基于單片機的牛奶成份檢測儀光強檢測電路設計

1 引言

　　牛奶在人們的生活飲食中越來越普遍，實時快速準確的檢測牛奶成份對提高牛奶質(zhì)量和對實現(xiàn)乳業(yè)生產(chǎn)過程的自動化管理有重要意義。檢測牛奶成份的方法有多種，化學分析方法仍然是準確度最高的檢驗方法，但是他很難適應短時間測試的需要，物理儀器測試法主要有利用超聲波原理和光譜分析檢測，目前國外的技術相對比較成熟，但儀器昂貴，不可能在中國普及，特別不可能在中小企業(yè)和乳牛場使用。本文介紹的牛奶成份測儀采用激光散透比來檢測，精度比較準確、成本較低。

2 檢測原理

　　激光散透比檢測即用激光的入射平內(nèi)同時90°處的散射光光強Is和檢測0°處的透射光光強It的比值來表征測試牛乳蛋白質(zhì)含量的光學參量。但是由于牛乳中存在兩種散射大分子，所以很難準確地單獨測出蛋白質(zhì)和脂肪含量。通過化學研究，找出一種快速蛋白質(zhì)熔解液(乙二氨四乙酸稀溶液)能夠把蛋白質(zhì)溶解為小分子，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中的不溶的大分子測出脂肪，再測脂肪和蛋白質(zhì)兩相共存的牛乳稀溶液，通過建立理論關聯(lián)模型便可求出蛋白質(zhì)含量。在測量過程中光電流信號比較微弱，所以設計性能好的光強檢測電路是很重要的。此儀器電路設計最關鍵的部分就是光強采樣電路的設計，光強采樣電路的設計合理與否直接影響到牛奶成份檢測的準確度和精度。牛奶成份檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　從半導體激光器發(fā)出波長為635 nm的非偏振光，平行準直入射試樣盒，在透射光和散射光方向用光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光強檢測電路由放大電路和A／D轉(zhuǎn)化電路組成，放大電路將由光電二極管轉(zhuǎn)化的微弱電信號放大為適合A／D轉(zhuǎn)化的模擬電壓。A／D轉(zhuǎn)化電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機是儀器的控制器，用于處理按鍵，讀取采樣值、計算并顯示測量結(jié)果。

3 影響光電轉(zhuǎn)化輸出信號精度的原因

　　在此儀器的結(jié)構(gòu)圖可以看出，影響光電轉(zhuǎn)化輸出信號精度的因素有以下幾個方面：

　　(1)半導體激光器發(fā)出的光具有不一致性，在一定的波長范圍分布；半導體激光器對溫度敏感，環(huán)境溫度的變化和注入電流的熱效應都會使激光器的閾值電流以及輸出光功率發(fā)生變化。本儀器設計中采用分布反饋(Distributed Feed Back，DFB)半導體激光器，波長穩(wěn)定性好，溫度漂移約為0.08 nm／℃，頻率和強度噪聲低。

　　(2)光電二極管的性能參數(shù)直接影響輸出信號的穩(wěn)定性和精度。本儀器設計中采用日本濱松光子株式會社的S5226硅光二極管，該器件的性能參數(shù)如下：有效接收面積5.8×5.8 mm2；終端電容430 pF；分流電阻1 GΩ；暗電流100 pA；光譜響應范圍190～1 000 nm；峰值靈敏度波長740 nm；峰值靈敏度約0.36 A／W；在635 nm處靈敏度約0.32 A／W；從以上參數(shù)可以看出，在激光發(fā)出的光的一致好的情況下，誤差是非常小的。

4 光電轉(zhuǎn)化電路的設計

　　光電轉(zhuǎn)化電路將傳感器光電二極管輸出的微電信號放大，光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

　　硅光二極管處于反相偏置，使硅光二極管工作在其伏安特性的第三相限，光強與光電流呈線性關系，相對于零偏置這種形式的電路具有更低的噪聲和更好的線性度。由于硅光二極管輸出電流較小，因此為了減小運放的偏置電流對測量的影響，必須選取低偏置電流的運放；此外，溫漂、失調(diào)電流、失調(diào)電壓等參數(shù)也得考慮。綜合考慮，選用Maxim公司的ICL7650運放，該芯片是利用動態(tài)校零技術和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放，輸入偏置電流在25℃時為1.5 pA、輸入失調(diào)電壓為1μV、失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.01μV／℃，輸入電阻可以達到10×12 Ω，此外其共模抑制比達到130 dB。ICL7650應用時需接2個0.1 μF的調(diào)零電容，為了穩(wěn)定運算放大器輸出信號的直流分量，需將鉗位端(CLAMP)連接運算放大器的輸入端和輸出端，這樣芯片會在輸出達到飽和之前，在鉗位端和輸出端之間建立一個電流通道，從而防止電荷在校零和寄存電容上繼續(xù)積累，減少電容的充放電恢復時間，使輸出電壓得到穩(wěn)定。由于是斬波穩(wěn)零器件該芯片內(nèi)部晶振產(chǎn)生200 Hz內(nèi)部節(jié)拍頻率，為減小輸出信號的噪聲，輸出端可接1個0.1μF的電容C4去除高頻信號。為防止產(chǎn)生自激振蕩在輸入與輸出之間接1個0.1 μF的補償電容C1，對于增益電阻可采用高精度的可調(diào)電阻，輸出信號幅度與R1成正比。R1取值大一些可以增加信噪比。但R1取值要受輸出電壓幅度的限制，通常的高分辨力的A／D轉(zhuǎn)換器基準電壓為3.3 V，其模擬量輸入范圍為0～3.3 V，為了與A／D轉(zhuǎn)換電路相切配，光電轉(zhuǎn)換電路的Uo輸出最好不應超過3.3 V。

5 A／D轉(zhuǎn)化電路的設計

　　A／D轉(zhuǎn)化電路采用高精度的∑型A／D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器件采樣頻率高。其芯片內(nèi)部主要由數(shù)字電路組成，模擬部分的電路較少，易于實現(xiàn)高精度，并且成本較低，廣泛應用于儀器儀表，工業(yè)數(shù)據(jù)采集等場合。在本系統(tǒng)中，采用TI公司的ADS1100，ADS1100是精密的連續(xù)自校準模／數(shù)A／D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。轉(zhuǎn)換按比例進行以電源作為基準電壓。ADS1100使用可兼容的I2C串行接口，在2.7～5.5 V的單電源下工作。ADS1100可每秒采ADS1100可每秒采樣8，16，32或128次以進行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器PGA提供高達8倍的增益，允許對更小的信號進行測量，并且具有高分辨率。在單周期轉(zhuǎn)換方式中ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動掉電，在空閑期間極大地減少電流消耗。此外，可以將光強采樣電路裝入金屬屏蔽盒中，并就近安置在光電傳感器的輸出位置，通過兩線串行輸出接口與單片機電路相連接，這樣的設計將模擬與數(shù)字電路分開，盡量減小外界干擾帶來測量的誤差，提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。A／D轉(zhuǎn)換電路與單片機接口如圖3所示。

　　對ADS1100采取PCB布線技術相對容易一些，而且16位性能也不難達到。任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實際上只相當于其基準，對于ADS1100其基準就是電源，因而電源必須足夠干凈，以達到期望的性能如果采用電源濾波電容器，則應將該電容器置于靠近VDD引腳處，在電容器和VDD引腳之間沒有通路，引至該引腳的路徑盡可能寬。輸出數(shù)字量可以直接與MSP430系列單片機接口聯(lián)接，ADS1100外接元件很少，這樣簡化了系統(tǒng)設計，并可提高電路的可靠性。

6 結(jié)語

　　通過對激光散透比法檢測牛奶成份方法的分析，對影響光強采樣電路的精度和準確性的各種因素的分析，本采樣電路的設計方案可以滿足模擬信號精度的要求。此外，本測量方案使用斬波穩(wěn)零式高精度運放轉(zhuǎn)換器件ICL7650，提高了檢測的精度；使用高精度∑型A／D轉(zhuǎn)換器ADS1100，簡化了電路，提高了可靠性。