基于彩色光∕频转换器的新型旋光仪设计.pdf

检测与仪表
化工自动化及仪表,2010,37(11):56~58
Control and Instruments in Chemical Industry
基于彩色光/频转换器的新型旋光仪设计
方跃春,周志光,刘凯,汤哲夫2
(1.长沙民政职业技术学院电子信息工程系,长沙4100042.益阳市鹏程科技术发展有限公司,湖南益阳413001)
摘要:朱用业界首款數字彩色光/频转换器芯片TCS230设计一款新型旋光仪。运用软件算法判断光方
向,并应用LED光源、红外测温、半导体制冷、步进电机细分驱动等相关技术,实现数字化、低功耗、低成本、高性
能设计。
关键词:旋光仪;彩色光/频转换器TCS230;红外测温;半导体制冷
中图分类号:TP216文献标识码:A文章编号:10003932(2010)11-005603
1引言
温度传感器DS18B20检测样池温度,半导体制冷片
旋光仪是测蚩旋光物质旋光度的仪器,广泛应对样池温度进行控制,细分驱动器实现对检偏镜步
用于制药工业、化学工业、制糖工业食品工业等领进电动机控制。
域。旋光度测量的关键在于怎样精确遡暈检偏镜透
检偏鏡蜗轮付
射光强和怎样判断旋光方向。目前,传统手动旋光
半导体光源滤色镜
样品池
TC5230
仪采用半波片产生三分视界的方法测量光强,采用
改变样品浓度或样品管长度方法判断旋光方向,存
测试品管
聚光镜起偏镜
在人为经验误差大、测试时间长、环境温度要求高等
步进电机
弊端;自动旋光仪普適采用光电倍增管获取模拟光
图光学部分原理图
信号进行光强测量,采用交流信号相位判断旋光方
WR
向,同样存在模拟量识别误差大、处理电路复杂、硬
R?液晶显示器74HC245
彩色光/Ls
件成本高等缺限。
频转换器
TCS230
本设计采用业界首款数字彩色光/频转换器芯
74HC373
片TS230识别光信号,采用软件算法判断旋光方
向,并采用LED光源、红外测温、半导体制冷、步进
步进步进电机FREC
A了~A0
电机细分驱动等相关技术,实现旋光仪数字化、低功
电机日細分动DIR」单
AM
耗、低成本、高性能设计。
机
2硬件设计
EEPROM
64K
测量旋光度的基本原理如图1所示,是将一東
1)7-D0
散热片
单色光照射到尼柯尔棱镜(起偏镜)产生一束单
测温
HEAT」动电路一半导体制
的平面偏振光,该平面偏振光照射到另一个尼柯尔
传感放大A
PwM]H桥
棱镜(检偏镜),在起偏镜与检偏鏡之间放置待测样
器
1$8820
Q
品,由于待测样品的旋光作用,使来自起偏镜光的偏
振面改变了某一角度,只有检偏镜也旋转同样的角
图2电气控制部分原理图
度,才能补偿待測样品旋光角度,使透过的光的强度
与末放置待测样品时相同。
2.1光源选择
电气控制部分由光/频转换、红外样液温度检
为使仪器最大限度测量低透光率物质,旋光仪
测、样池温度控制、步进电动机细分驱动、液晶显示、
标准光源为波长589nm的光源,普遍采用钠光灯作
单片机等电路组成,如图2所示。TSC230彩色光/
为光源。但是,钠光灯作为一种真空放电激发器件,
频转换器输出R、G、BL脉冲(R、C、B、L分別表示彩使用寿命和光强度的稳定性受到限制,钠光灯成为
色光频转换器在基准时间内红、绿、蓝、合成亮度对了旋光仪昂贵的易耗件。基于上述原因,本设计选
应的输出脉冲数,取值范围为0-255)直接送单片
机处理,红外样液温度检测装置快速检测样液温度,
收稿日期:2010-07-02(修改稿)
万方数据
第11期
方跃春等.基于彩色光/频转换器的新型旋光仪设计
用589nm窄带LED灯+干涉滤光片作为光源,有效感器、信号放大、MD转换、误差分析、显示输出等
保证了光源寿命和稳定性。
部分组成。
2.2光/频转换
2.4样池温度自动控制
光/频转换采用美国TAOS公司推出的RCB彩
为尽可能消除环境温度对测量的影响,进一步
色光/频转换器芯片TCS230,它将硅光电二极管与提高仪器性能,设计样池温度自动控制装置。该装
电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上,置由温度传感器DSl18B20进行温度监测,由单片机
同时在单一芯片上集成红、绿、蓝(R、G、B)三种滤控制半导体制冷片正向工作时给样池制冷、反向工
光器,是业界首款带数字兼容接口的RCB彩色传感作时加热,实现样池温度自动控制。
器?。TCS230输出信号是数字量,可直接与微处理2.5步进电机及细分驱动
器或其它逻辑电路连接,实现每个彩色信道10位以
采用35BY48903步进电动机,开环控制,获得
上转换精度,不再需要D转换电路3“。
接近闭环的良好控制性能。为了保证定位精度和稳
芯片内含一个8x8光电二极管阵列,每16个定性,采用四相八拍运行方式,并采用32细分技术,
为1个色彩组,分别对应红绿、蓝、白四种滤波器,即将原来的一步分成了32小步来完成】。
通过可编程引脚S1、S3可进行四种色彩类型动态选3软件设计
择。4组光电二极管在芯片内是交叉排列的,能够3.1程序流程图(见图3
最大限度地减少人射光照射的不均匀性,从而增加
开始
颜色识别的精确度;相同颜色的16个光电二极管是
并联连接的,均匀分布在二极管阵列中,可以消除颜
系彻始化
色的位置误差。转换器典型输出频率范围为2Hz
片动ル进电机带[读颜色仏感输出值
500kHz,工作时可通过两个可编程引脚S。、S1来选
功愉偏鏡放转
择100%、20%或2%的输出比例因子。S6、S1、S2、S3
R、G、B、L=0
控制逻辑见表1。
等待装样
表1TCS230管脚控制逻辑
引脚符号类型
功能说明
R、G、B、L=0?
非旋光物质
1S。1」输出频率分频系数选择输入端
SS1=00,掉电;S6S1=0?,2
读取色仏感器输出值
25,「1
SS1=10,20%;SaS1=11,100%
X、Y、乙、W并保存
3「0E1
输出使能端,低电平有效
启动步进电机带动偏镜
4 GND
电源地
左旋数步并记脉冲个数
VDD
电源电压
60Ur0
输出频率()
读取色役感器输出值
色彩类型选择输入端
S2S3=00,红;S2S3=01,绿
R,G.B值减小
S3=10,白;S2S3=11,蓝
动我进电机带动檢偏镜右旋「片动步进电机带功偏镜
株续左旋并记录脉冲个数
输入输出引脚可直接与单片机连接,但应注意
R=XG=Y
如下问题:(1)电源线必须采用0.01~0.1F的电
B=z、L=W
容退耦,且电容应尽可能靠近芯片;(2)芯片的OE
读取颜色後感器输出倒
引脚和CGND引脚之间需采用低阻抗连接,以提高抗