基于PSD的浓度检测系统设计与分析 毕业工作总结
毕业设计工作总结表6
工作任务完成情况（包括任务书中规定的工作内容、研究目标等，如未能完成须说明原因）：在李XX教授的精心指导下，经过一个学期的时间，我上网搜集资料、查阅了大量的相关书籍、请教老师和同学，确定了研究内容并按照任务书要求完成了相关的工作。本文针对目前实时液体浓度检测技术大都需要费时和繁琐的人工取采样，滞后性大，无法实现实时在线检测液体浓度，鉴于以上问题，本文设计了一种基于PSD的浓度检测系统。主要工作如下：分析了基于PSD的浓度检测系统的工作原理，并对PSD的工作特性进行了分析研究；研制了基于PSD的浓度检测系统的硬件结构，并详细介绍了PSD的工作原理，采用了一种PSD专用信号处理芯片且实用的PSD信号处理电路设计，用来对PSD的输出信号进行处理；开发了基于PSD液体浓度检测的软件系统，编写了ADC采集转换与LED显示部分的软件，完成了系统调试、数据采集、数据处理和数据显示的工作；对液体浓度检测系统的误差进行了讨论与分析。由于本人的水平有限、阅历尚浅，设计中很多地方都不尽完美，但总的来说，在老师的帮助下基本完成了各项任务并撰写了毕业设计论文。在这里衷心的对李田泽老师表示感谢！主要创新点：本论文的创新点是在之前工作的基础上，对以往光学系统的不足之处的改进、选择了PSD传感器，建立相应的单片机软硬件系统。本文所采用的检测方案为降低设计难度，选用PSD专用芯片对PSD信号进行处理，提高了精度，降低了误差，减轻了信号处理的负担。选用外设丰富的8051单片机为处理器，其内部集成有多通道12位A/D转换模块，可直接通过单片机控制进行ADC转换，少了许多接口电路，降低了系统的复杂性，并且提高了系统可靠性。
工作状况（包括工作态度、刻苦精神、协作精神、个人精力投入、出勤等情况）：拿到任务书后两周内，首先通过网上、实验室、图书馆等查阅各种资料，包括设计所需要的材料、外文文献和翻译资料，与指导老师交流，确定设计方案，再将这些资料整理并加以融合，在此基础上根据设计任务书的具体指标稍作修改，基本上满足本次设计的要求。在设计过程中，我深知自己所学知识有限，积极与其他同学及老师请教遇到的问题，正是由于老师的精心解答，同学的热心帮助，我才如期完成毕业设计。对每次老师集中指导我都非常重视，按时出勤，认真听取老师的指导，及时和老师交流设计心得，报告设计进度。收获、体会及建议：经过一个学期紧张而充实的毕业设计工作，我受益匪浅。通过本次设计，我巩固了所学专业知识，拓展了自己的知识结构，学到了许多新的知识和技术。通过李田泽老师的不辞辛劳的悉心指导，我不仅将自己所学的知识在实践中得以运用，加强了对知识的理解、运用能力，而且接触了很多新观念、新方法，拓宽了知识面，为将来的工作打下良好的基础。本次毕业设计，培养了我严谨认真的态度和独立解决分析问题的能力，自我约束能力也进一步增强。在漫长的设计过程中我克服了浮躁心理，踏踏实实用心做好每一步设计。同时，我还认识到了和他人的协作对于一个人的成功是多么的重要，在与同学的交流协作中，我也学到了很多为人处事的方法，使得自己的交际能力有了很大的提高。本文是在导师李田泽教授的悉心指导下完成的。他渊博的知识，严谨的治学态度，鞭策我不断努力探索；他敏锐的洞察力和孜孜不倦的教诲使我受益终身，无论是现在还是将来，都将激励我奋发向上。学生签字：201*年6月20日
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SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ毕业论文
基于PSD浓度检测系统设计与分析
学院：
专业：学生姓名：学号：指导教师：
201*年6月
摘要
摘要
目前，实时液体浓度检测技术相对来说还比较落后，因此研究新型的液体浓度检测系统具有十分重要的意义。工业生产中检测液体浓度的方法有比重法、化学分析法、超声波法及光学法等。但这些方法既费时又需繁琐的人工取采样，滞后性大，无法实现实时在线检测液体浓度，鉴于以上问题，本文设计了一种基于PSD的浓度检测系统。
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，进而得到液体的折射率，从而计算出液体浓度，再由LED显示出来。本系统主要由半导体激光器、双隔离窗光学系统、PSD信号处理电路、基于8051单片机的A/D采集运算控制电路和显示电路等组成。双隔离窗光学系统采用两个隔离窗使光线在待测液体中两次折射，测量结果更精确；PSD信号调理电路主要由前置放大、加法器、减法器和除法器等部分构成，将对信号进行I/V变换和放大处理；基于8051单片机的A/D采集运算控制电路主要对PSD调理后的模拟量信号转变为数字量，并将信号输入至单片机进行分析处理，从而得到浓度值，最后由显示系统显示出来。
通过实验发现，光源强度和温度漂移对本系统的影响非常小，该系统具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、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。本浓度检测系统可广泛应用在化工、制糖、食品、制药等诸多行业，是一种具有广阔发展前景的浓度检测系统。
关键词：位置敏感器件（PSD），半导体激光器，液体浓度，8051单片机
-I-ABSTRACT
ABSTRACT
Atpresent,real-timeon-lineliquidconcentrationdetectiontechnologyisstillrelativelybackward.Researchofanewtypeofliquidconcentrationdetectionsystemisofgreatsignificance.Theproportionofliquidconcentrationdetectedintheindustrialproductionmethod,chemicalanalysis,opticalmethod.However,thesemethodsaretime-consumingandtediousmanualtotakesamplinglag,cannotachievereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration,inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsanewtypeofconcentrationdetectionsystembasedonpositionsensitivedetector.Inthechemicalandpharmaceutical,lightindustryandbeverageandenvironmentalprotectiondepartmentsandthevariousfieldsofscientificresearchandnationaldefensearetodetectandcontroltheparametersoftheliquidconcentration.Atpresent,theproportionofliquidconcentrationdetectedintheindustrialproductionmethod,chemicalanalysis,ultrasonicandopticalmethod.However,thesemethodsaretime-consumingandtediousmanualtotakesamplinglag,cannotachievereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration,inviewoftheaboveproblems,thedesignsanewtypeofconcentrationdetectionsystembasedonpositionsensitivedetector.
Concentrationchangecancausethechangeofliquidrefractiveindex,thefixedincidentlight,therefractiveindexchangewillcauseashiftoftheemergentlight,usingphotoelectricpositionsensitivedevicedetectthesizeofthedeviationofthelight,therefractiveindexliquidisobtained,tocalculatetheliquidconcentration,displayedbyLED.Thissystemismainlycomposedofsemiconductorlaserwindow,doubleisolationopticalsystem,PSDsignalprocessingcircuit,basedon51singlechipmicrocomputerA/Dacquisitionoperationcontrolcircuitanddisplaycircuit,etc.Doubleisolationopticalsystemconsistsoftwoseparatewindowbendslightaftertwo,makemoreaccuratemeasurementresults;PSDsignaldisposalcircuitismainlycomposedofpreamplifier,summator,subtracteranddividerandotherparts,willbethesignalI/Vtransformandprocessingtoenlarge;Basedon51singlechip
IIABSTRACT
microcomputerA/DsamplingoperationcontrolcircuitmainlyofPSDafteranalogsignalsintodigitalquantity,andwillbetreatedassignalinputtotheMCUisanalyzed,thedensityisobtained,finallydisplayedbythedisplaysystem.
Experimentsfoundthatlightintensityandtemperaturedriftofthissystemisaverysmalleffect,thesystemhassimplestructure,goodstability,highsensitivity,fastresponsetimeandhighdegreeofautomation,etc.Theliquidcanberealizedconvenientlyandprecisely,andreal-timeon-linedetectionofconcentration.Theconcentrationdetectionsystemcanbewidelyusedinchemicalindustry,sugar,food,pharmaceuticalandotherindustries,isakindofconcentrationdetectingsystemhasthebroadprospectsfordevelopment.
Keywords:PSD,semiconductorlaserdiode，liquidconcentration,MCU8051
III目录
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录IV第一章绪论1
1.1课题设计的目的意义11.2国内外研究现状1
1.2.1位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况11.2.2液体浓度测量的国内外研究现状21.3课题设计的主要内容3
第二章总体方案4
2.1系统总体方案设计42.2系统性能指标5
第三章光学系统的设计6
3.1光源的选择63.2光学系统设计7
第四章基于8051单片机的PSD信号处理电路的设计10
4.1半导体位置敏感器件PSD104.1.1PSD的工作原理104.1.2PSD的主要性能参数124.1.3影响PSD性能的因素134.1.4PSD的选取144.2PSD信号调理电路的设计154.2.1前置滤波器、主放大电路、模拟除法器154.2.2背景干扰及暗电流消除194.2.3陷波电路224.38051单片机硬件系统234.3.1单片机系统概述234.3.2电源电路设计244.3.3AD574芯片及其接口254.3.4MCS-8051单片机274.3.5AD574A与单片机的接口电路28
-IV-目录
4.3.6基于MAX232的通讯模块28
第五章LED显示电路设计30
5.1LED的结构305.2显示器接口31
第六章系统的软件设计32
6.1系统软件设计流程326.2A/D转换子程序设计336.3LED显示子程序设计336.4十进制编码与BCD编码的相互变换34
第七章浓度检测系统35
第八章系统误差分析36
8.1光强波动的影响368.2位置敏感器件对系统的影响368.3温度对系统测量的影响37
结论39参考文献40致谢42
-V-第一章绪论
第一章绪论
液体浓度测量在工业中占有非常重要的地位。对溶液浓度的测量与控制在
化工、制糖、乳制品等行业中有着广泛的作用,它是提高产品质量的重要技术手段。
1.1课题设计的目的意义
浓度是一项重要的衡量工业产品质量的指标，为了提高产品质量，生产企业除了在实验室对产品浓度进行检测外，还要在生产线上对产品浓度进行监督和控制，实验室检验只是抽样检验，实时性差，难以控制产品质量，仅仅依靠这种方法难以满足生产需求。而实时在线检测可使工作人员在生产过程中及时掌握浓度变化并采取措施，从而实现实时控制，使产品的浓度控制在生产所需的范围内。
本检测系统应用高精度的PSD作为信号接收器，有效解决了光线偏离而产生的误差，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，大大节约成本，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，这更具现实意义。
1.2国内外研究现状
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中分一维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。
1930年，肖特基将铜-一氧化碳金属半导体结的一氧化碳表面边缘的金电极通过电流表短接于铜层，发现当用一束光照射一氧化碳表面时，外电流随光入射位置与电极之间的距离的增加指数下降，这便是横向光电效应的第一次发现。1957年瓦尔马克在InGe结上重新发现了横向光电效应，并用载流子复合理论对此现象做了解释，提出可用来检测光点位置。1960年Lucovskey推导出了描述横向光电效应的Lucovskey方程，奠定了PSD的理论基础。PSD在20世纪
--第一章绪论
60年代迅速发展并逐渐成熟；70年代发展了表面分割型与两面分割型器件；80年代的改进型分割型器件，改善了器件的性能及参数；90年代改进表面分割型器件进一步发展，使结构更加完善，性能及参数进一步提高。
而在国内，PSD的发展比较晚，有关PSD的报告出现在20世纪70年代，当时也是一些关于PSD原理及性能方面的报道，且大部分是些译文，PSD本身及其应用方面的研究缓慢，只是近几年来才引起重视。在研究方面，目前中国电子科技集团44研究所研制的a-Si:H一维PSD和单晶硅双面结构二维PSD；浙大和中科院成都光电所合作研制二维PSD阵列来代替CCD和四象限位置探测器。
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许多种，有化学分析法、比重法、光学法等。这些方法的工作原理及装置结构各不同，适应场合也不同，并且各有其优缺点。
化学分析法，虽可以做到较高的检测精度，但它需要消耗许多昂贵的化学试剂，又需要较长的分析周期，因此成本高。
比重法，虽然方便，但在工业浓度检测中，常需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，无法适应工业检测的需求。
以上传统液体浓度检测的方法各有其不足，同时它们都需要人工取样，不能实时在线检测，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都很有限，不能适应现代工业生产的实际需求。
国外已报道的有：伯格曼制作了一个光纤探头来检测各种液体的浓度；纳拉亚南使用一个基于激光的棱镜糖度计来检测液体浓度。其他提出来的技术包括平面荧光法、干涉测量法、热标记法等等。国内已报道的有：浮力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法等。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。
--第一章绪论
1.3课题设计的主要内容
1．系统总体设计方案及框图2．PSD特性分析3．光学系统的设计4．信号处理电路的设计5．A/D转换电路的设计
本文的研究重点在光学系统的设计、PSD信号处理及单片机控制系统的研究，相比以往的浓度检测系统，设计了新型的光学系统、选用位置敏感探测器PSD并建立相应的单片机软硬件系统。
本系统采用双隔离窗透射法，利用光在液体浓度变化时引起折射率变化的原理，对浓度测量，通过引入高精度的位置敏感器件PSD作为接受传感器，同时采用外围设备丰富的8051系列单片机作为核心处理芯片，从而简化了检测系统的整体结构，使得安装调试更为简便，同时减少了许多误差来源，保证了测量值的较高精度。
6．LED显示电路设计7．浓度检测系统图设计8．系统程序设计9．系统误差分析
--第二章总体方案
第二章总体方案
浓度的变化会引起液体对光的折射率的变化，而由激光器发出的固定倾斜入射的光线，折射率的变化导致出射光线发生偏移，利用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8051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LED显示液体的浓度。
2.1系统总体方案设计
本浓度检测系统主要分以下几个部分：半导体激光器、光学系统、PSD信号调理电路、8051单片机系统、A/D转换电路、显示电路等等。液体浓度检测系统的系统框图如下图：
电激光器光学系统源PSD传感器PSD信号调理电路LED显示系统键盘输入驱动电路8051单片机A/D转换电路图2-1浓度检测系统框图
系统工作原理为：由半导体激光器发射出激光，经过光学系统照射到PSD感光面上，PSD信号经处理电路，由A/D转换电路将模拟量变转为数字量，通过某些接口送入单片机，以其为核心对浓度检测系统进行控制，再由显示系统（LED）显示液体浓度。
第二章总体方案
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、系统测量精度、系统测量范围和体积与质量等。
（1）系统分辨力
系统理论来说可分辨1／100000的折射率变化，但实际测量时，会受放大器、单片机、A/D转换电路影响，因此，综合来说系统的分辨力可达3／100000。
（2）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与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：
2SdRR2
（3）系统测量范围
系统中采用了滨松公司的S3932型，考虑到边缘误差，有效敏感区实际约
11.6mm，其可测量折射率1.22986~1.50137。最大相当于20度氯化钠溶液的90%的浓度精度。若PSD长度增加，则测量范围加大。
（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突出指标，但是往往同其他指标互相矛盾。
第三章光学系统的设计
第三章光学系统的设计
3.1光源的选择
光源有钠光灯、发光二极管、氦氖激光器、半导体激光器可以选择。而选择的要求是单色性好、方向性好、稳定性高、结构简单、体积小且耐用、使用方便且便宜等。
（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，通常取589.3nm作为钠光灯光线的参考波长。因此钠灯是比较重要的单色光源之一。钠灯的光源质量好，所以用钠灯作为光源后测出来的数据并不需要去修正，但其设备体积大，且需要限制电流，启动电压也比较高。
（2）发光二极管LED
LED作为光源的，是使用一种黄色超高亮度的LED，它是直接注入电流的一种发射设备，是晶体内部的受激电子从高能级到低能级时，发射光子的结果。发光二级管具有体积小、坚固、耐用、使用电压低、寿命长等优点。但发光二级管的单色性差，强度较弱，方向性也不好。
（3）氦氖激光器
氦氖激光器是一个气体放电管，管内充有氦气、氖气，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，从而发射出激光。激光单色性好、方向性比较好、激光束产生的光斑质量好。但氦氖激光器的激光管体积相对太大，且需很高的电源电压。
（4）半导体激光器
半导体激光器具有单色性好，方向性好，体积小，工作电源电压约为2.5V，使用方便等优点。本系统使用HTL67T05型输出基横模量子阱半导体激光器。
半导体激光器的芯片结构几乎与侧面发光的LED芯片相同，但需要制造与PN结相互垂直的两个光学平面作为光学谐振腔，当PN结通电且电流大于阀值时，引起高强度的电致发光，最后在谐振腔内产生了激光。
第三章光学系统的设计
激光产生是因为当光通过半导体时，所引发受激发射后放大的结果。
3.2光学系统设计
（1）浓度检测的基本光学原理
浓度检测的基本原理如图3-1所示，被测液体浓度的改变，导致折射率发生变化，从而引起入射光折射角的变化，通过检测折射角的变化，经分析计算可求待测液体浓度。
蒸馏水d入射光线n待测液体图3-1液体浓度检测的基本原理图
水槽分为两部分，一部分装蒸馏水，另一部分装待测液体，中间用一块倾斜的光学透射窗隔离开，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之间存在下列关系
nnn0cot2/2nkd(3-1)
其中，Ω为光线出射角，θ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
本文提出了采用双隔离窗的光透射液体浓度检测的实验设备。如图3-2所示。
光学系统由两个内盛蒸馏水的水槽和一个盛有待测液体的测量水槽组成，三个水槽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，再次进入待测液体，同样
第三章光学系统的设计
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光学系统图
，再次进入装有蒸馏水的水槽1，最后通过窄带滤光片投射会产生一个入射角在位置敏感器件的光敏面上，当待测液体的浓度改变时，光线透射后到
位置敏感器件光敏面上的光斑位置也发生变化，而PSD此时就会线性的输出这
一变化，从而实现浓度的检测。滤波片的作用是滤除大部分环境杂散光对检测的影响。
光线的几何轨迹如图3-3所示。在图3-3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。
nxnxα－βd2dα－βs1d1d1s1d2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：
d=d1+d2(3-2)
第三章光学系统的设计
d1s1d1tan(3-3)d2s1d2tan(3-4)
和n0sinngsin(3-5)nxsinngsin(3-6)
式中，s1为两隔离窗的间距。从式中看出，当入射角、参考液体和两隔离窗之间的距离选定后，α、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
dd1d2s1tanstan11tan1tann0s1tanarcsinsinnx2fnx（3-7）
n01tanarcsinnsinx第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
第四章基于8051单片机的PSD信号处理电路的设计
4.1半导体位置敏感器件PSD
PSD是为了实时精确测量位置、距离和位移等发展起来的一种半导体光电敏感器件，而它是基于半导体的横向光电效应这一理论测量入射光点位置。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。
4.1.1PSD的工作原理
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、漂移后达到平衡稳定时，就形成一个由N指向P区的结电场。当光照射到P-N结时，半导体会吸收光子，而后激发出电子-空穴对。在结电场作用下，空穴将会进入P区，而电子进入N区，因此会产生结光电势，我们一般称之为内光电效应。但若是入射光仅集中照射在P-N结光敏面上某一点M，之后产生的电子、空穴会集中在该点M上。由于P区掺杂浓度远大于N区，这样导致P区的电导率也会远大于N区，因此，P区的空穴将会由M点迅速扩散到整个P区，可以将整个P区看成等电位。而N区的电导率较低，进入N区的电子也将仍然集中在M点，从而会使P-N结横向形成不平衡电势，这会将空穴拉回N区，从而在P-N结横向形成一个横向电场，称之为横向光电校应。
实用一维PSD为PIN三层结构，如图4-1（a）。P层为感光面，它两边各有一信号输出电极。底层的公共电极用于加反偏电压。假设入射光照射到PSD光敏面上一点时，产生的总光生电流为I0，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电I1和I2，而I0=I1+I2。若是PSD表面层的电阻是均匀的，那么PSD的等效电路为图4-1〔b〕所示。由于Rsh很大、C1很小，因此简化等效电路如图4-1(c)，其中入射光点的位置决定R1、R2的值。假如负载RL相对于R1和R2的大小来说可以忽略，则有：
I1R2Lx=(4-1)I2R1Lx第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
在上式中，L为PSD中心与信号电极的距离，x为入射光点与PSD中心的距离。由此可得两个电极的输出光电流之比为，入射光点到该电极间距比的倒数。因此将I0=I1+I2与式（4-1）联立得：
(a)
(b)(c)
图4-1PSD的结构及等效电路
(a)截面电路(b)等效电路(c)简化的等效电路
I1I0I2I0Lx（4-2）2LLx（4-3）
2L第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
可以看出，当入射光点不变动位置时，PSD的单独一个电极输出的光电流与入射光强成正比。而当入射光强度固定时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。假如两个信号电极的电流如式（4-4）处理：PXI2I1x（4-4）
I2I1L则得到的结果只与光点的坐标x有关，与入射光无关，此时PSD则是仅对入射光点位置敏感的器件。PX则称为一维PSD的位置输出信号。
4.1.2PSD的主要性能参数
从使用的角度来看，PSD的谱响应特性、置线性度、灵敏面尺寸、暗电流、暗电流温度系数、响应速度等等是我们选择PSD器件一定要考虑的指标。
（1）光谱响应特性
PSD器件的光谱响应特性，表示PSD的响应灵敏度和光波的波长间的关系。PSD器件的光谱响应一般为3001100nm之间，而其峰值响应波长大约在900nm左右。
（2）位置线性度
位置线性度指的是光点顺着直线运动时PSD的位置输出偏离该直线的程
度。因为P区结面上电阻率并不是不变的，这时影响PSD非线性的主要因素。因而在使用时须人为的将PSD敏感面划为a、b区，a区是指中央区域，b区指的是边缘区域，b区的位置准确度低于a区。我们应尽量让光点击打a区域，从而提高位置检测精度。
图4-2区域a及区域b的定义1区域a2区域b3感光面
-12-
12第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
（3）响应速度
响应速度是反映PSD瞬态特性的重要指标，PSD的工作时所处状态及制造工艺都与他有关。
（4）暗电流及暗电流温度系数
暗电流及暗电流温度系数指的是在无光照情况下PSD的响应特性。
4.1.3影响PSD性能的因素
（1）入射光对PSD性能的影响
理论上讲，入射光点的强度和尺寸大小都和位置输出没有关系。但当入射光强增大时，信号电极的输出光电流也会随之增大，进而器件的位置分辨率会有所提高。然而入射光点强度太大，会引起器件饱和，应当控制入射光点强度。另外选择光源时，应挑选与PSD光谱响应良好匹配的光源，以方便充分全面的利用光能。
（2）入射光点的中心位置
PSD的位置输出只与入射光点的中心位置有关，而与光点尺寸无关。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。因此，即使入射光点全部落在器件的有效感光面内时，但为了降低边缘效应，入射光的直径小一点会更好。
（3）反偏电压对PSD性能的影响
当加上反偏电压后，PSD的感光灵敏度将会略有提高，而且PSD的结电容会有所减小。因此PSD在使用时加上10V左右的反偏电压后，会使PSD的暗电流也有所增加。
（4）环境温度对PSD的影响
温度的变大导致器件暗电流的增大，暗电流的存在导致误差和噪声的产生，而且不利于背景光的产生。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
4.1.4PSD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，本文选用滨松公司的S3932型PSD产品，其响应速度为3s，分辨率为0.3m，有效敏感区为1×12mm2，光谱响应特性曲线如图4-3，它主要性能参数如表4-1所示。
0400
600
800
1000
0.2
OE=50%(Typ，Ta=26℃)
0.8
OE=100%响应灵敏度（A/W）0.6
S3979S3931S39320.4
波长（nm）
图4-3S3932光谱响应范围特性曲线
表4-1S3932型PSD的主要性能参数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-14-
1×12mm2320~1100nm0.55A/W(=920nm)3.0s(VR=5V，RL=1K)80pF(VR=5V，f=10kHZ)0.2~20nA(VR=5V)30~80K(Vb=0.1V)-10~60℃-20~80℃0.3m±60m第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
4.2PSD信号调理电路的设计
一维PSD信号检测调理电路，如图4-4所示。主要由前置滤波部分、主放大电路、减法器部分、除法器部分等组成，其中IC1、IC2、IC3、IC3为高精度运放电路，IC1和IC2是前置运放电路，IC3和IC4分别形成加法器、减法器，AD538是模拟除法器，入射光强决定Rf大小。在本电路中我们将位移和液体浓度变化值他两个之间的线形因数折算到PSD的长度中，选择相应电阻并将输出的位置信号转便成对应的浓度值。
4.2.1前置滤波器、主放大电路、模拟除法器
在实际应用的光电系统中，光电探测器上获得的一般都是微弱的电信号，不能被直接接受处理，应当经放大器进行放大处理。通过前置滤波器和光电探测器放在一起后组成的成探头，对信号给予放大。因为前置滤波器对增益和信噪比都有严格要求，所以我们选择低噪声的前置滤波器。
（1）前置滤波电路
PSD输出的信号为微弱的电流信号，为了对输出信号进一步的处理，需要设计电流型前置滤波电路进行I/V变换。前置滤波电路如下图4-5所示。PSD光电流流过RF反馈电阻，反馈电容CF控制增益峰值，其值大小由PSD结电容Cd决定。RF、CF由系统频响决定。
电路的输出电压：
RDCF图4-4一维PSD的基本检测电路
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
图4-5电流型前置运放电路
分析电路的频响函数，因为信号处于低频段，放大器的开环带宽可看成无
U0IINRF（4-5）
穷大，根据戴维南定理和密勒定理，电流型前置放大电路可等效为如图4-6所示。
-16-
RF-CFOUTRFUo+第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
-+OUZCZfZiVi图4-6等效电路图
ZDRdVINIINZDZF1ZF1Ao式中ZRFF1sR，A0为放大器开环增益；
FCF1则(//Zi//ZFU1A)VINo0sCdA0Z1ZFDsC//Zi//d1Ao经过整理可得电路的闭环增益：
ZFAfZD11A(1ZFZZFsZFCd)oiZD当ZiZD时，电路的闭环增益可简化为：
-17-
UZf（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）（4-10）
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
ZFZDAf（4-11）
1ZF1(1sZFCd)A0ZD当ZF为一纯电阻时，可看出是二阶系统，电路的阶跃响应将会振荡，与此同时系统也很可能自激振荡，这样就需对系统进行相位补偿，电路中电容CF的
作用就是相位补偿。当前置滤波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时前置滤波器稳定，CF须满足此条件：
CFCPSD（4-12）RF11是前置滤波器的开环单位增益带宽。
此处选用OP07运放，其开环单位增益带宽1=0.6MHz，差模输入阻抗
Zi50m，又Rd50k，Cd1200pF，ZiRd。RF的阻值要远小于PSD
的内阻Rd，此处取RF1k，将上述参数带入上式，解得CF44.7pF。
（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不允许太大，主放大器的主要功能是将信号放大到我们所需的幅度。电路如下图4-7。
图4-7主放大电路图
图中Vin为前置放大器的输入电压，前置放大器输出电阻R0数值很小直接
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
忽略。电路输出为：V0=－(R2／R1)Vin
使R3=R1//R2可消除偏置电流产生的误差，而失调电压、失调电流可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采模块进行A/D转换，因此必须考虑放大器的输出与数采模块的模拟输入电压范围的匹配。而通过调节放大倍数可实现电压的匹配，例如：当主放大器的输入极值电压为0.01mV，数采模块的单极性输入电压0~±3V，则A0的取值为300左右。
（3）模拟除法器AD538
AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件,能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。AD538结构独特、工艺精良。低输入/输出偏移电压和优异的线性性能的结合,使其可在一个非常宽的输入动态范围内进行精确的运算。激光调整技术可使乘/除运算误差控制在输入幅值的0.25%的范围之内。通常输出偏移小于或等于100μV。由于器件具有400kHz带宽,进一步加强了实时模拟信号的处理能力。因此,AD538具有其它同类产品所不具备的特殊优点,PSD器件的坐标处理电路是由AD538模拟除法器构成的。
4.2.2背景干扰及暗电流消除
消除背景干扰和暗电流可以考虑从光路、电路两个方面来处理。
光路方面：采用光学滤波的方法----在PSD感光面上加个信号光源与透过波长互相匹配的干涉滤光片，过滤掉大部分的背景光。
电路方面：在几个时钟周期内，它可以看成是直流电平，因此可提前检出当信号光源熄灭时，背景干扰和暗电流的大小，之后点亮信号光源，此时再将检测到的输出信号减去背景干扰部分。此外，也可以先光源脉冲调制，然后对输出的信号采取锁相放大措施，从而通过同步检波过滤背景干扰及暗电流成分。
（1）消除背景干扰及暗电流的电路
此处我们同时使用光学法和电学法中的第一种措施来对背景干扰和暗电流进行消除。如下图4-8为其电路原理图：
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
图4-8背景干扰、暗电流电路的消除电路
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；
R1R2R3R4R（4-13）
V0(VinVd)（4-14）
由4-14式可以看出，电路实现了消除背景干扰和暗电流的功能，电路不能放大，只是对信号进行了反向处理。（2）干扰电平的采样与保持
我们采用LF198采样保持器，它的直流精度非常高、捕获时间较低而且衰减率较小。在输出时，采用P沟道JFET构成输出放大器使衰减率较低，当外接的保持电容为1μF时，它仅有5mV/Min的衰减率。同时双极性输入阶使失调电压和宽带宽度比较低，LF198的失调得以通过片外的某个引脚来进行调节。LF198的模拟输入电压范围能达到它电源电压的范围。LF198型采样保持器如图4-9所示。
采样保持器将由外触发电路提供采样保持信号，在点亮光源前，通过人工手动启动采样干扰电平。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
图4-9采样保持器
（3）保持电容Ch的确定
保持电容的选择主要从介质材料和电容值两个方面来考虑。在精密的采样保持电路中，误差主要来源于保持电容的介质吸收，我们了解到，聚丙烯、聚四氟乙烯这两种电容介质迟滞线是非常低的，因此我们选聚保持电容为四氟乙烯电容。
在选择电容值时，应该从精度、衰减率和捕获时间等参数方面考虑。随着电容的增大，衰减率不断降低，为了获得更小的衰减率，应选择大电容，取Ch=0.1F。此时的衰减率为3.0104V/s，捕获误差在0.01%范围内，捕获时间为300s。当保持电容为0.1F，结温度为25°C时，衰减率3.0104V/s，而后坐过程将会持续18ms，保持期间的电压衰减在理想情况下为
VD3181040.0054mV，当采用10位A/D转换器，0~2V电压输入，分辨
力0.002V，不会产生较大误差。因此我选择值为0.1F材料为聚四氟乙烯的保持电容。
（4）采样保持电路的控制信号
该控制信号由外部触发电路生成，并且在点亮光源前由人工手动启动。设计电路如图4-10所示，电路有两个RC网络和一个schmidt（施密特）触发器。施密特触发器的作用是消除按键抖动，并且使脉冲展宽和整形生成规则的矩形脉冲。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
当闭合按键S1时，电容通过R1C网络充电，充电的时间常数
1R1C470s。在断开按键时，则通过R2C网络放电，放电的时间常数247ms。
+5VS1R11001+5V2+344.7uF567GNDAVCCBNIMKHCLDFGNDE14+5V1312111098R210K
图4-10外触发电路
4.2.3陷波电路
由于工作环境的恶劣，在电路中，发动这样的强干扰源将会产生工频干扰，其值约为50Hz。PSD输出的信号为微弱电流信号，在恶劣的环境中，工频干扰耦合在被放大后会将信号掩盖。由于存在工频干扰，信号变的很糟糕，必须用滤波器对工频干扰消除。我们选取有源双t陷波器，它能有效消除工频干扰的影响，电路如图4-11所示。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
图4-11有源双t陷波电路
双t网络中两支路中R，C的对称程度决定双t陷波器的频率特性。保持各个电阻和电容的对称关系，可以是对应频率f050HZ的信号互相抵消，陷波器的参数关系式为
f01(4-15)RCQ1(4-16)
4(1k)k值决定阻带宽度，k越大，Q越高，频率选择性越好。但是Q值太高，滤波器的性能就不稳定。这里取k=0.9，则Q=2.5。由f050HZ和运算放大器输入阻抗的限制选定电阻、电容。
4.38051单片机硬件系统
4.3.1单片机系统概述
本系统就采用了8051单片机，因为8051片内具有4KB的程序存储器，所以像本系统这种较小的程序便不再需要扩展外部的程序存储器。由图4-12可知，
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计本系统中单片机最小系统包括单片机本体、复位电路和时钟电路。+Vcc+VccR1010KR1110KP1.0123456781312U11P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8051RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728RESET+5S1KEY1S2KEY2E110UFR2200GNDGND+Vcc1514C1104R110KGND31Y119189171612MHZC2104GND图4-12单片机最小系统电路图复位电路：RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间会持续24个振荡脉冲周期以上。振荡电路：单片机本身是同步时序电路，但为实现同步工作方式，必须且只能有一个时钟信号。时钟信号的产生：在8051单片机带有高增益的反向放大器，它的输入端是引脚X1，输出端是引脚X2，通过这两个引脚接芯片外部的晶振、微调电容，组成反馈电路，形成一个稳定的自激振荡器。如上图4-17，为电路中的两个电容大都取230pf左右，而晶体振荡器的振荡频率范围是1.2MHz-12MHz。3
44.3.2电源电路设计
本系统主要需要12V、5V等电压共存，而12V、5V电压由线性电源提供，如图4-13所示。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
图4-13系统电源电路
4.3.3AD574芯片及其接口
智能仪器处理的电路大都是模拟量，而智能仪器的微处理器能接收处理的是数字量，因此被测量的模拟量须由A/D转换器转换成数字量。通常我们把A/D转换器及其接口称为模拟量输入通道。A/D转换器是将模拟量转变为数字量的器件，这个模拟量一般泛指电压、电阻、时间等等，但是大部分情况模拟量指的是电压。A/D转换器质量水平的技术指标有：分辨率、量化误差、转换精度、转换速度和满刻度范围等。
AD574A是单片高速12位逐次逼近型A/D转换器，其内置双极性电路，组成混合集成转换显片，AD574A外接元器件少，低功耗，高精度，并有自动校零及自动的极性转换等功能，只需外接少量的电容电阻，就能组成一个完整的A/D转换器。AD574A的主要性能指标如下：
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（1）分辨率：12位，非线性误差：小于1/2LBS或1LBS（2）转换速率：最大35s，适用于转换速率低于30Kb/S的领域（3）模拟电压输入范围：1~0V和1~20V，0~5V和0~10V共四种（4）芯片工作模式：分全速工作模式和单一工作模式两种（6）数据输出格式：12位/8位。其引脚如图4-14所示：
图4-14AD574引脚图
AD574共有6个控制引脚：
CS、CE片选信号和片启动信号。R/C：读出和转换控制信号。l2/8：数据输出格式选择信号引脚。当12/8＝l(+5v)时，双字节输出（12条数据线同时有效输出），当12/8＝0(0V)时，为单字节输出（只有高8位或低4位有效）。A0：字节选择控制线。在转换期间：若是A0＝0，AD574进行全12位转换，转换时间为25μs；若是Ao＝1时，则进行8位转换，转换时间为16μs。在读出期间：若是Ao=0时，高8位数据有效；若是Ao＝l时，低4位数据有效，中间4位为“0”，高4位为三态。
VL：接+5V。Vcc：接+12V/+15V。VEE：接-12V/-15V。REFIN、EFOUT：参考输入、输出。AC、DC模拟、数字公共端。BIPOFF：双极性位置。10VIN、
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
20VIN：10V/20V档输入。STS：输出状态信号引脚。
开始转换时，STS会达到高电平并在转换过程中一直保持高电平。转换完成后重新回到低电平。STS可以当成被CPU查询的状态信息，也可以用它的下降沿向CPU发中断申请，通知A/D转换已完成，CPU可以读取转换结果。
表4-2AD574控制信号真值表
CE0CSR／Cl2／8A0操作无操作无操作初始化为12位转换器初始化为8位转换器允许12位并行输出允许高8位输出允许低4位+4位尾010000011111
00111接+5V接地接地0101输出4.3.4MCS-8051单片机
MCS-8051为40条引脚双列直插封装。由于制造工艺的局限，许多引脚都是功能复用。其引脚图见图4-15。
ALE/PROG：允许地址锁存输出/编程脉冲输入。
EA/VPP：片内、片外程序存储器选择输出/编程电压输入。当EA为高电平时，
访问片内程序存储器；当EA为电平时，访问外部程序存储器I/O的负载驱动能力：P0口的每条口线能以吸收电流方式驱动8个TTL电路，P1、P2、P3口均只能驱动个TTL电路。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
图4-158051引脚图
4.3.5AD574A与单片机的接口电路
4的接口电路图见附录二，其内含有8051单片机与AD57A
三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号（CS、R/C、A0）
由8051单片机的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出段的Q7、Q0和Q1上，以此来控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051单片机，然后通过8位数据口，12位数据分两次读进两次读进8051单片机，所以R/C须接地。当8051单片机的P1.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进单片机内，然后再将
使能端CE低4位读进单片机。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，
都必须为1，因此将单片机的写控制线WR和读控制线RD通过74LS00与非门与
AD574A的使能端CE相连。
第四章基于8051单片机的PSD信号处理系统的设计
4.3.6基于MAX232的通讯模块
液体浓度检测系统采用了实时软件调试，所以需要与上位机通讯，采用
RS-232协议，而PC机串行口给出的信号是一个RS-232信号，它是一个基于3-7V正电压、3-7V负电压的脉冲链。这一信号必须转换成为一个0-5V的脉冲
链，处理器读取更为方便。中间转换电路采用多路RS-232驱动器/接收器芯片
MAX232来实现。其电路图如图4-16所示。
MAX232芯片内本身就IC芯片----MAX232芯片包括两路接收器和驱动器。
有个电源电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232输出电平所需的-10~+10V电压。所以芯片接口串行通信系统只需单一的+5V电源就行了。
图4-16MAX232外围电路图
C第五章LED显示电路的设计第五章LED显示电路设计5.1LED的结构LED是发光二极管作为显示字段的数码型显示器件，如图5-1（a），用其中的七只发光二极管(ag)构成“8”字形，另外还需采用另一个发光二极管（dp）作为小数点位。当显示器的某段发光二极管通电时，该段就会发光。人为控制某几段发光二极管通电，就能显示出数码或者字符。LED显示器结构分为共阴极和共阳极两种，如图5-1（b）和图5-1（c）。B在共阴极中，各段发光二极管阴极都连一起，并且将它们的公共点接地。若某段发光二极管阳极为高电平时，该段就会发光。在共阳极中，各段发光二极管阳极都连一起，并将它们的公共点接+5V电压。当某段发光二极管的阴极为低电平时，该段也会发光。.gfedcba.gfedcbaGNDVcc(a)(b)(c)图5-1LED显示器A为了显示某个数字或者字符，就要点亮相应的段，这就需要译码。BCD码转换为对应的段码将由软件来完成。表5-1显示出段码与数字、字母的关系表。表5-1段码与数字、字母的关系表SizeNumberTitle字符01共阴极段码3FH06H25BH共阳极段码C0HF9HA4H字符A3B共阴极段码77H7CH39H共阳极段码88H4BDate:File:526-Jun-201*毕业设计毕业设计终1283HC6HC第五章LED显示电路的设计
34567894FH66H6DH7DH07H7FH6FHB0H99F92H82HF8H80H90HDEFHPU灭5EH79H71H76H73H3EH00HA1H86H8EH09H8CHC1HFFH从表可以看出，共阳极显示器的段码和共阴极显示器的段码是互为反码的。单片机微处理器有很强的逻辑控制能力，而且采用软件译码并不复杂。智能仪器大多使用的是软件译码。
5.2显示器接口
按显示方式来分，七段LED显示分为静态显示、动态显示。在静态显示系统中，每位显示器都应有各自的锁存器、译码器与驱动器。用以锁存各自带显示数字的BCD码或反码。因此，静态显示系统在每一次显示输出后能够保持显示器不变，仅在待显数字需要改变时，才更新其数字显示器中锁存的内容。在采用动态显示的系统中，控制器会定时扫描各个显示器，显示器件轮流工作，每次只能使一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的器件都在同时显示。随着大规模集成电路的发展，目前已有能自动对显示器进行扫描的专用显示芯片，是电路即简单又少占用机时。当LED显示器位数较多时，为简化电路，将所有位的字段线对应并联，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点将由另一个I/O口控制。所以用两个8位I/O口能控制6位LED显示器。若是显示电路中，图见附录二，要求6位LED从右到左依次显示8051内存30H37H的内容(小于等于0FH)，用查表法得到字段码。8155的命令状态口、PA口、PB口和PC口的地址为7CFFH7FFFH。
第六章系统的软件设计
第六章系统的软件设计
6.1系统软件设计流程
开始初始化各模块显示N有键按下？Y功能键1功能键2AD转换调整PSD位N图6-1系统程序流程图AD转换数据处理显示数据处理显示结束D调零了？Y功能键1具有调零功能，当待测液体水槽内装有蒸馏水时，系统采集数据后，经A/D转换数据处理后，显示系统将会显示，假如没有显示调零，须调节PSD位置，直到调零为止；功能键2的作用是系统工作状态，把待测的液体放入水槽，按功能键2，系统则开始工作，采集的数据经A/D转换到8051单片机，经数据处理后，显示系统会显示待测液体浓度。
第六章系统的软件设计
6.2A/D转换子程序设计
A/D转换的目的是把经信号处理电路处理过的模拟量转换为单片机能接收处理的数字量。A/D转换子程序就是把这个模拟量转换为数字量并且将靠左边对齐的数据调为向右对齐。
返回启动A/D转换开始ACC.7=1?N关闭A/D转换Y图6-2A/D转换子程序流程图
6.3LED显示子程序设计
LED显示的应该是浓度的数值。由于该数值包含四位小数，所以要显示这个数值必须考虑到小数点在第二位。流程图如图5-3。
暂存送出位控信号延时取显示数据指向下一缓冲区查表取段码六位显示完毕？YN位控信号左移返回
入口指向缓冲区首地址是第二位吗？显示小数点N最高位LED控制位送显示数据图6-3LED显示子程序流程图
第六章系统的软件设计
6.4十进制编码与BCD编码的相互变换
由于经过变换后的数据仍是不能直接显示的十进制数据，故需要将十进制编码变变为BCD码；而BCD码是键盘输入的，它不能被微控制器直接处理，需要将BCD码转变为十进制编码。因此需要相互转变BCD编码和十进制编码。其转换流程如图6-4、6-5所示。
开始A=ResultLB=10A×BResultL=A,R1=BA=ResultH,B=10A×BA=A+R1ResultH=AResultL=ResultL+Key返回
图6-4BCD码转换成十进制码
开始m=输入值i=0a[i]=m%10m=m/10i=i+1Nm=0？YRL=a[1]第七章浓度检测系统
第七章浓度检测系统
本液体浓度检测系统主要分为半导体激光器、光学系统、信号调理电路、A/D转换电路、8051单片机及LED显示电路等几个部分。半导体激光器发出激光，通过光学系统、（装有蒸馏水及待测液体）照射在PSD的感光面上，经过信号调理电路将PSD输出的电流信号进行处理，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单片机微处理器，以8051单片机为核心对浓度检测系统进行监控，再由显示器显示待测液体浓度。
光学系统的设计：综合考虑水的吸收、散射导致光的衰减，所选择的系统光源是波长为670nm的半导体激光器，此外光学系统还有两个装有蒸馏水的参考水槽和装有待测液体的测量水槽，两两水槽间通过互相平行的两个光学透射窗隔离，此光学透射窗也会同时对水平入射的光线，在进入待测液体时产生一个入射角。在左边内装蒸馏水的水槽有一个双平面镜，光线经过双平面镜的反射后，再次进入待测液体，而射出水槽后通过滤光片投射在PSD的光敏面上，当待测液体浓度发生变化时，透射到PSD光敏面上的光斑位置也会发生变化，PSD就会线性的输出这一变化，从而实现浓度的检测。而且加入滤波片的目的是为了过滤掉大部分环境杂散光对浓度检测的影响。
PSD信号调理电路的设计：根据PSD的特征，若是要接收到光线的偏移量，须对PSD的输出电流进行一系列调理，主要包括信号放大电路、加法电路、减法电路、反相比例运算电路等等。只有经过这种调理才能得到光线的偏移量。
A/D转换电路的设计：因为智能仪器所能接受、处理的只能是数字量，而通过信号处理电路后获得的是模拟量，这就需要将模拟量转变成数字量，即A/D转换电路，转换后通过某些接口将信号送入微处理器8051单片机内。此设计选用的AD574芯片是一种12位快速逼近型A/D转换器，最快转换时间为25us，转换误差为1LSB。
LED显示电路的设计：LED显示器具备工作低电压、小体积、长寿命、响应快速、丰富的颜色种类等许多优点，是智能仪器中最常用的显示器。本设计选用的显示电路为六位动态扫描显示电路。
第八章实验结果及系统误差分析
第八章系统误差分析
8.1光强波动的影响
当光源光波动时，对系统的输出会有一定的影响。图8-1就是在0.01的液体浓度下PSD的输出随光强变化的曲线。在变化500uW的范围内，PSD输出的位移变化约13um。而实际运用中中，当半导体激光器的输出光功率打开1小时后，激光器的输出光功率变化在50uW内，因此，由这个光强度变化引起的误差约为0.005%。
1540
光线偏移量/um
153215241516
1508
1500
100011001201*30014001500
光强/uW
图8-1PSD输出随光强变化的曲线
8.2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
位置敏感器件是一种半导体光敏器件，本身的暗电流会对检测结果带来影
响，另外，尽管我们在位置敏感器件的光敏面上封装了暗盒和窄带滤光片，环境杂散光中还会有透过滤光片不能被滤除的小部分光。
-36---第八章实验结果及系统误差分析
（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，光点会上下的不断移动，在试验之间，需要将光线偏移量方向和半导体位置敏感器件的光敏面轴线方向尽量保持重合，但很难实现完全重合，而两者的偏差导致了误差的产生。如图所示，PSD光敏面的尺寸为40mm2，设光斑位置与位置敏感器件轴线最大偏移量为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
xdxddcos1cos1L/2dddL/22b2(8-1)
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%。
bPSD的中轴线感光面Ldx光线的移动方向图8-2光线偏移量方向与位置敏感器件轴线不平行示意图
8.3温度对系统测量的影响
由图8-3可以看出，随着温度的升高，系统的输出基本没有太大的变化，只是有些波动，分析表明这一波动主要是系统的不稳定性造成的。另外还有一个原因会导致图中液体浓度随着时间和温度增加而略微增大，就是被检测的液体没有被密封在水槽中，因此在一天的时间里，待测液体中的水会蒸发。如果不采用差动检测技术，温度每变化2.5C就会给结果带来3%左右的影响，因此加入参考蒸馏水槽，通过差动检测方法，能有效的抑制温度漂移带来的影响。
-37---第八章实验结果及系统误差分析
1540光线偏移量/um15321524
15161508150024.024.525.025.5526.026.5温度/℃
图8-3光线偏移量随温度的变化曲线
-38---结论
结论
本文所研究的是基于PSD的浓度检测系统，由光学系统、PSD信号调理电路、A/D转换电路、8051单片机采集控制系统及显示电路组成，较之以往检测方法更加简便有效。
本论文的主要工作归纳如下：
（1）分析了基于PSD的浓度检测系统的工作原理，并对PSD的工作特性进行了分析研究。而通过液体浓度变化引起光折射率变化的原理，设计出双隔离窗法光学系统。
（2）研制了基于PSD的浓度检测系统的硬件结构，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，并详细介绍了PSD的工作原理，采用了一种PSD专用信号处理芯片且实用的PSD信号处理电路设计，用来对PSD的输出信号进行处理。,
（3）开发了基于PSD液体浓度检测的软件系统，编写了ADC采集转换与LED显示部分的软件。完成了系统调试、数据采集、数据处理和数据显示的工作。
（4）对液体浓度检测系统的误差进行了讨论与分析。
本文的研究重点在光学系统的设计、PSD传感器的应用以及基于8051单片机的ADC转换控制部分的研究。这是在之前工作的基础上，对以往光学系统的不足之处的改进、选择了PSD传感器，建立相应的单片机软硬件系统。本文所采用的检测方案为降低设计难度，选用PSD专用芯片对PSD信号进行处理，提高了精度，降低了误差，减轻了信号处理的负担。选用外设丰富的8051单片机为处理器，其内部集成有多通道12位A/D转换模块，可直接通过单片机控制进行ADC转换，少了许多接口电路，降低了系统的复杂性，并且提高了系统可靠性。另外采用LED电路作为系统的显示器件。设计了LED接口电路。
参考文献
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Frequency
致谢
致谢
本次毕业论文是在李XX教授的悉心指导下完成的，从论文的选择、课题的研究方法及路线的确定，直到最后论文定稿，无不凝聚着导师的心血。李教授虽然身体状况不佳，但是仍在不断努力工作，定期开会指导我们，向我们传达一些经验教训等。李老师兢兢业业的工作精神和科学严谨的治学态度使我在设计和试验中受益匪浅，在此，谨向尊敬的李老师致以衷心的感谢和崇高的敬意，希望李老师身体健康，万事如意！
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。
最后，我向家人表示最崇高的敬意，感谢他们多年来的理解与支持及无私奉献！
附录
附录一
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BCD转十进制
程序如下：
unsignedlongBCDtoDec(constunsignedchar*bcd,intlength){
inti,tmp;
unsignedlongdec=0;
-44-
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