激光粒度儀關(guān)鍵電路設(shè)計方案解析

　0 引言
　　激光粒度儀是一種最先進(jìn)的、最具有廣泛發(fā)展前景的粒度測量儀器，它的測量原理基于米氏（Mie）散射理論。Mie散射理論是一個經(jīng)典的光散射理論，它最大的特點是可用于任何尺寸段顆粒的測量，但它的計算相當(dāng)復(fù)雜限制了數(shù)據(jù)處理速度及精度。
　　DSP技術(shù)實現(xiàn)MIE散射算法有很多優(yōu)點：它是專為算法計算而設(shè)計的專用CPU，所以它運算速度很快；與通用CPU相比它成本低，所以有很好的性價比；而且它的體積小，能實現(xiàn)儀器一體化等等優(yōu)點。ARM具有豐富的片上資源，適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，主要負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的運行、任務(wù)管理和協(xié)調(diào)以及DSP的控制任務(wù)，外部可擴(kuò)展多種外設(shè)，如通用串口、LCD顯示屏、以太網(wǎng)接口。
　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理
　　1．1 激光粒度儀工作原理
　　激光粒度儀的組成框圖如圖1所示
　　
　　激光粒度儀中的光電探測器采集顆粒在一定角度范圍內(nèi)的散射光來得到顆粒的粒徑分布信息。由于光電探測器處在傅里葉透鏡的焦平面上，因此探測器上的任一點都對應(yīng)某一確定的散射角。光電探測器陣列由一系列同心環(huán)帶組成，每一環(huán)帶是一個獨立的探測器，能將投射到上面的散射光能線性地轉(zhuǎn)換成電壓，然后送給采集卡。該卡將電信號放大，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后送入計算機(jī)，按事先編制的程序根據(jù)米氏散射理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把散射譜的空間分布反演為顆粒大小的分布。
　　1．2 電路系統(tǒng)的總體設(shè)計
　　激光粒度儀電路總體框圖如圖2所示。采集電路采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232串口傳輸給DSP，經(jīng)過DSP的運算后，再把DSP處理后得到的結(jié)果數(shù)據(jù)RS232經(jīng)過串口傳輸給ARM處理器，在ARM處理器的觸摸屏界面上顯示結(jié)果。
　　
　　2 電路系統(tǒng)具體設(shè)計方案
　　2．1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計
　　粒度儀的光電探測器是用光電池做成多元環(huán)形，多元環(huán)形光電探測器接收散射光的光能量，環(huán)形光電池把光能量轉(zhuǎn)換為光電流。然后經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換器，把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。再經(jīng)過放大電路放大，然后輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后把數(shù)字信號輸入到C805lF320單片機(jī)，單片機(jī)然后再傳給DSP進(jìn)行處理，如圖3所示。
　　
　　系統(tǒng)的硬件組成分為以下幾個部分：環(huán)形光電探測器、數(shù)據(jù)選擇部分、電流電壓轉(zhuǎn)換部分、運算放大部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和中央單片機(jī)控制部分。
　?、倌M多路選擇器選用ADG506，它精度高，為1mV，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，價格便宜；
　　②電流電壓轉(zhuǎn)換電路有起濾波作用的電容及可調(diào)電阻，有利于調(diào)整電路參數(shù)；
　?、蹫V波放大電路的二階Butterworth低通濾波器截止頻率為10Hz，主要濾除工頻干擾；
　?、苣?shù)轉(zhuǎn)換電路采用的芯片是TLC2551，此芯片是14位A／D，輸入電壓范圍為：O～5V；理論采集精度可達(dá)0．3mV，受實際測試條件所限制實際測試精度可達(dá)0．8mV；A／D轉(zhuǎn)換時間為10m，采集速度很高；此芯片抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，性價比高；
　?、?a href='http://srfitnesspt.com/soft/data/4-10/' target='_blank' class='arckwlink_none'>控制電路采用C8051F320作為采集電路的控制芯片，它片上資源豐富，主頻高可達(dá)25MHz，而且開發(fā)簡單，性價比高。單片機(jī)采集來的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給DSP芯片。