微弱光电信号采集与处理系统的研究

论文摘要

微弱光电信号的采集与处理是工业自动化中常见的一个问题。本文应用光电检测技术原理,设计了一种基于虚拟仪器技术平台的微弱光电信号采集与处理系统。系统对光电转换电路以及前置放大电路两部分光电检测电路的关键环节进行了分析和比较,并设计了单片机控制电路。最后在上位机中人机交互界面上实时显示光电信号的采集与处理结果。本系统可以应用于大米色选机中,通过光泽度的不同检测大米中的霉变粒、黄斑粒等,具有快速、准确等优点,并且系统能够扩展,具有广泛的应用前景。论文作者主要进行和完成了如下工作：1.调研了目前国内外微弱光电信号检测技术和虚拟仪器技术的研究发展现状。在此基础上,结合本课题在色选机领域的实际应用,设计了由光电转换、前置放大、单片机控制以及上位机显示组成的系统总体结构方案。2.深入学习了微弱光电信号检测的基本原理,采用光电二极管作为光电转换器件,改进传统光电检测电路,减小噪声干扰。3.选用仪用放大器设计系统前置放大电路,使用的是美国TI公司的集成运放TLC2262芯片,利用其高输入阻抗、低噪声的特点来作为光电二极管的负载电路；同时,利用TL064芯片设计第二级放大电路,实现对信号的差分方式放大,使微弱信号达到足够的放大倍数。设计由C8051F040单片机构成的控制电路,实现控制光电信号采集并完成与上位机通信。4.结合虚拟仪器技术,系统使用美国NI (National Instruments)公司的LabVIEW软件在上位机中编写人机交互界面,对采集信号进行实时显示以及完成滤波、频谱分析等数据处理。5.论文完成了整个系统的硬件电路部分的设计和电路板制作,焊接好元器件。设计了单片机软件流程图并利用C语言编写程序,编写上位机中LabVIEW软件程序。最后对工作过程中遇到的问题进行了总结,分析了误差产生的原因,提出了改进系统性能的方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 微弱光电信号检测技术
• 1.2.2 虚拟仪器技术
• 1.3 课题主要研究内容
• 第二章 噪声分析及微弱光电检测电路理论分析
• 2.1 常见的噪声类型
• 2.2 噪声的统计特性
• 2.2.1 噪声的概率分布
• 2.2.2 随机噪声的均值、方差和均方值
• 2.2.3 噪声的相关函数
• 2.2.4 信噪比与信噪改善比
• 2.3 微弱光电检测系统的基本构成
• 2.4 光电检测器件
• 2.5 微弱信号检测常用方法
• 2.5.1 相关检测技术
• 2.5.2 同步累积法
• 2.5.3 双路消噪法
• 2.5.4 最大似然估计
• 2.5.5 光子计数技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于单片机的微弱信号处理模块设计
• 3.1 硬件电路总体方案设计
• 3.2 硬件设计
• 3.2.1 光电转换电路设计
• 3.2.2 前置放大电路
• 3.2.3 控制单元电路设计
• 3.2.4 串口通信电路设计
• 3.2.5 系统电源电路设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 系统软件总体设计
• 4.2 LabVIEW程序设计
• 4.2.1 虚拟仪器系统构成
• 4.2.2 LabVIEW简介
• 4.2.3 LabVIEW软件设计
• 4.2.4 单片机程序
• 4.3 本章小结
• 第五章 系统调试与结果分析
• 5.1 系统硬件电路板
• 5.2 系统调试及结果分析
• 5.2.1 系统调试
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 课题工作总结
• 6.2 课题展望及后续工作
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表论文
• 致谢