不利影响[14]。

3.2.6PSD的选取

结合PSD的性能参数、系统测量范围和测量精度的分析，本文选用日本滨松公司的S3932型PSD产品，其响应速度为3s，分辨率为0.3m，有效敏感区为1×12mm2，光谱响应特性曲线如图3.10，它主要性能参数如表3.1所示[14]。

-16-太原工业学院毕业论文0.8(Typ，Ta=26℃)OE=100%S3979S3931S3932响应灵敏度（A/W）0.60.40.2OE=50%04006008001000波长（nm）

图3.10表3.1光敏面光谱响应范围响应度上升时间结电容暗电流极间电阻工作温度存储温度分辨率位置测量误差S3932光谱响应范围特性曲线S3932型PSD的主要性能参数1×12mm2320~1100nm0.55A/W(=920nm)3.0s(VR=5V，RL=1K)80pF(VR=5V，f=10kHZ)0.2~20nA(VR=5V)30~80K(Vb=0.1V)-10~60℃-20~80℃0.3m±60m

3.3PSD信号调理电路的设计

一维PSD信号基本检测和调理电路，如图3.11所示。主要由前置放大、加法器、减法器和除法器等部分构成，其中IC1、IC2、IC3、IC4为高精度运放，IC1和IC2是前置运放电路，应选用低温漂高输入阻抗运放，IC3和IC4分别形成加法器和减法器，AD538为模拟除法器，Rf可根据入射光的强度而定。我们可以将位移与液体浓度变

-17-太原工业学院毕业论文化值之间的线形因数折算到PSD的长度之中选择合适的电阻阻值将输出的位置信号在这一步将转化为所对应的浓度数值。PSDC150uFR?10KPSD-1IC1AR?1234567AD54789U?IzAVzDBIx+10VVx+2VSIGNL END+VsPWR END-VsCVoIyIVyAD538+Vcc181716151413121110R?10KR?10K+VccPSD2GNDOPAMPOPAMP-VccR?R?10KR?10KR?10K+VccGNDPSD3PSD4R?C?50uF10K10KR?10KR?10KR?POT2C?0.1uFC350uFGND+VccIC2IC4GNDGNDOPAMPGNDOPAMP-Vcc图3.11一维PSD的基本检测电路3.3.1前置放大、主放大电路在实际的光电系统中，由光电探测器获得的电信号常常是微弱信号，不能直接送123到信号处理器或显示设备中去，必须由放大器给予放大。放大器通常由前置放大器或主放大器组成，前置放大器一般和光电探测器紧靠在一起构成探头，对信号给予放大。对前置放大器不仅有增益的要求，同时对信噪比也有严格的要求，因此前置放大器也是低噪声放大器[28]。

（1）前置放大电路

PSD输出为电流信号，为了对输出信号进一步的处理，需要设计电流型前置放大电路将电流信号转换为便于处理的电压信号（I/V变换）。前置放大电路如图3.12所示。PSD光电流流过RF反馈电阻，反馈电容CF控制增益峰值，大小决定于PSD结电容Cd。RF、CF根据系统频响决定。

4-18-太原工业学院毕业论文图3.12电流型前置运放电路电路的输出电压：

U0IINRF

（3.18）

下面分析上述电路的频响函数，由于信号处于低频段，放大器的开环带宽可以近似看成无穷大，同时根据戴维南定理、密勒定理，电流型前置放大电路可等效为如图3.12所示电路。

图3.12等效电路图

ZDRdVINIINZD（3.19）（3.20）（3.21）

ZF1

式中ZFZF1AoRF，A0为放大器开环增益；

1sRFCF-19-太原工业学院毕业论文则

1ZF//Zi//)VINsCd1AoU0A01ZFZD//Zi//

sCd1Ao(

（3.22）

经过整理可得电路的闭环增益：

ZFZDAf

1ZFZF1(1sZFCd)

AoZiZD（3.23）

当ZiZD时，电路的闭环增益可简化为：

ZFZDAf

1ZF1(1sZFCd)

A0ZD

（3.24）

考察电路的闭环增益，取ZF为一纯电阻阻抗时，可以看出系统为二阶系统，电路的阶跃响应会有强烈振荡，同时系统也有可能产生自激振荡，需对其进行相位补偿，

CF起这样的作用。当前置放大器的高频稳定性由传递函数在复平面上两个极点P1，

P2的相位差Ψ来表示，则60时前置放大器稳定，CF必须满足以下条件：

CF

CPSDRF1（3.25）

1—是前置放大器的开环单位增益带宽。

系统选用AD公司OP07运放，其开环单位增益带宽1=0.6MHz，差模输入阻抗RF的阻值要取得远远小于PSD又Rd50k，Cd1200pF，ZiRd。Zi50m，

的内阻Rd，取RF1k，将上述参数带入上式，解得CF44.7pF。

（2）主放大电路

前置放大器对PSD的输出电流信号进行I/V变换，送入主放大器的为电压信号，由于PSD内阻的限制，RF不能取得太大，主放大器的主要工作是将信号放大到我们需要的幅度。电路如图3.13所示。

-20-太原工业学院毕业论文图3.13主放大电路图

图中Vin为前置放大器的输出电压，R0为前置放大器输出电阻，数值较小可忽略。运算放大器存在偏置电流、失调电压、失调电流等误差，R3=R1//R2可以消除偏置电流产生的误差，而失调电压、失调电流可以通过放大器外接调零电阻来消除。

放大器的输出电压要被送到数据采集模块进行A/D转换，因此需要考虑放大器的输出电压与数据采集模块的模拟输入电压范围的匹配问题。通过调节放大倍数可以实现上述匹配，例如：当主放大器的输入极值电压为0.01mV，数据采集模块的单极性输入电压0~±2V，则A0的取值在200左右。同样，四路放大电路的元件要进行认真的测量，保持一致[26]。

3.3.2背景干扰及暗电流消除

通过实验我们发现，背景干扰和暗电流产生的电流输出，其频谱属于直流或缓变的信号。

消除背景干扰和暗电流可以考虑从光路和电路两个方面采取措施。

在光路上，采取光学滤波的措施。在PSD感光面上加上一个透过波长与信号光源匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光。

从电路上，由于在几个时钟周期范围内，它可被看成是直流电平，因此可以先检测出信号光源熄灭时的背景干扰及暗电流的大小，然后点亮信号光源，将检测到的输出信号减去背景干扰部分。另外，也可以对光源进行脉冲调制，对输出信号进行锁相放大，同步检波的办法滤去背景干扰及暗电流成分[16]。

-21-太原工业学院毕业论文（1）背景干扰及暗电流消除电路

本系统同时采用光学法和电学法中的第一种方法来消除背景干扰和暗电流。电路原理图如图3.14所示

R2VinVin3V-ADJR1V+2R3V0R4S/HSH1图3.14消除背景干扰、暗电流电路Vd背景干扰、暗电流的干扰电平；Vin叠加干扰电平的信号输出；

R1R2R3R4R

V0(VinVd)

（3.26）（3.27）

由上式可以看出，电路实现了消除背景干扰和暗电流的功能，电路不具有放大作用，只是对信号进行了反向。（2）干扰电平的采样、保持

LF198是国家半导体公司生产的单片采样保持电路，只需外接一个保持电容CH就可构成性能良好的采样保持器。LF198采用BI-FET工艺获得了超高的直流精度、较低的捕获时间和很小的衰减率。LF198使用时为一单位增益跟随器，直流增益精度达到0.002%。当捕获精度为0.01%时，捕获时间仅为6μs。输出阶采用P沟道JFET构成输出放大器获得了低的衰减率，在外接1μF保持电容时，衰减率为5mV/min。双极性输入阶获得了较低的失调电压和宽带宽，通过片外的一个引脚可以调节LF198的LF198还具有输入阻抗大失调。另外，（GΩ），输出电阻小（Ω），输出噪声小（nV/Hz）

-22-太原工业学院毕业论文等特点。LF198的模拟输入电压范围可以达到其电源电压的范围。用LF198构成采样保持器如图3.15所示。

图3.15采样保持器采样保持器的采样保持信号由外触发电路提供，在点亮光源之前由人工手动触发采样干扰电平。

（3）保持电容CH的确定

在选择保持电容时，主要从两个方面来考虑：电容的介质材料和电容值。在精密的采样保持电路中，保持电容的介质吸收是一项主要的误差源，比如，一个聚酯薄膜电容在快速充电后，电压值会下降0.2%，这种现象表现为电容的介质迟滞现象，对电容的充电需要几次反复，对采样保持电路来说，就是意味着需要更长的捕获时间。聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯电容具有非常低的介质迟滞线，因此我们选用聚四氟乙烯电容作为保持电容。

电容值的选择应综合考虑精度、衰减率、捕获时间等参数。综合考虑以上各个因素，电容值的选择是一个不断优化的过程。

随着电容的增大，衰减率直线下降，为了获得小的衰减率，选择大电容，取CH=0.1µF。此时衰减率为3.0104V/s。从捕获时间与保持电容关系图可知，捕获误差在0.01%范围内，捕获时间为300µs。当保持电容为0.1µF，结温度为25°C时，衰

-23-太原工业学院毕业论文减率3.0104V/s，整个后坐过程持续18ms，理想情况下，保持期间的电压衰减

VD3181040.0054mV，当采用10位A/D转换器，0~2V电压输入，分辨力0.002V，不会产生误差。综上所述，我们选择保持电容CH为0.1µF聚四氟乙烯电容。

（4）采样保持控制信号

采样保持电路的采样保持控制信号由外触发电路产生，在点亮光源之前人工手动触发。设计如图3.16所示触发电路，电路有两个RC网络及施密特触发器（CD4093B）构成。施密特触发器来消除按键抖动并对脉冲展宽、整形产生

+5VS1R11001+5V234567GNDAVCCBNIMKHCLDFGNDE14+5V1312111098+R210K4.7uF图3.16外触发电路规则的矩形脉冲，脉冲宽度大于捕获时间300µF。在按键S1闭合时，通过R1，C网络对电容进行充电，充电时间常数1R1C470s。在按键断开时，电容通过R2，C网络放电，放电时间常数247ms[9]。

3.3.3陷波电路

考虑到系统恶劣的工作环境，发动机这样的强干扰源会在电路中引入50Hz的工频干扰。PSD输出为微弱信号，工频干扰耦合在信号中被传输放大，在恶劣的情况下会将信号淹没。由于工频干扰的存在，使信号变的很坏，有必要设计滤波器滤除工频干扰。有源双t陷波器能有效的滤除50Hz的共频干扰，电路如图3.17所示[9]。

-24-太原工业学院毕业论文A1VmRCRCV0RRCA2R图3.17双t陷波电路双t陷波器的频率特性主要取决于双t网络中，两支路的r，c的对称程度决定陷波点的衰减能达到的最低限度。保持各个电阻和电容的严格对称关系，可以是对应于

f050HZ的频率的信号互相抵消，陷波器的特性参数关系式为

f0Q

1RC(3.28)(3.29)

14(1k)

k值决定阻带宽度，k值越大，Q越高，频率选择性越好。但是Q值太高，滤波器的性能不稳定。取k=0.9，则Q=2.5。由f050HZ和运算放大器输入阻抗的限制选定电阻和电容。

3.4单片机硬件系统的设计3.4.1单片机系统概述

单片机集成度高，具有丰富的内部资源，再加上少量的外围扩展电路就可以构成体积小、可靠性高、控制功能强且性价比高的控制系统。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256

-25-太原工业学院毕业论文bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

图3.18给出了它的最小系统电路图。

+5VC11933pFRP1U2XTAL1XTAL21P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617ADCSDIDOADCLKDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB723456789RESPACK-8X1CRYSTALC2+5V33pF189RSTC310uFR110kRSTERWRSCS2CS1293031PSENALEEA开始/暂停12345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C52图3.18单片机最小系统电路图AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU整状态进入的控制功能。

-26-的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调

234太原工业学院毕业论文3.4.2电源电路设计（1）系统电源设计系统主要有12V、5V、3.3V几种电压共存，12V、5V电压由线性电源提供，如图3.19所示。U?MC7812Vin+12VDNG+12V3R1100C50.22uFD1C71000uFD35VC9470uFC1101uF+5V1T?220V18V4D?C147uFC30.33uF122TRANS12BRIDGE13C24700uFC40.33uFC60.22uFD2C81000uF3D45VC10470uF1DNGC120.1uF2VinU?MC7912-12V3-12VR2100-5V图3.19系统电源电路（2）电平转换部分设计由于本系统需要用到3.3V电源，所以我们需要用到电平转换电路，将我们已有的5V或12V电压转换成3.3V电压以供我们系统所用。电路图如图3.20所示。从IN端输入的+5V电压，经过电平转换芯片LT1085的转换后就可以得到本系统所需要的3.3V电压。+5VLT10851+C2100uF33.3VINOUT2+C3100uFDNGC11uF2C41uF43图3.20电平转换电路-27-太原工业学院毕业论文3.4.3ADC0832芯片及其接口

(1)功能特点

ADC0832是NS(NationalSemiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下：

8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；5V单电源供电；

输入模拟信号电压范围为0～5V；输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us；具有两个可供选择的模拟输入通道；功耗低，15mW。(2)外部引脚及其说明

ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3.21所示。各引脚说明如下：

CS——片选端，低电平有效。CH0，CH1——两路模拟信号输入端。DI——两路模拟输入选择输入端。DO——模数转换结果串行输出端。CLK——串行时钟输入端。

Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。GND——电源地。

图3.21ADC0832引脚图-28-太原工业学院毕业论文(3)单片机对ADC0832的控制原理

一般情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲到来之前DI端必须是高电平，表示启动位。在第2、3个时钟脉冲到来之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表3.2。

表3.2ADC0832配置位输入形式差分输入单端输入

配置位CH0CH100011011选择通道

CHOCH1+--++

+

如表3.2所示，当配置位2位数据为1、0时，只对CH0进行单通道转换。当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当配置2位数据为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

到第3个时钟脉冲到来之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个时钟脉冲开始由DO端输出转换数据最高位D7，随后每一个脉冲DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图3.22为ADC0832时序图。

-29-太原工业学院毕业论文图3.22ADC0832时序图3.4.4LCD显示电路设计

液晶显示器件独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中特得到了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能像西文字符那样用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。

本设计所选择的LCD是AMPIRE128×64的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，图形液晶显示显示器接口如图3.23所示。

图3.23LED电路图-30-太原工业学院毕业论文表3.3AMPIRE128×64接口说明表管脚号123456789101112131415161718

管脚电平说明CS1CS2GNDVCCV0RS

H/L

片选择信号，低电平时选择前64列

H/L片选择信号，低电平时选择后64列0V逻辑电源地5.0V逻辑电源正

LCD驱动电压，应用时在VEE与V0之间加一2K可调电阻H/L数据\\指令选择：高电平：数据D0-D7将送入显示RAM；

低电平：数据D0-D7将送入指令寄存器执行

R/WH/L读\\写选择：高电平：读数据；低电平：写数据EH/L读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据DB0H/L数据输入输出引脚DB1H/L数据输入输出引脚DB2H/L数据输入输出引脚DB3H/L数据输入输出引脚DB4H/L数据输入输出引脚DB5H/L数据输入输出引脚DB6H/L数据输入输出引脚DB7H/L数据输入输出引脚RSTL复位信号，低电平有效VOUT-10VLCD驱动电源

表3.4RAM地址映像表0DB0∫DB7DB0∫DB7DB0∫DB7DB0∫DB712………PAGE0PAGE1

616263X=0X=1……

X=6X=7

………………

PAGE6PAGE7

由RAM地址映射表可知LCD显示屏由两片控制器控制，分别用CS1和CS2控制。每个内部带有64X64位（512字节）的RAM缓冲区，对应关系如图3.24所示。

-31-太原工业学院毕业论文LCD128*64点IC18页*64列64*64点IC28页*64列64*64点图3.24LCD地址映射图整个屏幕分左、右两个屏，每个半屏有8页，每页有8行，注意数据是竖行排列，如表3.4。显示一个字要16*16点，全屏有128*64个点，故可显示32个中文汉字。每两页显示一行汉字，可显示4行汉字，每行8个汉字，共32个汉字。而显示数据需要16*8个点，可显示数据是汉字的两陪。

屏幕是通过CS1、CS2两信号来控制的，不同的组合方式所选的屏幕是不同的，对应关系如表3.5所示。

表3.5屏幕选择表CS10011

CS20101

选屏全屏左屏右屏不选

只有理解了液晶显示器各个指令的功能，再结合单片机的指令系统，就能编写C语言程序来达到混合显示汉字与数字的目的。通过程序将字的代码写入相应的DDRAM地址，就可以在相应的位置显示相应的字。

液晶显示器件（LCD）独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中特得到了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能象西文字符那样用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。

-32-太原工业学院毕业论文液晶模块显示汉字方法：使用图形液晶模块以点阵形式来显示汉字和图形，每8个点组成1个字节，每个点用一个二进制位表示，存1的点显示时在屏上显示一个亮点，存0的点则在屏上不显示，最常用的16×16的汉字点阵由32个字节组成。以在我国应用较为普及的液晶显示驱动控制器12864为例，在液晶屏上竖向8个点为1个字节数据，通过字模提取软件按照先左后右，先上后下的方式对汉字进行字模提取。

上一页下一页图3.25字提取方格由于D0-D7是从上到下排列的，最上面8行是上一页，我们先提取上面一页的数据16个，在按照相同的方法提取下一页的数据16个，在分别写入对应的DDRAM地址，就可以显示我们所需要的字。简单的字可手工制作，也可以用起模软件zimo221提取标准的宋体汉字，不过本文所用的液晶显示屏用这款软件要设计纵向取模并且要反字节，否则将显示乱码。数字只需起汉字的一半数据就可以了，如图3.25所示的左边8列或者右边8列。

-33-太原工业学院毕业论文第4章

4.1系统软件设计流程

系统的软件设计

开始初始化各模块显示有键按下？NY功能键1功能键2AD转换调整PSD位置AD转换数据处理数据处理显示显示D调零了？N结束Y图4.1系统程序流程图功能键1为系统调零功能，当待测液体水槽装有蒸馏水时，系统采集数据，经A/D转换、数据处理后，由显示系统显示，若显示没有调零，调节PSD的位置，直到调零为止；功能键2为系统工作状态，把待测液体放入待测液体水槽，按功能键2，系统开始工作，采集数据经A/D转换到AT89C52单片机，数据处理后交显示系统显示待测液体浓度。

-34-太原工业学院毕业论文4.2A/D转换子程序设计

A/D转换的目的是把前面经过信号处理电路处理过的模拟量转换为单片机能够处理的数字量。由于ADC0832是将数据转化为12位二进制数，而这个12位的数据如果不经过处理的话诗左对齐的放在两个8位的存储地址里。A/D转换子程序就是要把这个模拟量转换为数字量并将靠左边对齐的数据调整为向右对齐。A/D转换的程序流程图见图4.2：

开始启动A/D转换返回ACC.7=1?N

关闭A/D转换Y

图4.2A/D转换子程序流程图

4.3LCD显示子程序设计

本设计要显示的是浓度的数值。因为这个数值包含四位小数，所以要显示这个数值必须要考虑小数点在第二位。流程图如图4.3所示

-35-太原工业学院毕业论文开始初始化左右屏控制重复6次起始页设置起始列设置显示汉字设定调用写汉字子程序结束主程序流程图图4.3计算汉字代码初始地址写入起始页地址写入起始列地址R0=0调用写入数据子程序R0=R0+1NYR0=16?起始页地址加1重新设起始列地址调用写入数据子程序R0=R0+1NR0=32YRETLCD显示子程序流程图

-36-太原工业学院毕业论文4.4数据处理子程序设计

将A/D转换进行七次对所得到的数据去掉最大最小值然后求平均值，这样就可以在很大程度减小误差。

因为A/D满量程为10V对应的浓度为100，则任意A/D之下的实际浓度只需要把该A/D值乘以0.0025即可，由于保留4位小数可把该值乘以25，显示时在第二位LCD上显示小数点即可。主程序流图如图4.4表示：

开始设置A/D转换次数

N=7调用

A/D转换子程序

返回

N

存入数据区

判断N-1=0?Y

调用数据处理程序去掉最大最小值后5个数值求平均值

调用显示子程序

求出浓度值并转换成

BCD码送入显示缓冲区

图4.4数据处理子程序流程图

-37-太原工业学院毕业论文第5章软件仿真与系统误差分析

5.1Proteus软件仿真

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译.

本论文使用的是proteus7.8版本的软件

由于Proteus软件中没有所需要的光学检测元器件，使用了光敏可变滑动电阻代替。如图5.1所示

图5.1光敏电阻-38-太原工业学院毕业论文这个系统的接线图如图所示+5VLCD1AMPIRE128X64R32K28.1LDR2LDRADCS1234CSCH0CH1GNDADC0832VCCCLKDIDO8756DIDO+5VC11933pFRP1U2XTAL1XTAL21P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617ADCSDIDOADCLKDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB723456789RESPACK-8X1CRYSTALC2+5V33pF189RSTC310uFR110kRSTERWRSCS2CS1293031PSENALEEA开始/暂停12345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C52图5.2Proteus软件仿真如图5.2在单片机P1.6出接了一个开关，可控制数据的开始暂停。

通过改变光敏电阻的大小经过A/D转换器转换出数字信号经单片机处理将检测出的数据显示在A​M​P​I​R​E​1​2​8​X​6​4​显​示​器上。

-39-RSTDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0ERWRSADCLK1817161514131211109876543CS22CS11U5-VoutRSTDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0ER/WRSV0VCCGNDCS2CS1+5V太原工业学院毕业论文5.2系统误差分析

5.2.1光源光强波动对系统的影响

本实验采用半导体气体激光器作为系统光源，这是因为除了综合考虑了液体对光的吸收特性以外，还考虑到红光的可视性比较好，实验光路的调节。但半导体激光器的输出光功率不稳定。光源光强度的波动对于位置敏感器件来说不会有太大的影响，但光源光波动时，对系统的输出还是有一定的影响

5.2.2位置敏感器件对系统的影响

（1）位置敏感器件暗电流和环境杂散光的影响

位置敏感器件作为一种半导体光敏器件，其本身的暗电流会对检测结果带来影响，另外，尽管我们用暗盒和窄带滤光片封装在位置敏感器件的光敏面上，环境杂散光中还会有小部分光透过滤光片。假设两者给位置敏感器件输出带来的误差信号为

L，根据位置敏感器件的工作原理通过两路信号的差和比例运算的得到的有误差信号的位移与理想的位移一定的差别，其相对值可表示为

xx'xI2II1II2I1xxIIIIII1212I2I12I

IIII1212(5.1)

大量的实验检测表明在位置敏感器件上加上暗盒和滤光片的情况下，测得位置敏感器件的输出电流大约为50nA,而两路信号的强度分别大约为10uA左右，代入上式，可以得到暗电流和环境杂散光对位置敏感器件检测结果的影响约为输出值的0.5%。可以看出，尽管在位置敏感器件前加了滤光片，暗电流及环境杂散光对测得结果还会带来一定的影响。

（2）光线偏移量方向与位置敏感器件轴线不平行的影响

当浓度发生变化的时候，光点会发生上下的移动，在试验之间，需要将光线偏移量方向沿着位置敏感器件的光敏面轴线方向移动，由于目测结果很难实现光点的位移方向严格的与位置敏感器件方向完全重合，如图5.3所示，两者的偏差会给检测带来误差。位置敏感器件光敏面的尺寸为2mm20mm，设光斑位置与位置敏感器件轴线最大偏移量为2b=1mm，则实际的位置d和检测到的轴向位移x的最大差别，其引起的相对误差表示为

xdxddcos1cos1L/2ddd

-40-L/22b2(5.2)

太原工业学院毕业论文将具体的实验参量代入，可得这一相对误差的大小约为0.12%，并同样可以通过对系统的标定来消除这个愿意造成的误差。

bPSD的中轴线感光面

Ldx光线的移动方向

图5.3光线偏移量方向与位置敏感器件轴线不平行示意图

5.2.3A/D的分辨率对系统的影响

由于PSD具有高分辨率、高响应速度的特性，单片机的A/D转换分辨率和转换时间成为影响系统的响应速率和分辨率的主要因素之一，选用AT89C52单片机能够实现A/D转换速率与PSD分辨率的匹配。

-41-太原工业学院毕业论文第6章总结

本文在非接触液体浓度检测方法、PSD的发展现状和发展趋势的分析研究基础上，深入探讨的基于PSD液体检测系统的工作原理，设计了基于PSD的液体检测系统，并深入的研究了光学折射率检测液体浓度的原理和PSD的工作特性。对基于PSD的新型液体浓度检测系统进行了仿真实验。

本论文的主要研究结论归纳如下：

（1）深入分析了基于PSD的新型液体浓度检测系统的工作原理，并对PSD的工作特性进行了研究。

基于PSD的新型液体浓度检测系统利用折射率的光学差动检测原理和位置敏感器件输出信号的电学差动处理技术，实现了液体浓度的检测，该双差动检测技术的特点是1)系统结构简单、成本低、实用性强；2)液体浓度检测的分辨力可达到0.018‰；3)降低了光强变化对检测的影响；4)降低了温度变化对检测的影响。PSD是一种基于非均匀半导体横向光电效应的光电器件，当PSD敏感面受到光斑照射时，其敏感面上将建立起与光斑位置相关的横向电压，在外接电路作用下，将形成向两极流动的电流。两极电流的大小与光斑的位置有关，根据电极电流的大小可算出光斑的位置，结合光学原理，即可实现非接触检测。

（2）设计了基于PSD的新型液体浓度检测系统的硬件结构。

对液体浓度检测系统的硬件进行了设计，系统硬件由检测核心器件PSD、激光器、光学系统、信号调理电路、A/D转换电路、单片机和显示电路等组成。同时深入分析了PSD信号调理的基本电路，对信号调理的前置放大器进行了建模和分析，讨论了前置放大包含的噪声。针对PSD信号调理基本电路的不能消除暗电流和外界杂散光的影响，本文设计了专用电路消除暗电流和外界杂散光。

（3）开发了基于PSD液体浓度检测的软件系统

系统软件采用模块化设计的结构，完成了系统调试、数据采集、数据处理和数据显示的工作。重点介绍了A/D转换程序和数据显示程序的设计

（4）结合系统进行了相应的仿真模拟实验，结果表明系统设计是成功的。

-42-太原工业学院毕业论文致谢

本论文是在导师乔俊福老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究方法和技术路线的确定，直到论文的定稿，无不凝聚着导师的心血。乔老师知识之渊博、思维之开阔、治学之严谨、诲人之不倦的风格使我受益匪浅，是我人生中应当学习的榜样。值此论文完成之际，谨向乔老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！

另外，在设计过程中，还得到了其他老师的指点和无私的帮助，对他们的关心和热心帮助，在此谨向他们表示诚挚的感谢！还要感谢我所有的朋友和同学，谢谢他们不断的鼓励和无私的帮助。

以及真诚的感谢评阅我论文的各位老师和参与我答辩的各位老师！

-43-太原工业学院毕业论文参考文献

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（11）:1333-1338

-45-太原工业学院毕业论文附录：单片机源代码

#include\"AT89C51.h\"sbitSCL=P2^2;sbitCS=P2^0;sbitSDA=P2^1;///////////////////////读数模转换数据/////////////////////////////////请先了解ADC0832模数转换的串行协议，再来读本函数，主要是对应时序图来理解，本函数是模拟0832的串行协议进行的unsignedcharad0832read(bitSGL,bitODD){unsignedchari=0,tmp=0,tmp2=0;SCL=0;_nop_();_nop_();SDA=1;_nop_();_nop_();CS=0;_nop_();_nop_();//开始SCL=1;_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();//第一个上升沿SDA=SGL;_nop_();_nop_();SCL=1;_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();//第二个上升沿SDA=ODD;_nop_();_nop_();SCL=1;_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();//第三个上升沿//第三个下降沿SDA=1;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i++){SCL=1;_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();//开始从第四个下降沿接收数据-46-太原工业学院毕业论文tmp<<=1;if(SDA)tmp++;}for(i=0;i<8;i++){tmp2>>=1;if(SDA)tmp2+=0x80;SCL=1;_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();_nop_();}CS=1;_nop_();_nop_();SCL=1;if(tmp==tmp2)returntmp;return0;}//与校验数据比较，正确就返回数据，否则返回0//结束//接收校验数据#include#include\"FONT.h\"#include\"string.h\"#defineLcdDataPortP0sbitReset=P1^0;sbitRS=P1^3;sbitE=P1^1;sbitCS1=P1^5;sbitCS2=P1^4;sbitRW=P1^2;sbitbusy=P0^7;//数据端口//复位//指令数据选择//指令数据控制//左屏幕选择，低电平有效//右屏幕选择//读写控制//忙标志-47-太原工业学院毕业论文externucharcodeHZ_tab[];/***********************************lcd.c***************************************voidCheckState(){E=1;RS=0;RW=1;LcdDataPort=0xff;while(!busy);}voidLcdDelay(unsignedinttime){while(time--);}voidWriteData(uchardat){CheckState();E=1;RS=1;RW=0;LcdDataPort=dat;E=0;}-48-*/太原工业学院毕业论文voidSendCommand(ucharcommand){CheckState();E=1;RW=0;RS=0;LcdDataPort=command;E=0;}voidSelectScreen(ucharscreen)//0-左屏，1—右屏，2-全屏{switch(screen){case0:CS1=0;LcdDelay(2);CS2=1;LcdDelay(2);break;case1:CS1=1;LcdDelay(2);CS2=0;LcdDelay(2);break;case2:CS1=0;LcdDelay(2);CS2=0;-49-太原工业学院毕业论文LcdDelay(2);break;}}voidClearScreen(ucharscreen){uchari,j;SelectScreen(screen);for(i=0;i<8;i++){SetLine(i);SetColum(0);for(j=0;j<64;j++)WriteData(0);}}//screen0-全屏，1—左屏，2-右屏voidSetLine(ucharline){line=line&0x07;line=line|0xb8;SendCommand(line);}//line->0:7//10111xxxvoidSetColum(ucharcolum)//colum->0:63{colum=colum&0x3f;colum=colum|0x40;SendCommand(colum);-50-//01xxxxxx太原工业学院毕业论文}voidSetStartLine(ucharstartline)//startline->0:63{startline=startline&0x3f;startline=startline|0xc0;//11xxxxxxSendCommand(startline);}voidSetOnOff(ucharonoff)//1-开显示0-关{if(onoff==1)SendCommand(0x3f);elseSendCommand(0x3e);}//0011111xvoidResetLcd(){Reset=0;LcdDelay(2);Reset=1;LcdDelay(2);RS0=0;LcdDelay(2);RS1=0;LcdDelay(2);SetOnOff(1);}-51-太原工业学院毕业论文voidInitLcd(){ResetLcd();SetOnOff(0);ClearScreen(2);SetLine(0);SetColum(0);SetStartLine(0);SetOnOff(1);}voidShow1616(uchary,ucharx,uchar*address){uchari;SetLine(y);SetColum(x);for(i=0;i<16;i++)WriteData(*(address++));SetLine(y+1);SetColum(x);for(i=0;i<16;i++)WriteData(*(address++));}voidShow1608(uchary,ucharx,uchar*address){uchari;SetLine(y);SetColum(x);for(i=0;i<8;i++)-52-太原工业学院毕业论文WriteData(*(address++));SetLine(y+1);SetColum(x);for(i=0;i<8;i++)WriteData(*(address++));}voidLCD_ShowHz(uchary,x,n){ucharline,colum;uchar*address;if(x>7){y+=1;x%=8;}colum=x*16;line=y*=2;address=&Hz[32*n-32];//SetOnOff(0);if(x<4)SelectScreen(0);elseSelectScreen(1);Show1616(line,colum,address);colum+=16;if(colum>63)colum=0;address+=32;//SelectScreen(2);-53-//关显示//向DDRAM中写入数据太原工业学院毕业论文//SetOnOff(1);}//开显示voidLCD_ShowChar(uchary,x,charch){ucharline,colum;uchar*address;if(x>15){y+=1;x%=16;}colum=x*8;line=y*=2;if(ch>='0'&&ch<='9')address=&asc2[ch-'0'];elseif(ch==':')address=&asc2[11];elseif(ch=='')address=&asc2[12];elseif(ch=='.')address=&asc2[10];elseif(ch=='%')address=&asc2[13];//SetOnOff(0);if(x<8)SelectScreen(0);elseSelectScreen(1);Show1608(line,colum,address);-54-//关显示太原工业学院毕业论文colum+=8;if(colum>63)colum=0;address+=16;//SelectScreen(2);//SetOnOff(1);}/*******************************************************************************/voidLCD_ShowString(uchary,x,char*string){u8len,i;len=strlen(string);for(i=0;i