智能型数字折光仪的设计与实现

【摘要】 本文介绍了智能型数字折光仪的详细的设计方案，详细阐述了该设备的设计思想、软件实现。该设备不仅能取代传统的折光仪，而且各方面的性能大大超过了传统设备。

一 引言

传统的手持式折光仪为光学机械一体化目视结构，受人为和环境因素影响大。其主要的不足之处有：(1)读数误差因人而异；(2)读数环境要求光线明亮；(3)无温度自动补偿，为了得到正确读数，必须查阅修正表进行计算，不仅容易出错也降低了使用的效率。为了克服以上问题，我们开发了基于线阵CCD的智能型手持式数字折光仪。它具有响应速度快、自动温度补偿、重复性好、便于携带、使用简单等优点。

二 设计原理

智能型数字折光仪是利用光的折射现象进行测量的仪器仪表。根据光学透射反射原理，当光线从折射率为no的光密媒质以入射角θi入射到折射率为n的光疏媒质中时，在两种媒质的交界面上将发生折射(折射角为θt)与反射(反射角为θr)现象，其关系式为：

nsinθt=n0sinθi

当θt=90°时，有关系式：θc=arcsin(n/n0)，通常称θc为全反射临界角。当θi>θc时，光线会在两个媒质界面发生全反射现象。根据这一基本原理，合理选择已知折射率为n。的光密媒质(棱镜)，通过检测全反射临界角θc就可以方便地得到被测折射率n。采用CCD光谱响应最灵敏的波长的单色光LED（对TCDl208来说是黄光）作为光源，一个反射棱镜作为反射发生器件，其后用一透镜将各个角度的反射光汇聚到置于其焦面的CCD光敏面。在CCD的光敏面上形成一条明暗分界线。因此，只要检测出明暗分界线的位置变化，就可以知道临界角的变化，进而可计算出被测液体的折射率。根据理论计算和实验定标，可以确定被测液体浓度与折射率的对应关系，到实际测量时就能根据这一对应关系正确地得到被测液体的浓度。

三 设计要求

1、浓度测量精度≤0.1％Brix

2、浓度测量范围0％-80％Brix

3、温度测量精度±0.1℃(±2°F)

4、温度测量范围0℃-40℃(32 °F -104°F)

5、摄氏温标与华式温标切换

6、自动温度补偿

7、低电量报警

8、自动关机

9、耗电量：两节1.5V电池可测量1500次以

四 实现

1、电源部分

电源部分工作电压为5V，采用两节1.5V电池供电。因此，我们必须采用一个具有电压不足指示的能够软件关闭输出电压的DC-DC升压电路。经过选择，我们采用了MAXIM公司的MAXl674芯片，极大地简化了电源部分电路的设计。MAXl674是一种结构紧凑、低耗电、高转换效率的低成本升压DC-DC。它在200mA工作电流下的转换效率达到94％，且工作时的静态电流仅16μA，关闭输出后的休眠电流更是仅有0.1μA。

2、单片机

MCU我是采用Microchip公司的PICl6C63，它是一种低价格高性能的8位全静态微控制器。它采用了哈佛存储结构，程序与数据总线实现分离，大大提高了指令执行速度。且该MCU的指令系统除跳转指令外都是单周期指令，在10MHz时钟下每条单周期指令执行时间仅需400ns，这就使利用软件驱动CCD这种需要多个高速脉冲信号的器件成为可能。PIC单片机还具有较强的I/O驱动能力，它的最大拉电流可达20mA,最大灌电流可达25mA,因此不需要别的硬件就可直接驱动线阵CCD。PIC单片机采用了低功耗高速CMOS设计，且还具有休眠省电方式。当CPU进入睡眠状态后，有两种唤醒方式：(1)看门狗溢出；(2)I/O口PB4-PB7的电平变化产生的中断。以上程序设计技巧的应用对于延长数字折光仪电池的使用寿命是很有帮助的。

3、CCD

线阵CCD作为该设备的核心器件，它的开发是设计中的一个难点。尽管有人提出可以使用单片机驱动CCD，但那仅仅是在较低驱动速率下进行的，一般人们都是使用通用逻辑电路，可编程器件(PLD和EPROM)作为时序发生器。但是，硬件的增加意味着成本的提高和出错机率的增大。为此我们选用了低成本高速PIC单片机，通过指令的精心配置，实现了硬件时序发生器的全部功能。由于单片机是靠指令产生I/O口的输出逻辑状态来产生驱动时序，对于在一帧中数千像元的传输来说，如果不使用转移指令，则需要小型单片机难以提供的程序存储器资源；如果简单使用转移、循环指令虽然可以克服上述不足，但会使驱动时序局部造成相位上的迟滞，虽不影响像元信号的传输，但这种缺陷足以给系统带来误差。我解决这个问题的办法是避免程序的双重循环结构，采用若干重复的单循环结构，填补上空指令nop。

在折光仪中，通过光学器件的反射、聚焦、折射后，在CCD的感光面上形成一条明暗分界线。根据工作原理，被测浓度不同，光的折射角度不同，明暗分界线的位置也不同。

4、温度传感器

温度测量功能的实现采用了美国Dallas公司的单总线芯片DSl8B20。它结构简单，不需要外部器件，仅需一根I/O数据线发送或接收信息。它具有零待机功耗，测温范围宽(-10℃-+85℃)，直接输出数字量摄氏温度值(输出的双字节除16为实际温度值，负数以补码形式给出)，用户可定义的非易失性温度报警设置的特点。它的分辨率能达到12位，即测量精度

5、非易失性存储器

当系统完成采样并根据浓度__脉冲个数曲线计算出浓度后，还要进行浓度值的温度补偿。不同的浓度，不同的温度有着不同的补偿值。它是一张二维表，必须放在一个不会随着掉电而消失的存储器中。基于简化电路和不需高速存取的理由，我们采用了基于I2C总线的串行E2PROM__AT24C16。它内部含有2048个8位字节，并具有硬件写保护功能。

6、显示

为了使CPU在睡眠时仍能显示系统工作状态，我们采用了显示电流仅为50uA的通用型微功耗串行液晶显示模块LCMl41。它足够用于折光仪显示温度、浓度及其他的一些状态信息。

五 系统性能评价

在对数字折光仪的软硬件设计完成后，将该系统配以合适的光学成像系统。随后，我们取数字折光仪、手持式目视折光仪、阿贝折射仪共同以浓度为10％的标准糖溶液为被测物进行验证性对比测量(每次测量均由不同人员操作)。在同一段时间内对同一被测物进行了10次测量。其实验结果如下图所示：

试验结果表明对比另外两种设备，数字折光仪的测量精度始终在0.1％以内，测量速度快(1秒左右)且不受人为因素的影响。通过5位半万用表测量，该设备的工作电流