激光粒度儀關鍵電路設計方案解析

　0 引言
　　激光粒度儀是一種最先進的、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，但它的計算相當復雜限制了數據處理速度及精度。
　　DSP技術實現(xiàn)MIE散射算法有很多優(yōu)點：它是專為算法計算而設計的專用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)，主要負責操作系統(tǒng)的運行、任務管理和協(xié)調以及DSP的控制任務，外部可擴展多種外設，如通用串口、LCD顯示屏、以太網接口。
　　1 系統(tǒng)總體設計及工作原理
　　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換成電壓，然后送給采集卡。該卡將電信號放大，再進行A／D轉換后送入計算機，按事先編制的程序根據米氏散射理論進行數據處理，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據經過RS232串口傳輸給DSP，經過DSP的運算后，再把DSP處理后得到的結果數據RS232經過串口傳輸給ARM處理器，在ARM處理器的觸摸屏界面上顯示結果。
　　
　　2 電路系統(tǒng)具體設計方案
　　2．1 數據采集電路設計
　　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換為光電流。然后經過電流電壓轉換器，把電流信號轉換為電壓信號。再經過放大電路放大，然后輸入到A／D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號。然后把數字信號輸入到C805lF320單片機，單片機然后再傳給DSP進行處理，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、數據選擇部分、電流電壓轉換部分、運算放大部分、模數轉換部分和中央單片機控制部分。
　?、倌M多路選擇器選用ADG506，它精度高，為1mV，抗干擾能力強，功耗低，價格便宜；
　?、陔娏麟妷恨D換電路有起濾波作用的電容及可調電阻，有利于調整電路參數；
　?、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缔D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0．3mV，受實際測試條件所限制實際測試精度可達0．8mV；A／D轉換時間為10m，采集速度很高；此芯片抗干擾能力強，功耗低，性價比高；
　　⑤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25MHz，而且開發(fā)簡單，性價比高。單片機采集來的數據通過串口發(fā)送給DSP芯片。