牛乳成分测试仪光强检测模块的设计

　　一、 引言

　　在牛奶产业中，牛乳成分质量的检测与控制是薄弱的环节之一。牛乳成分检测仪是利用散透比法来检测牛奶蛋白质和脂肪成分的仪器其工作原理是：利用一束平行单色光入射到牛乳悬浊液中，采用散射光与透射光的光强比值作为蛋白质和脂肪含量的函数，通过数据处理来检测牛奶蛋白质和脂肪成分含量[1]。利用散透比法来检测牛奶蛋白质和脂肪成分要求仪器能够精确的测量出乳样的散透比。所以光强检测模块是仪器的关键部分，是整个仪器的硬件核心。下面从软硬件两个方面介绍本测试系统光强检测模块的设计。

　　二、 光强检测模块硬件设计

　　激光牛奶成分检测仪光强检测模块硬件电路是以单片机为核心的，光强检测模块硬件框图如图 1 所示。光强检测的传感器是可以把光强信号转换为电信号的光敏传感器，但是光敏传感器转换过来的电信号较弱，需要经过前置放大器再进行 A/D 转换，转换后的数据由单片机进行数据处理就可得到牛乳的成分。

　　1. 光敏传感器

　　常用的光敏传感器有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。光敏电阻和光敏三极管不适宜作为测量器件使用。光电池和光敏二极管的短路电流 I_sc与照度成线性关系，所以光电池和光敏二极管作为测量元件时应取短路电流形式，此时照度与电流强度有很好的线性关系一般光敏二极管的受光照面积比光电池小，所以产生的电信号也比光电池小，但是，由于光敏二极管可以检测到空间中某点的光强，所以本仪器选用光敏二极管作为敏感器件，将光强度值转换为光敏二极管的短路电流值[2]。

　　实际应用中光电流信号往往比较微弱，尤其是用光敏二极管检测点光强时，电流信号往往只有几个微安。设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将光敏二极管跨接在一个 CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。光敏二极管上的入射光使之产生的光电流从放大器的负极流至正极。由于 CMOS 放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻。输出电压会随着反馈电阻两端的压降变化而变化。

　　放大器零点的漂移对后续的 A/D 转换电路部分的设计影响很大，在本设计中为了要减少放大器零点漂移对电路的影响，选用了 Maxim 公司的斩波稳零运放 ICL7650。光强检测电路的电路设计如图 2 所示。

　　此电路中 C₃为滤波电容，D₁，D₂为保护电路，J4与MSP430F427 的 A/D 转换口相连。D₀为光电二极管，D₀接入 ICT7650 的线路上为了提高抗干扰能力而加上了屏蔽线。为了提高精度，反馈电阻 R_F采用了低温漂高精度的精密电阻。