硬幣識別設計

1、目錄第1章 緒 論11.1硬幣與識別器的發(fā)展1硬幣的發(fā)展11.1.2 硬幣識別器的發(fā)展與分類4第2章 總體設計方案62.1 總體設計思路62.2總體方案的確定6第3章 電路與程序設計93.1電路設計93.2各組成電路原理與應用10電橋電路10測量放大電路11整流電路13 濾波電路17電壓比較器193.2.6 AD轉換器22單片機介紹：23 AD574 和8051 單片機接口電路設計：28光電耦合器313.3 機械部分設計32結束語33參考文獻33第1章 緒 論1.1硬幣與識別器的發(fā)展硬幣的發(fā)展中國是世界上最早使用貨幣的國家之一，使用貨幣的歷史長達五千年之久。中國古代貨幣在形成和發(fā)展的過程中，先

2、后經(jīng)歷了幾次重大的演變： 1、由自然貨幣向人工貨幣的演變 在中國的漢字中，凡與價值有關的字，大都從“貝”。由此可見，貝是我國最早的貨幣。 隨著商品交換的迅速發(fā)展，貨幣需求量越來越大，海貝已無法滿足人們的需求，人們開始用銅仿制海貝。銅貝的出現(xiàn)，是我國古代貨幣史上由自然貨幣向人工貨幣的一次重大演變。 隨著人工鑄幣的大量使用，海貝這種自然貨幣便慢慢退出了中國的貨幣舞臺。 2、由雜亂形狀向規(guī)范形狀的演變 從商朝銅貝出現(xiàn)后到戰(zhàn)國時期，我國的貨幣逐漸形成了以諸侯稱雄割據(jù)為特色的四大體系，即：鏟幣、刀幣、環(huán)錢、楚幣。 秦統(tǒng)一中國后，秦始皇于公元前二一年頒布了中國最早的貨幣法“以秦幣同天下之幣”，規(guī)定在全國范

3、圍內(nèi)通行秦國圓形方孔的半兩錢。 圓形方孔的秦半兩錢在全國的通行，結束了我國古代貨幣形狀各異、重量懸殊的雜亂狀態(tài)，是我國古代貨幣史上由雜亂形狀向規(guī)范形狀的一次重大演變。秦半兩錢確定下來的這種圓形方孔的形制，一直沿續(xù)到民國初期。 3、由地方鑄幣向中央鑄幣的演變 元鼎四年，漢武帝收回了郡國鑄幣權，由中央統(tǒng)一鑄造五銖錢。從此確定了由中央政府對錢幣鑄造、發(fā)行的統(tǒng)一管理，這是中國古代貨幣史上由地方鑄幣向中央鑄幣的一次重大演變。 唐高祖武德四年（六二一年），李淵決心改革幣制，廢輕重不一的歷代古錢，取“開辟新紀元”之意，統(tǒng)一鑄造“開元通寶”錢。開元通寶一反秦漢舊制，錢文不書重量，是我國古代貨幣由文書重量向通寶

4、、元寶的演變。 開元通寶錢是我國最早的通寶錢。此后我國銅錢不再用錢文標重量，都以通寶、元寶相稱，它一直沿用到辛亥革命后的“民國通寶”。 4、由金屬貨幣向紙幣交子的演變 北宋時，由于鑄錢的銅料緊缺，政府為彌補銅錢的不足，在一些地區(qū)大量地鑄造鐵錢。據(jù)宋史記載，當時四川所鑄鐵錢一貫就重達二十五斤八兩。在四川買一匹羅（絲織品），要付一百三十斤重的鐵錢。鐵錢如此笨重不便，紙幣交子就在四川地區(qū)應運而生。交子的出現(xiàn)，是我國古代貨幣史上由金屬貨幣向紙幣的一次重要演變。 交子不但是我國最早的紙幣，也是世界上最早的紙幣。 5、由手工鑄幣向機制紙幣的演變 清朝后期，隨著國外先進科學技術的逐漸傳入，光緒年間已開始在國

5、外購買造幣機器，用于制造銀元、銅元。后來，廣東開始用機器制造無孔當十銅元。因制造者獲利豐厚，各省紛紛仿效。 清末機制貨幣的出現(xiàn)，是我國古代貨幣史上由手工鑄幣向機制貨幣的重林演變。 從此，不但鑄造貨幣的工藝發(fā)生了重大變化，而且使流通了二千多年的圓形方孔錢壽終正寢 人類鑄造和使用金屬硬幣已有相當悠久的歷史了。在沒有發(fā)明和使用金屬硬幣以前，人們曾經(jīng)用形形式式的自然物來充當商品交換的等價物貨幣，如貝殼、龜板、獸皮、禽畜、粟米、珠玉、兵器（大刀）、農(nóng)具、布帛等等。后來，人們在長期的商品交換中發(fā)現(xiàn)金屬作為貨幣具有無與倫比優(yōu)越性，隨著商品經(jīng)濟的不斷發(fā)展，金屬貨幣誕生了，并迅速取代了自然物貨幣和商品貨幣。最早

6、充當貨幣的金屬是金和銀，最初的金屬幣是沒有固定的形狀和重量的，中國是使用金屬貨幣最早的國家之一。在相當長的時間里，金銀作為貨幣使用時，每塊金、銀的形狀和重量沒有一定的規(guī)定，一般都被鑄成餅狀或錠狀，嚴格地講，它們還沒有完全脫離商品貨幣的形態(tài)，一方面它被作為貨幣使用，另一方面它仍然還是一種商品，當人們把它們作為貨幣使用時，還需要用秤來衡量它們的重量和鑒別它們的成份。我國古代，很長時期以來主要是用金屬銅（錫青銅）來鑄造錢幣，其它還有用鐵或鉛來鑄錢（如王莽時期所鑄的鐵錢），金銀一般是在進行大宗交易時才被使用，其主要功能是作為收藏、贈與和賞賜之用。到了近代，隨著工業(yè)革命的興起和發(fā)展，出現(xiàn)了用機器制造金屬

7、硬幣的技術，用金銀來制造硬幣也得到了迅速的發(fā)展，特別是銀幣更是得到了廣泛的流通和使用。后來，人們感到金銀的價格日益昂貴，就出現(xiàn)了用純鎳和銅鎳合金來制造硬幣，以作為銀子的替代物?，F(xiàn)在，世界各國用于制造硬幣的金屬材料越來越廣泛，除了傳統(tǒng)的金和金合金、銀和銀合金、鎳和鎳合金、銅和銅合金、鋁和鋁合金以外，還出現(xiàn)了鎳鐵復合材料、銅鐵復合材料、鋼芯鍍鎳材料、鋼芯鍍銅材料、鋅芯鍍銅材料等等，這些材料統(tǒng)稱為包復材料。此外還有用不銹鋼材料制造硬幣的。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展城市的經(jīng)濟水平大幅度的提高，人們的收入也提高了不少，生活水平迅速提高。人們的思想也在進步，事物都有兩面性，一些人在積極進取，而另外一些人則在投

8、機取巧做著損人利己的勾當，為了獲取暴利和滿足自己的欲望假幣制造變成了他們的職業(yè)。所以假幣的出現(xiàn)擾亂了市場經(jīng)濟，國家也在嚴厲地打擊中，驗鈔機的發(fā)展也使假鈔畢顯原型。但是驗鈔機也不能應用在各種設備上。因此對于某些事業(yè)機構需要專業(yè)的設備對假幣進行鑒別。 硬幣識別器的發(fā)展與分類隨著社會的進步人們的生活水平有了很大的提高，人們?yōu)榱朔奖愠鲂邢破鹆速I車風暴于是私家車的數(shù)量猛增，但是反而是適得其反，就是因為私家車數(shù)量太多導致了能源的消耗加速加量，更使得交通擁擠，人們也意識到了這些問題。于是政府大力倡導人們出行選擇公交。政府為了便于人們乘坐公交車，大力發(fā)展城市的公交系統(tǒng)，而為了讓乘客便于到站下車城市公交車上安裝

9、了語音報站系統(tǒng)，刷卡器，由于刷卡并不是人人都能接受于是公交車上也保留了投幣箱便于還沒有使用公交卡的乘客使用零錢。這種系統(tǒng)完全可以由駕駛員一人操作，于是通常的一人駕駛一人賣票報站的公交車大都轉變?yōu)榱藷o人售票車，這也象征著人們素質的提高。但是這也給那些偷奸?；乃刭|低下的乘客有了可乘之機，為了逃票，游戲幣、假硬幣、假紙幣變成了他們的乘車道具。正是由于這些原因公交公司每天、每月、直至每年要損失高達數(shù)萬元萬人民幣。為此公交系統(tǒng)急切的需要與公交車配合使用的人民幣識別器以用來對付假幣！正所謂道高一尺，魔高一丈。只要這一裝置配備了整個公交系統(tǒng)那就可以毀滅某些乘客的僥幸心理，不給他們?nèi)魏蔚目沙酥畽C。這一技術普

10、及后不只是應用在公交車投幣系統(tǒng)中，也可應用在自動售貨機、自動投幣飲水機、投幣游戲機等等設備中。硬幣識別器的種類也是多種多樣的，發(fā)展也是越來越先進在中國，硬幣識別器的技術已經(jīng)成熟，采用傳感器技術與光電子技術和電磁技術對硬幣的幾何參數(shù)和材質進行檢測使得識別器達到了很高的精度，即使是硬幣的表面有很多污垢也能準確地辨別出真假。在中國與投幣器配套使用的儀器和設備數(shù)量龐大且種類繁多。投幣器需要適應市場的需求因此必須添加硬幣識別器。硬幣識別器的種類并不多，硬幣識別器是以其檢測硬幣哪方面特性進行分類的：最常見的硬幣識別器有：單一式硬幣識別器和復合式硬幣識別器，而單一式硬幣識別器又可分為幾何參數(shù)識別器、材質識別

11、器。幾何參數(shù)識別器主要是檢測硬幣的直徑與厚度，在此類硬幣識別器的發(fā)展過程中直徑的檢測方法有了新的改進，老式的識別裝置用光電管隊列來識別直徑，如果排列組合得當?shù)脑挘R別精度也不低于0.5mm?，F(xiàn)在改進后的識別器都用偏心或異型線圈來測量，依據(jù)是直徑小的硬幣與線圈的重合部分也少，由此也帶來頻率變化的不同。復合式傳感器的傳統(tǒng)識別原理為：硬幣通過投幣入口進入由電感和電容組成的特定高頻振蕩線路所產(chǎn)生的磁場時,金屬材質和體積的差異對電感量的影響大小也出現(xiàn)微弱差異,電感量的變化引起振蕩頻率的變化;再通過檢測頻率的變化,與設定值進行比較,確定某種硬幣種類后,經(jīng)窄帶選頻電路將頻率信號變成電壓信號輸出,完成對金屬硬

12、幣的識別.由于復合式識別器的價格適中、結構簡單、識別精度比較高并且能廣泛應用因此許多企業(yè)和有關部門都采用此類識別器。但是我在設計復合式硬幣識別器時原理有所改進：我設計的硬幣識別器的電路結構原理是直接利用硬幣對平板電容傳感器與電感傳感器的電容或電壓的參數(shù)變化轉換為電壓信號，再通過對與真硬幣對這兩類傳感器參數(shù)的改變設定的電壓值作比較完成對金屬硬幣的識別。第2章 總體設計方案在確定硬幣識別器總體設計方案前，我們還要擬定本設計的基本步驟及其要遵循的一些基本原則，從而使設計方案更合理。2.1 總體設計思路 設計硬幣識別器大體上可分為兩個階段：1、系統(tǒng)分析階段 根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用硬幣識別器的目的和

13、任務。 分析硬幣識別器所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 根據(jù)識別器的工作要求，確定其的基本功能和方案。如識別器的材料選擇、識別范圍、存儲量、識別精度的要求以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。2、技術設計階段 根據(jù)系統(tǒng)的要求確定識別器允許的空間工作范圍，一般來說硬幣識別器的體積比較小，且與投幣器結合使用因此并不會占用很大的空間； 擬訂硬幣識別器的識別流程圖； 選擇具體電路結構，進行識別器總電路圖的設計； 進行硬幣識別器的整體和機械部分的設計 繪制硬幣識別器的零件圖，并確定尺寸。2.2總體方案的確定1、我們希望它整體不要太大，可以安置在儀器設備上，即小型化、輕型化。在設計此識別器時我就已經(jīng)考慮到了其整體外觀大小和

14、內(nèi)部結構相配合。由于在電路設計方面我使用的方案是：“各個電路分開連接”其特點在于各個電路可以依照識別器外殼的形狀結構來改變所處的位置，其缺點是各個電路比較分散，占用空間比較廣；優(yōu)點是能靈活改變電路布局。2、為節(jié)約開支，要求成本低。首先對于制造硬幣識別器外部與機械部分的材料來言：外殼與投幣通道最好是使用塑料，首先投幣通道連接有兩種傳感器，這樣可以防止漏電，防止金屬外殼對于傳感器的電磁干擾；其次又能使設備的總重量減輕。因為我所設計的分幣器是由電磁鐵吸引擺動的，所以電磁鐵的吸引重量是選用材料的前提。機械部分（既分幣器）的設計要依據(jù)微型電磁鐵的具體參數(shù)來定（這在下文機械部分設計中回詳細介紹）3、電路設

15、計有可行性。在設計本設備的電路時，首先我想到的是如何將真假硬幣用電子檢測的方法區(qū)分出來于是我選用了兩種應用廣泛的傳感器：（公式1）為空氣的介電常數(shù)（已知為1）（公式2）平板電容變介質電容傳感器和電感傳感器。通過真假硬幣通過兩種傳感器時電 （公式3）容和電感參數(shù)的改變量不同來辨別。電容傳感器：當未投入硬幣時電容中的介質為空氣當真硬幣從變介質電容傳感器通過時電容發(fā)生改變，則通過（公式3）可以算出來。（真硬幣的介電常數(shù)與厚度已知）可以計算出電容的改變量。再將電容改變量轉換為電壓，這樣這個參數(shù)就可以作為電壓比較器的設定電壓，可以與其他硬幣通過傳感器是的變換參數(shù)做對比。從以上的公式也可以看出電容傳感器可

16、以通過材質和厚度檢測硬幣的真假；對于電感傳感器原理與電容傳感器相似。原理分析清晰后需要設計信號的傳輸、放大、轉換、控制等電路，由于擁有這些功能的電路是多種多樣的因此需要從功能范圍、電子元器件、工作環(huán)境的范圍、信號的 傳輸特性等方面做對比然后才能選擇合適的電路。4、電源的設計：在我設計的這個硬幣識別器中使用的電源為220V的交流電，但是對于某些電路來說顯然太大因此在電源上我連接了一個雙線圈變壓器使其變?yōu)?2V和15V的電壓，這兩個變小了的電壓分別連接在微型電磁鐵和AD574A-AD轉換器上使其能夠正常工作。在需要將交流電轉換為直流電的時可以直接連接一個整流電路就可以了。信號的改變、放大、以及能否

17、輸入單片機控制電路都需要選擇正確的電路。因此我查閱了很多資料使得此次設計有充分的可行性。5、在滿足前四點的要求下，盡可能的要造型美觀。造型的美觀就主要在于外殼的設計由于外殼的材料我選用的是塑料，塑料的一個特性就是可塑性高也就是說制造容易。因此完全可以滿足表面粗糙度或者是設計精度的要求。第3章 電路與程序設計3.1電路設計在設計這部硬幣識別器之前借鑒了很多關于這方面的資料經(jīng)過研究決定設計復合式硬幣識別器。這種識別器結構簡單，造價低廉，識別精度高且能夠廣泛應用在各種領域。因此此類識別器將占據(jù)較大的市場，并且會有很大的發(fā)展空間。復合式硬幣識別器的原理：復合式硬幣識別器主要是由平板電容傳感器、電感線圈

18、傳感器、檢測電路、單片機控制電路組成。變間隙式平板電容傳感器是是通過檢驗硬幣的厚度來辨別真?zhèn)蔚?，當硬幣通過投幣口進入平板電容傳感器時會引起傳感器電容的變化，這個傳感器也可以實現(xiàn)對硬幣材質的檢測但這只是一個附加功能。通過電容傳感器配用的交流電橋將電容的變化轉換為電壓信號，再通過放大電路將信號放大進入整流電路將交流變?yōu)橹绷?。再通過有源低通電路濾去干擾信號在通過電壓比較器后輸入AD轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳入單片機控制電路。而電感線圈傳感器是通過不同的金屬材質通過線圈時電感改變量不同來檢測的。當硬幣通過電感線圈時也會是電感量改變，通過電感式傳感器配用的交流電橋電路使電感的改變轉換為電壓信號，由

19、于硬幣通過傳感器的時間比較短，所以所獲得的信號比較微弱，因此需要在信號輸出口連接一個放大電路使信號放大。在復合硬幣識別器中需要用到單片機，而傳入單片機的信號必須是直流信號，所以在放大電路的末端我們需要連接一個整流電路是交流變?yōu)橹Я髟賯魅雴纹瑱C控制系統(tǒng)。在整個過程中也需要連接有源低通濾波電路和電壓比較器在輸入單片機。接整個信號的傳輸、接收流程圖如下圖電容傳感器電感傳感器電容配用電橋電路電感配用電橋電路放大電路放大電路整流電路整流電路濾波電路濾波電路AD 轉換器單片機控制電路 流程圖在信號傳輸與接收線路中運用到了很多的電路與單片機。以下則是對各環(huán)節(jié)電路、芯片的介紹。32各組成電路原理與應用電橋電路

20、當信號從傳感器中傳出后主要是傳感器的信號，需要將其轉換為電壓信號，因此需要連接電橋電路，此類電路是傳感器接口電路中經(jīng)常使用的，主要用于把傳感器的電阻、電容、電感變化轉換為電壓或電流信號。根據(jù)電橋電源的不同，可分為直流電橋和交流電橋。在復合式硬幣識別器中使用的電源為交流電并且交流電橋主要用于電容式傳感器和電感式傳感器。交流電橋（1） 電容式傳感器配用的交流電橋。這種電橋有兩種接法： 圖為單臂接法的橋路，其中C1、C2、C3、C為電橋的4個橋臂，C也是電容式傳感器的電容輸出值。交流電源經(jīng)變壓器T接到橋路的一條對角線上，從橋路的另一對角線輸出電壓Uo。當電容式傳感器輸入被測物理量X=0時，輸出Cx=

21、C0,交流電橋平衡，此時C1/C2=C0/C3,Uo=0 圖（1） 圖（2）（ 而當x時）傳感器輸出為Cx=C0+C,交流電橋失去平衡，(Uo),則可按電橋輸出電壓的大小來測定被測物理量X。（2） 電感式傳感器配用的交流電橋圖（2）Z1和Z2為螺管式查差動變壓器的兩個線圈的阻抗。另外兩橋臂為變壓器次級繞組。因為電橋有兩橋臂為傳感器的差動阻抗，所以這種橋路又稱差動交流電橋，它常用于電感式測微儀傳感器的接口電路。當差動式電感傳感器在初始狀態(tài)時，兩線圈電感相等，阻抗Z1=Z2，此時電橋處于平衡狀態(tài)，電橋在這種條件下的輸出電壓Uo=0。當差動式電感傳感器進行測量時，有一個線圈的阻抗增加，另一個線圈的阻

22、抗下，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，則電橋的輸出電壓為Uo=Z/2Zo*U如果假定Z1=Z0-Z，Z2=Z0+Z，則電橋的輸出電壓Uo=-Z/2Z0*U這樣輸出的電壓就能很快地算出來。測量放大電路當信號轉換為電壓信號以后，由于傳感器輸出的信號一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓最小僅有0.1uV。所以需要連接放大電路使其信號放大再輸入檢測電路。信號放大電路是傳感器信號調理最常用的電路。目前的放大電路幾乎都采用運算放大器，由于其輸入阻值高，增益大，可靠性高，價格低廉，使用方便，得到了廣泛應用。常用的放大器有運算放大器、儀表放大器、可編程增益放大器和隔離放大器。各種非電學量的測量，通常由傳感器將

23、非電量轉換成電壓（或電流）信號，此電壓（或電流）信號一般情況下屬于微弱信號。對一個單純的微弱信號，可采用運算放大器進行放大。但是運算放大器對微弱信號的放大，僅適用與信號回路不受干擾的情況。但是在此類硬幣識別器當中使用的兩種傳感器都會受到相互的干擾，并且在傳感器的兩個輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號，有時是完全相同的，即共模干擾。對簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結構的不對稱，地獄共模干擾的能力很差，故不能用在精密測量場合，因此需要引入另一種形式的放大器，即測量放大器，又稱儀用放大器、數(shù)據(jù)放大器，它廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。因此在此類硬幣識別器中我選用

24、的是AD612測量放大電路。 測量放大器除了對低電平信號進行線性放大外，還擔負著阻抗匹配和抗共模干擾的任務。它具有高共模抑制比、高速度、高精度、高頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點。如下圖測量放大器由三個運算放大器組成，其中A1、A2兩個同相放大器組成前級，為對稱結構。輸入信號加在A1、A2的同相輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。差動放大器A3為后級，它可以切斷共模干擾的傳輸。該測量放大器的放大倍數(shù)為G=Uo/Ui=R3/R2(1+R1/RG+R1/RG)式中。RG為用于調節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，通常RG采用多圈電位器，并靠近組件，若距離較遠，應將聯(lián)線絞合在一起

25、，改變RG可使放大倍數(shù)在11000范圍內(nèi)調節(jié)。AD612是一種高精度、高速度的測量放大器，能在惡劣環(huán)境中工作，具有很好的交直流特性。測量放大器內(nèi)部結構（見電路圖）。電路中所有電阻都是采用激光自動修刻工藝制作的高精度薄膜電阻，用這些網(wǎng)絡電阻構成的放大器增益精度高，最大增益誤差不超過10*10-6/Oc,用戶可以很方便地連接這些網(wǎng)絡的引腳，獲得11024倍二進制關系的增益，這種測量放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應用廣泛。當A1反相端（1）和精密電阻網(wǎng)絡的各引出端（3）（12）不連接時，RG=。Af=1。當精密電阻網(wǎng)絡引出端（3）（10）分別和（1）端想連時，按二進制關系建立增益，其范圍為2的1次方2的8次

26、方。當要求增益為2的9次方時，需把引出端（10）、（11）和（12）端均與（1）端相連。若要求增益為2的10次方需把（10）、（11）和（12）均與（1）端相連。所以只要在（1）端和（2）（12）斷之間加一個多路轉換開關，用數(shù)碼去控制開關的通與斷，就可以方便地進行增益控制。另一種非二進制增益關系的測量放大器與一般三運放測量放大器一樣只要在（1）端和（2）端之間外接一個電阻RG，其增益為：Af=1+80k/RGAD612放大電路的用法：在電路圖中可以看出測量放大電路是由三個運算放大器組成的，在使用是應該注意：（1） 差動輸入端的連接。由于AD612放大器是三運放結構，它的兩輸入端都是有偏置電流的

27、，使用時要特別注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，則這些電流將對分布電容充電，造成電壓不可控制的漂移或處于飽和。因此對于浮置的，例如變壓器耦合、熱電偶以及交流電容耦合的信號源，必須對測量放大器的每個輸入端構成到電源地的直流通路（2） 護衛(wèi)（GUARD）端的連接。連接護衛(wèi)端主要是為了對交流共模干擾VCM有效的抑制。在我設計電路時，我將AD612的REF端作為了信號的輸出端而OIUN端接電源地，這樣也形成了差動輸入端的連接。正是因為AD612的這些特點所以我選用了它做為信號傳輸?shù)姆糯笃?。整流電路由于硬幣識別器所用電源為交流電而當信號要輸入單片機時需要變?yōu)橹绷麟姡栽陔娐分形覀冃枰尤胍粋€整流電

28、路，所謂整流電路就是將交流信號轉換為直流信號。單相整流電路分為半波整流、全波整流、橋式整流及倍壓整流電路等。單相半波可控整流電路：具有電阻性負載的單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路的主電路，如圖1所示。設圖中變壓器副邊電壓為v2，負載 RL為電阻性負載?，F(xiàn)將這種可控整流電路的工作原理分析如下：（1）工作原理若晶閘管的控制極上未加正向觸發(fā)電壓，那么根據(jù)晶閘管的導通條件，不論正弦交流電壓v2 是正半周還是負半周，晶閘管都不會導通。這時，負載端電壓Vo=0、負載電流 io=0，因而電源的全部電壓都由晶閘管承受，即VT=V2。當v2 由零進入正半周，設a點電位高于b點電位，晶閘管承受正向電壓，如

29、果在 時見圖2，在控制極加上適當?shù)挠|發(fā)脈沖電壓 ，晶閘管將立即導通。電路中電流流向為aTRLb。晶閘管導通后，其管壓降約1V左右，若忽略此管壓降，則電源電壓全部加在負載RL上，即 ，這樣負載電流 。此后，盡管觸發(fā)電壓隨即消失，晶閘管仍然繼續(xù)導通，直到電源電壓v2 從正半周轉入負半周過零的時候，晶閘管才自行關斷。當v2 在負半周時，因為晶閘管承受的是反向電壓，所以即使控制極上加觸發(fā)電壓，晶閘管也不會導通。這時，負載電壓、電流都為零，晶閘管承受v2 的全部電壓。在以后各個周期，均重復上述過程。從整流電路的工作波形圖看，v2 、io 均是一個不完整的半波整流波形（陰影部分）。在晶閘管承受正向電壓的半

30、周內(nèi)，加上觸發(fā)脈沖電壓，使晶閘管開始導通的相位角 稱為控制角，而晶閘管從開始導通到關斷所經(jīng)歷的電角度 稱為導通角，故 。顯然， 的大小是由加上觸發(fā)脈沖的時刻來控制的。改變 的大小稱為移相。 的變化范圍稱為移相范圍。因此，改變 就可以方便地獲得可調節(jié)的整流電壓和電流。比較圖2（a）與（b）可見，控制角 越小，則輸出電壓、電流的平均值越大。（2）負載電壓和電流單相半波可控整流電路的負載電壓和電流的平均值，可以用控制角 為變量的函數(shù)來表示。由圖2 可知，負載電壓vo 是正弦半波電壓的一部分，一個周期的平均值為 而負載電流的平均值為        在單相半波可控

31、整流電路中，觸發(fā)脈沖的移相范圍為0°180°。當.時，則晶閘管在正半周內(nèi)全導通，輸出電壓平均值最高，其值為，當 、 時，則晶閘管全關斷，輸出電壓、電流都為零?？梢姡敵鲭妷旱目煽胤秶鸀?。 單相橋式整流電路的工作原理：單相橋式整流電路如圖1（a）所示，圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓vI變成整流電路要求的交流電壓 ，RL是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出

32、，只能經(jīng)過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向導通，D2、D4反偏截止。在負載上產(chǎn)生一個極性為上正下負的輸出電壓。其電流通路可用圖1（a）中實線箭頭表示。在v2的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向導通。電流流過RL時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。其電流通路如圖1（a）中虛線箭頭所示。 圖1 (a) (b)綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端

33、與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖2。由圖可見，通過負載RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動波形。圖2橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。電路的缺點是二極管用得較多。通過對以上兩種整流電路的介紹對比正是由于橋式整流電路的這些特性硬幣識別器所以我選用選用了單相橋式整流電路。 濾波電路濾波電路的分類及幅

34、頻特性：所謂濾波，就是保留信號中所需頻段的成分，抑制其他頻段信號的過程。根據(jù)輸出信號中所保留的頻率段的不同，可將濾波分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等四類。濾波電路的理想特性是：通帶范圍內(nèi)信號無衰減地通過，阻帶范圍內(nèi)無信號輸出；通帶與阻帶之間的過渡帶為零。 無源濾波電路若濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成。如圖所示為RC低通濾波器及其幅頻特性，當信號頻率趨于零時，電容的容抗趨于無窮大，故低頻信號順利通過。 帶負載后，通帶放大倍數(shù)的數(shù)值減小，通帶截止頻率升高。可見，無源濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負載而變化。無源濾波電路結構簡單，但有以下缺點：由于R及C上有信號壓降

35、，使輸出信號幅值下降；帶負載能力差，當RL變化時，輸出信號的幅值將隨之改變，濾波特性也隨之變化過渡帶較寬，幅頻特性不理想。這些缺點不符合信號處理的要求，因而產(chǎn)生有源濾波器。 圖1 圖2 有源濾波電路為了使負載不影響濾波特性，可在無源濾波電路和負載之間加一個高輸入電阻低輸出電阻的隔離電路，最簡單的方法是加一個電壓跟隨器，如下圖所示，這樣就構成了有源濾波電路。R和C為無源低通濾波器，運算放大器接成同相比例放大組態(tài)，對輸入信號中各頻率分量均有如下的關系：Uo=AuduB=1+Rf/R1*uB=1+Rf/R1*1/1+jwRC*ui由上式可以看出，輸入信號頻率越高，相應的輸出電壓越小，而低頻信號則可得

36、到有效的放大，故稱為低通濾波電路。在理想運放的條件下，由于電壓跟隨器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零，因而 僅決定于RC的取值。輸出電壓 = ，負載變化，輸出不變。有源濾波必須在合適的直流電源供電的情況下才能起作用，還可以放大，只適合于信號處理，不適合高電壓大電流的負載。在傳感器接口電路中設置濾波電路可以濾除外界干擾引入的信號，濾波電路或濾波器是一種能是某一種頻率順利通過而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。因傳感器的輸出信號大多是緩慢變化的，因而對傳感器輸出信號的濾波常采用有源低通濾波電路，它只允許低頻信號通過，而不能通過高頻信號。電壓比較器電壓比較器是集成運放非線性應用電路，它將一個模擬量電壓

37、信號和一個參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應用于模擬與數(shù)字信號轉換等領域。圖31所示為一最簡單的電壓比較器，UR為參考電壓，加在運放的同相輸入端，輸入電壓ui加在反相輸入端。 （a）電路圖 （b）傳輸特性圖31 電壓比較器當uiUR時，運放輸出高電平，穩(wěn)壓管Dz反向穩(wěn)壓工作。輸出端電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，即 uOUZ當uiUR時，運放輸出低電平，DZ正向導通，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD，即 uoUD因此，以UR為界，當輸入電壓ui變化時，輸出端反映出兩種狀態(tài)，高電位和低電位。在設計這個硬幣識別

38、器時考慮到要檢測1角、五角、一元三種硬幣所以我在UREF設置了三個設定電壓作為比較是識別功能更完善。表示輸出電壓與輸入電壓之間關系的特性曲線，稱為傳輸特性。 圖31(b)為(a)圖比較器的傳輸特性。常用的電壓比較器有過零比較器、具有滯回特性的過零比較器、雙限比較器（又稱窗口比較器）等。由于單門限電壓比較器的狀態(tài)翻轉的門限電壓是在一個固定值上。而在實際應用時如果實際測得的信號存在外界干擾，即正弦波上疊加了高頻干擾，過零電壓比較器就容易出先多次翻轉，因此我選擇滯回電壓比較器。它的組成如圖1：、 圖11 電路特點：滯回電壓比較器電路是在單值電壓比較7的基礎上增加了正反饋元件Rf和R2。由于集成運放工

39、作于非線性狀態(tài)，那么它的輸出只可能有兩種狀態(tài)：正向飽和電壓+Uom和負向飽和電壓Uom。由圖2（a）可知集成運放的同相端電壓u+是由輸出電壓和參考電壓共同作用疊加而成，因此集成運放的同相端電壓u+也有兩個。當輸出為正向飽和電壓+Uom時，將集成運放的同相端電壓稱為上門限電平，用UTH1表示，則有UTH1=u+=UREF*Rf/Rf+R2+Uom*R2/R2+Rf(6.12)當輸出為負向飽和電壓-Uom時，將集成運放的同相端電壓稱為下門限電平，用UTH2表示，則有UTH2=u+=UREF*Rf/Rf+R2-Uom*R2/R2=Rf（6.13）通過兩式可以看出，上門限電平UTH1的值比下門限電平U

40、TH2的值大。2 傳輸特性和回差電壓UTH 滯回比較器的傳輸特性如圖2(b)所示當輸入信號ui從零開始增加時，電路輸出為正飽和電壓+Uom，此時集成運放的同相端對地電壓為UTH1。當ui逐漸增加到剛超過UTH1時，電路翻轉，輸出變?yōu)樨撓蝻柡碗妷?Uom,這時同相端對地電壓變?yōu)閁TH2,ui繼續(xù)增大時，輸出保持-Uom不變。 若ui從最大值開始下降，當下降到上門限電壓UTH1時，輸出并不翻轉，只有下降到略小于下門限電壓UTH2時，電路才發(fā)生翻轉，輸出變?yōu)檎蝻柡碗妷?Uom。 由上分析可知，該比較器具有滯回特性。我們把上門限電壓UTH1與下門限電壓UTH2之差稱為回差電壓，用UTH表示 UTH=

41、UTH1-UTH2=2UomR2/R2+RF回差電壓的存在，大大提高了電路的抗干擾能力。只要干擾信號的峰值小于半個回差電壓，比較器就不會因為干擾而誤動作。從電壓比較器傳輸出的“高電平”或“低電平”隨即輸入AD轉換器。3.2.6 AD轉換器AD轉換器是一塊集成電路芯片，功能是把采集到的采樣模擬信號量化編碼，并轉換成數(shù)字信號輸出。AD574A芯片的端子功能下圖所示為AD574A為逐次近式A/D轉換器。它突出特點是芯片內(nèi)部包含微機接口邏輯電路和三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與8位、12位或16位微處理器的數(shù)據(jù)總線相連。讀寫及轉換命令由控制總線提供，輸出可以是12位一次讀出或分兩次讀出：先讀高8位，再讀低4

42、位。輸入電壓可有單極性和雙極性兩種。對外可提供一個+10V基準電壓，最大輸出電流1.5mA。有較寬的溫度使用范圍。AD574A采用28端子雙列直插式封裝。芯片端子功能如下。D0D11為12位數(shù)據(jù)輸出；12/8為數(shù)據(jù)模式選擇，此線輸入信號為1時，12條輸出線均為有效；此線輸入信號為0時，12位分成8位和4位輛次輸出；A0為字節(jié)地址/短周期；CS為芯片選擇，當CS=0時芯片被選中；R/C為讀/轉換信號，當R/C=1時，允許讀取A/D轉換結果；當R/C=0時允許啟動A/D轉換；CE為芯片允許。CE=1允許轉換或讀出A/D轉換結果，從此端輸入啟動脈沖；STS為狀態(tài)信號，STS=1時，表示正在A/D轉換

43、；STS=0時，表示轉換完成；REFOUT為基準電壓輸出；REFIN為基準電壓輸入。BIPOFF為雙極性補償。若輸入模擬信號為雙極性則要同時使用此端子；上述端子是AD574A與微處理器連接時主要接口信號線。AD574A的工作控制主要是有控制信號CS，CE，R/C，12/8和A0完成，使AD574A工作于A/D轉換和數(shù)據(jù)讀出兩種不同的狀態(tài)。單片機介紹：單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。它具有集成度高、功能強、可靠性高、結構簡單、易于掌握、應用靈活和價格低等優(yōu)點，在工業(yè)控制、機電一體化、智能儀器、通訊

44、、家用電器等諸多領域得到了廣泛使用。單片機的應用提高了機電設備的技術水平和自動化程度，成為產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要手段。在此介紹一下單片機的結構。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1、2、3、4代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。MCS-51單片機內(nèi)部結構8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接

45、口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表程序存儲器(ROM)：8051共有4096個8位掩膜R

46、OM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器(ROM)：8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。并行輸入輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片

47、機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結構示意圖2。MCS-51的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英

48、振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：如圖3 圖2 圖3(1).主電源引腳Vss和VCCVSS(20):接地;Vcc(40):正常操作時接+5V電源。（2）.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2當外接晶體振蕩器時,XTAL1和XTAL2分別接在外接晶體兩端。當采用外部時鐘方式時，XTAL1接外地，XTAL2接外來振蕩信號。如圖4所示（3）控制引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VppRESET（29）復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位

49、。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)。8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖4。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 圖4ALE/（30）當訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這

50、個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。（29）當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。EA/Vpp（31）程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯

51、然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。（4）輸入輸出引腳P0.0P0.7(3932):P0口是一個漏極開路型準雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉換的地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EROM編程時，它接收指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1.0P1.7（18）：P1口帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。P2.0P2.7(2128):P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。

52、在對EPROM編程和程序證期間,它接收高8位地址。P3.0P3.7(1017)：P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS-51中，這8個引腳還兼有專用功能，這些功能見表1P3各口線與專用功能口線替代的專用功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2/ INTO(外部中斷0)P3.3/ INT1(外部中斷1)P3.4T(定時器0的外部輸入)P3.5T(定時器1的外部輸入)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)在此次設計中用到了8051單片機的全部P0和與P1口中的P0.1以及P2口中的兩個接口。P0口主要是與AD轉換器連

53、接，P2接口中的兩個引腳用來連接作為開關使用的光電耦合器。AD574 和8051 單片機接口電路設計： A/D轉換器與微機接口的主要任務就是按照微機指令進行A/D轉換和將轉換數(shù)據(jù)送入微機的數(shù)據(jù)總線。A/D轉換器在與微機接口時，需要解決的問題：1、 數(shù)據(jù)輸出緩沖問題 微機的數(shù)據(jù)總線是CPU與存儲器和I/O設備之間傳送數(shù)據(jù)的公共通道。因此，A/D轉換器在與微機接口時，要求A/D轉換器的數(shù)據(jù)輸出端是必須通過三態(tài)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連，當未被選中時，A/D轉換器輸出是高阻抗狀態(tài)，以免干擾數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳送。AD574A芯片具有三態(tài)輸出緩沖器，且片內(nèi)控制時序能與微機總線時序配合輸出端，因此可直接與微機數(shù)

54、據(jù)總線相連。2、 產(chǎn)生芯片選通信號和控制信號 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了區(qū)別于其他I/O設備，必須賦予A/D轉換器一特定地址。產(chǎn)生地址信號的譯碼器與地址總線的連接方式，有系統(tǒng)所采用的I/O尋址方式及所擁有的地址總線決定。當系統(tǒng)采用內(nèi)存映像方式時，通常采用部分低位地址線傳送地址碼，可用2-4譯碼器、3-8譯碼器、4-16譯碼器以及它們的組合進行譯碼，并可根據(jù)具體情況選用固定式或開關可選式地址總線相連。3、 讀出數(shù)據(jù) 為了能從A/D轉換器中取出轉換結果，首先需要考慮解決A/D轉換器與微機之間的聯(lián)絡方式問題。其中，與微機之間的聯(lián)絡方式問題，由于A/D轉換須經(jīng)過一定的轉換時間，只有在A/D轉換結束并發(fā)出轉換結束信號后，微機讀出的數(shù)據(jù)才是正確的。為便于微機檢查轉換狀態(tài)的電平變化，系統(tǒng)通常采用查詢和中斷兩種聯(lián)絡方式。在設計A/D轉換器與微機接口電路時，究竟是采用查詢還是中斷方式取決于所用A/D轉換器的轉換時間和用戶的程序安排。一般來說，當A/D轉換時間較短時，宜采用查詢方式；而轉換時間長是宜采用中斷方式。A/D574A與8051單片機連接時可采用查詢法完成依次A/D轉換。程序如下：ORG 0500HSTART： MOV DPTR，#8000H； MOV R0，#OFCH； MOVEX R0，A；LOOP： JB P1.0，