一、前言

目前，市场上较为成熟的检测酒精浓度的方法主要是密度法和分光光度法。

• 以密度法为代表的测量仪器优点是携带方便，价格低廉；但缺点也很明显，测量精准度差、读数不方便等。

• 以分光光度法为代表的测量仪器优点是测量精准，测量种类广；但缺点也很明显，价格昂贵、操作复杂以及不便携带等。

考虑到分光光度法的测量精确程度以及密度法的操作复杂程度，本项目旨在设计一款基于分光光度法的便携式酒精浓度测量仪，实现实验室或商业方向的非接触式的酒精浓度测量，并逐步扩展到其他种类液体浓度的测量。

二、设计框图及原理介绍

本项目的设计框图是基于Scheme-it完成，链接如下：

https://www.digikey.cn/schemeit/project/detail/027d8a0bece14cb8b19fa7285c9c7cd8

根据设计框图可知：

单片机通过I/O口驱动波长在1500nm左右的红外LED光源，其发出的红外光透射过装有一定浓度酒精溶液的比色皿，照射至InGaAs光电二极管上。跨阻放大电路将uA级别的光电流信号转换为V级别的电压信号，并经过信号调理电路送入ADS1255芯片中进行ADC采样。MCU通过SPI协议读取来自ADS1255的电压信号，并将读取到的电压信号代入之前标定好的标准酒精浓度曲线中，得到比色皿中样品酒精的浓度。此时，MCU可通过串口向上位机发送数据或者将数据显示在OLED屏幕上。同时，考虑到测量条件的不同，仪器需要消除背景误差，本项目还加入了校准调零按钮，可进一步提高仪器的精度。

三、原理图及主要元器件介绍

本项目的原理图是基于Scheme-it完成，链接如下：

https://www.digikey.cn/schemeit/project/detail/3f0ec14e34bb49fda27a4765f2a5dd3c

原理图仍在设计完善中...

本项目的主要元器件如下：

• 微控制器STM32F030F4P6

• 低输入偏置电流运算放大器AD8626

• 精密运算放大器OP1177

• 全差分精密放大器AD8476

• 24位模数转换器ADS1255

• InGaAs光电二极管

主控芯片：STM32F030F4P6

STM32F030系列微控制器基于高性能ARM®Cortex®-M0 32位RISC核心，工作频率为48 MHz。

主要技术参数特征：

• 高速嵌入式存储器（高达256kb的闪存和高达32Kb的SRAM）

• 广泛的增强型外围设备和I/O。所有设备都提供标准通信接口（最多两个I2C、最多两个SPI和最多六个USART）、一个12位ADC、七个通用16位定时器和一个高级控制PWM定时器

• STM32F030系列微控制器的工作温度范围为-40至+85°C，电源电压为2.4至3.6V。STM32F030x4/6/8/C微控制器包括四种不同封装的设备，从20引脚到64引脚不等

低输入偏置电流运算放大器：AD8626

• 产品详情：AD8626是一款精密JFET输入放大器。它具有真正的单电源供电、低功耗和轨到轨输出等特性。当容性负载超过500 pF时，输出仍能保持稳定；每个放大器的电源电流小于630 µA。AD8626的具体应用包括：光电二极管跨导放大，ATE基准电平驱动器，电池管理，线路供电和便携式仪器仪表，以及包括汽车传感器在内的远程传感器信号调理。

• 产品特点：

  • 极低IB：1 pA(最大值)

  • 轨到轨输出

  • 低电源电流：每个放大器630 µA(典型值)

  • 低失调电压：500 µV(最大值)

  • 单位增益稳定

精密运算放大器：OP1177

• 产品详情：OP1177系列由极高精度的单通道、双通道和四通道放大器组成，具有极低失调电压和漂移、低输入偏置电流、低噪声及低功耗等特性。使用1000 pF以上容性负载时输出稳定，无需外部补偿。其应用场景包括精密二极管功率测量、电压和电流电平设置以及光学和无线传输系统中的电平检测。其它应用包括线路供电的便携式仪器仪表及控制元件：热电偶、RTD、应变电桥和其它传感器信号调理，以及精密滤波器。

• 产品特点：

  • 低失调电压：60 μV（最大值）

  • 极低失调电压漂移：0.7 μV/°C（最大值）

  • 低输入偏置电流：2 nA（最大值）

  • 低噪声：8 nV/√Hz（典型值）

  • 共模抑制比(CMRR)、电源抑制比(PSRR)和AVO：> 120 dB（最小值）

全差分精密放大器：AD8476

• 产品详情：AD8476是一款功耗极低的全差分精密放大器，集成用于单位增益的增益电阻。它非常适合用作驱动低功耗、高性能ADC的单端转差分或差分转差分放大器。用户可利用内部共模反馈环路调整输出共模电压，使AD8476输出与ADC的输入相匹配。内部反馈环路也可提供出色的输出平衡，并能抑制偶数阶谐波失真产物。考虑到其低功耗和高精度特性，压摆增强的AD8476具有出色的速度，能够建立至16位精度进行250 kSPS采集。

• 产品特点：

  • 电源电流：330 μA

  • 全差分或单端输入/输出

  • 输出噪声：39nV/√Hz

  • 增益漂移：1 ppm/°C

  • 输出失调电压：200 µV（最大值）

  • 压摆率：10 V/μs

  • 带宽：5 MHz

24位模数转换器ADS1255

• 产品详情：ADS1255是极低噪声的24位模数（A/D）转换器。它们为最苛刻的应用提供了完整的高分辨率测量解决方案。转换器由四阶Δ∑调制器和可编程数字滤波器组成。可选输入缓冲器大大增加了输入阻抗，低噪声可编程增益放大器（PGA）以二进制步长提供从1到64的增益。可编程滤波器允许用户在高达23位的无噪声分辨率和高达每秒30k个样本（SPS）的数据速率之间进行优化。转换器为测量多路复用输入提供了快速通道循环，还可以执行仅在单个循环中稳定的单次转换。

• 产品特点：

  • 24位，无缺失代码

  • 高达23位无噪声分辨率

  • ±0.0010%非线性（最大值）

  • 低噪声PGA:27nV输入参考噪声

  • 模拟电源：5V

  • 数字电源：1.8V至3.6V

  • 功率耗散：正常模式下低至38mW，待机模式下0.4mW

InGaAs光电二极管

• 产品详情：OSI Optoelectronics的 FCI-InGaAs-XXX-X 系列是大型有效探测区域红外检测器，在 1100 nm 至 1620 nm 范围内具有出色的响应度，对微弱的信号具有很高的灵敏度。这些大型有效探测区域器件的有效探测区域大小分别为 1 µm、1.5 µm 和 3 µm，是红外仪器和监视应用的理想选择。光电二极管芯片分隔于宽频双面 AR 涂层和平面窗口，采用 TO-46 或 TO-5 封装。FCI-InGaAs-3000-X 具有 5 MΩ、10 MΩ、20 MΩ 和 40 MΩ 的不同分流电阻值。

• 产品特点：

  • 高响应性

  • 大区域直径

  • 低噪声

  • 光谱范围 900 nm 至 1700 nm

  • 密封 TO 封装

四、结语

以上是基于近红外分光光度法的酒精浓度测量仪的基本原理介绍，目前设计的原理图还存在着很多不足的地方需要完善，在接下来第二阶段的设计中我会完成原理图的优化以及实物的设计。