作者:   發(fā)布時(shí)間:2014/6/27 10:20:19   瀏覽次數(shù):2615

光電傳感器混合信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
壓阻式光電傳感器應(yīng)用于很多場(chǎng)合，其典型滿量程輸出為mV級(jí)，因此，需要采用增益級(jí)和其他信號(hào)處理電路。設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的三運(yùn)放組成儀表放大電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的放大輸出及歸一化，使用AVR單片機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣處理，通過RS232通信電路實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通訊，并且通過上位機(jī)對(duì)多路開關(guān)量進(jìn)行設(shè)置。
1電路硬件設(shè)計(jì)
光電傳感器混合信號(hào)調(diào)理電路包括模擬部分和數(shù)字部分。模擬電路包含：恒流源電路、放大電路和濾波電路。其中，恒流源電路為光電傳感器供電；放大電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并歸一化；濾波電路抑制放大輸出信號(hào)中的干擾。數(shù)字電路包括開關(guān)量控制電路和RS232通信電路，RS232通信電路主要用于下位機(jī)與上位機(jī)的通信。
1.1恒流源電路設(shè)計(jì)
用恒流源供電時(shí)，由于采用的傳感器具有靈敏度溫度自補(bǔ)償功能，無需外加電路補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了電路，節(jié)省了成本。圖中c點(diǎn)電壓v是穩(wěn)定的電壓，由運(yùn)放的“虛短、虛斷”原理可知：B點(diǎn)電壓VB=VC，則給傳感器供電的電流激勵(lì)I(lǐng)=VB/R。需要注意的是，運(yùn)算放大器的負(fù)載包含傳感器電阻橋和電阻R，其中電阻橋l、3端所對(duì)應(yīng)的阻值很大，同時(shí)電阻橋的電阻值隨溫度而改變，因此這兩端的壓降也會(huì)很大，再加上R的壓降后會(huì)更大，因此運(yùn)算放大器輸出電壓的最大幅值必須足夠大。
1.2運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)
儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比。通常，由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器價(jià)格較低，適應(yīng)性較寬；單片式結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)調(diào)整到很高的精度，但是價(jià)格比較昂貴。為了降低成本，采用三運(yùn)放儀表運(yùn)算放大電路。
在使用三運(yùn)放儀表運(yùn)算放大器時(shí)，注意以下3點(diǎn)問題：
(1)這種結(jié)構(gòu)放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。兩級(jí)電路之間的中間節(jié)點(diǎn)承載著大約一半差分信號(hào)與共模信號(hào)之和的電
荷量，須確保這個(gè)信號(hào)處于運(yùn)放的工作范圍之內(nèi)。當(dāng)改變輸入電壓的共模成分時(shí)，如果看到類似于飽和的現(xiàn)象，則應(yīng)首先檢查這里。
(2)流過R4的電流。當(dāng)把儀表放大器的增益設(shè)置得很高時(shí)，凡會(huì)很小，這意味著當(dāng)差分電壓很大的時(shí)候，R4上產(chǎn)生的電流也會(huì)相當(dāng)大。需要檢查這種情況對(duì)系統(tǒng)是否有負(fù)面作用。
(3)反饋通路中存在電容。反饋通路的走線應(yīng)盡可能短，反饋通路中過大的電容在高頻時(shí)會(huì)使共模抑制比性能降低。
1.3濾波電路設(shè)計(jì)

光電傳感器混合信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
干擾抑制包括RC濾波電路以及軟件編寫的數(shù)字濾波。RC濾波電路是為了抑制廣譜噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換前的抗混疊噪
聲；而軟件編寫的數(shù)字濾波是為了使單片機(jī)的采集信號(hào)更準(zhǔn)確。RC濾波電路采用二階RC有源低通濾波電路，RC有源濾波器的諧振頻率可由RC網(wǎng)絡(luò)任意設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)的損耗由運(yùn)算放大器補(bǔ)償。
電路同時(shí)引入了正反饋和負(fù)反饋，當(dāng)U1信號(hào)頻率趨于0時(shí)，由于C1的電抗趨于無窮大，正反饋很弱；當(dāng)U1信號(hào)頻率趨于無窮大時(shí)，由于C2的電抗趨于O，UP趨于0。因此只要正反饋引入得當(dāng)，就能在f=fo時(shí)，使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會(huì)因正反饋過強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。Q決定了濾波器的幅頻特性。當(dāng)，>fo時(shí)，幅頻特性曲線下降斜率為-40 dB/十倍頗。應(yīng)用該電路，可以有效地濾除電路中的噪聲。
為了避免模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)可能出現(xiàn)的脈沖干擾和誤差，應(yīng)用了數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)所使用的方法有：算術(shù)平均值法和中值濾波法，編寫程序時(shí)，把這兩種方法結(jié)合起來使用，既可以對(duì)隨機(jī)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，也能防止突發(fā)的脈沖干擾，達(dá)到了良好的濾波效果。
1.4 RS232通信電路設(shè)計(jì)
RS232通信是PC機(jī)與單片機(jī)用2根線方式進(jìn)行全雙工異步通訊。由于AVR單片機(jī)輸入輸出電平為TTL電平，PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者電氣規(guī)范不一致，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是一種新類型的電平轉(zhuǎn)換器，僅需+5V電源供電。這種電平轉(zhuǎn)換器可將2路TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，也可將2路RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。
1.5開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)
開關(guān)量控制電路是根據(jù)傳感器的信號(hào)大小，打開相應(yīng)的開關(guān)，如圖6所示。由于單片機(jī)上電具有一定的延時(shí)，在剛上電時(shí)無法馬上輸出電平控制開關(guān)量，為改進(jìn)這個(gè)缺點(diǎn)，加入了CMOS反相管控制開關(guān)量，CMOS反相管能在上電時(shí)馬上工作。
2軟件設(shè)計(jì)
軟件分2部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序和上位機(jī)串口通訊程序。單片機(jī)程序要完成上電初始化、數(shù)字濾波、ADC采集、開關(guān)量控制和與上位機(jī)的通訊。上位機(jī)將設(shè)定的開關(guān)量通過RS232電路傳給單片機(jī)，并保存在EEPROM中，傳感器輸出的壓力值經(jīng)過混合信號(hào)調(diào)理電路放大以及歸一化后，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果與EEPROM中的值比較，根據(jù)結(jié)果所在的開關(guān)閾值范圍，打開相應(yīng)的開關(guān)量。
上位機(jī)串口通訊程序?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量的設(shè)定功能。通訊過程中數(shù)據(jù)都是以字符型進(jìn)行傳輸，這樣就能避免控制字符和數(shù)據(jù)的重復(fù)，使通訊更安全。上位機(jī)的程序是用Visual C++提供的MFC編寫，MFC中的MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。

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