《测试技术与传感器》课件第13章

13.1基于光电原理测量的实例

13.2基于单片机的硬币特征参数检测系统13.1基于光电原理测量的实例13.1.1红外接近觉传感器接近觉传感器主要感知传感器与对象物之间的接近程度，通常用于智能机器人和智能化机器装备。它与精确的测距系统是不同的，但又有相似之处。接近觉是一种粗略的距离感觉，在大多数的使用场合中，只要求给出简单的阈值判断，即接近还是未接近。有时为了一些特殊用途，要求接近觉传感器能够提供分挡的距离感觉，必要时还要求能估算具体的接近距离。对接近觉传感器的要求是:结构和电路简单，成本低，具有较好的可靠性。接近觉传感器在日常生活中也有许多应用的例子，如电子卫兵(猫、狗)、自动感应水龙头和电热吹风机(烘干机)等。接近觉传感器在机器人中主要有两个用途，即避障和防止撞击。前者如移动的机器人如何绕开障碍物，后者如机械手抓取物体时实现柔性接触。接近觉应用的场合不同，感觉的距离范围也是不同的，远可达几米至十几米，近到几个毫米甚至1毫米以下。接近觉传感器根据不同的工作原理有多种实现方式，最常用的有光反射式接近觉传感器、感应式接近觉传感器、超声波接近觉传感器等几种。在这里仅介绍一种红外接近觉传感器。红外接近觉传感器利用目标物体对入射红外光的反射光强弱来检测目标的接近程度。红外反射光强法接近觉的测量原理如图13-1所示。红外发光管发射经过调制的红外光信号，红外光敏管接收经目标物反射回来的红外调制信号，环境红外光干扰的消除由信号解调和专用红外滤光片保证。红外光敏管接收到的红外光强度与目标物的距离、目标物的反射情况等因素有关，当目标物的反射特性不变或变化不大时，则反射光强仅与传感器和目标物的距离有关。图13-1红外光强法接近觉测量原理未做聚光处理的普通红外发光管发出的红外光，经目标物体的漫反射，反射至红外光敏接收管，得到的红外光光强与接近距离成确定的对应关系。设由红外光敏接收管转换电路输出的信号Uout代表反射光强，则Uout是探头至目标物体之间的距离x的函数，即Uout=f(x，p)(13-1)式中，p表示工件的反射系数。当目标物体为反射系数p值一致的同类目标时，x和Uout一一对应。典型的响应曲线为非线性曲线，如图13-2所示。可以通过预先对各种目标物的接近觉距离与红外接近检测电路的输出电压进行实验测量，形成两者之间的标定数据。实际使用时，可以根据测量系统的输出电压，通过插值推算出接近距离x。图13-2接近觉响应曲线反射系数p与目标物的表面颜色、粗糙度等因素有关，当目标物颜色较深、接近黑色或透明时，反射光很弱。若以输出信号达到某一阈值作为“接近”时，则对不同目标物，“接近”的距离是不同的。红外光强法接近觉对大多数目标物是能找到“接近”感觉的，所以这一并不精确的简单测距系统用做机器人的接近觉或用于智能化机械的接近控制是能够胜任的。本应用实例是一个安装在机器人手爪上的指间接近觉传感器，实验系统用φ2mm的红外发光管GL-2和红外光敏接收管3DU21组成发射、接收对管，用φ2.5mm的金属套筒封装，制成的接近觉探头尺寸为φ2.5×8mm，接近距离约为8～15mm。为了提高红外接近觉传感器的抗干扰能力，接近觉传感器采用了红外发射光调制和接收光信号解调的方法，调制信号设定为占空比为50%、频率为1kHz的方波，由时基集成电路NE555组成的电路产生方波信号。红外发射电路的功率设计成可调的形式，便于适应不同功率的红外发射探头。调节“接近”距离的方法有两种，一是改变红外光敏接收管电路输出的“接近”阈值，二是调节红外光的发射功率。接收到的红外光信号由转换电路输出对应的电压信号，再由调制信号控制模拟开关CD4066实现接收信号的解调，滤去其它干扰信号。图13-3所示为发射功率可调的红外调制光发射电路。图中，NE555和R1、R2、C1、C2构成振荡电路，当R1＝235Ω，R2＝2.7kΩ，C1＝0.33μF，C2＝0.047μF时，NE555的3端输出1kHz左右的方波信号，其中，可由R1完成占空比的调节。输出信号经7406反向器后控制V2，并作为同步解调信号1至解调电路；另一路再经反向控制V1，并作为同步解调信号2至解调电路。同步解调信号1和同步解调信号2互为反相，当同步解调信号1为高电平时，红外发光管发光。所以，V1、V2是轮流导通，使接于V2回路的红外发光二极管VD1按调制信号的频率断续发光。发光的电流由V3控制，V3的控制端接可调电阻R6，R6、R8、VD2构成稳压电路，调节R6使运放A1的正向输入端电位发生变化，进而可使R5的电位变化，当其电压调高时，R5的电压上升，流经红外发光管VD1的发射电流增大，从而达到调节发射功率的目的。图13-3发射功率可调的红外调制光发射电路接近觉的接收电路如图13-4所示。红外反射光经光敏管VD2接入由A2组成的初级放大电路负向输入端，当有红外光入射时，反馈电阻R9上的电流改变，A2的输出电压U2随之改变。由A3组成的电路是一个反向放大器，放大倍数为-1。图中，R11＝R13＝10kΩ。U2输出分两路,一路至A3反向器的输入端，由A3输出U3＝-U2，另一路接双向模拟开关CD4066B。该双向模拟开关由同步解调信号2控制，当该信号为高电平时，CD4066B导通，而此时恰好是红外发光管不发光的半周期，所以，此处接入的是红外发光管不发光时光敏管接收到的信号。当同步解调信号2为低电平时，CD4066B截止，等同于该线路断开，此时恰好是红外发光管发光的半周期。由R14、R15、R16、R17、A4组成的反向加法电路放大的是U3、U2两路信号的叠加，这两路信号分别由CD4066A和CD4066B控制。假设调制信号的前半周期是同步解调信号1为高电平，同步解调信号2为低电平，此时U3输出与R15接通，U2输出与R14断开。与之对应，后半周期同步解调信号1为低电平，同步解调信号2为高电平，U3输出与R15断开，U2输出与R14接通。假定干扰信号是一种稳定的直流信号，这在通常情况下都是如此，比如固定的日光或灯光照射所引发的红外干扰。所以，U2输出中既包含了接近觉的方波响应(方波的高度对应接近距离)，也包含了干扰红外光所对应的干扰电压。从电路知，U3是U2的反向，所以由R14、R15组成的加法输入端在调制信号前半周期时，CD4066A导通，CD4066B截止，A4输入端只有U3信号，即输出信号Uout是接近觉响应信号和干扰信号的叠加；同样，后半周期A4输入端只有U2信号，即输出信号Uout是反向的干扰信号。所以，干扰信号在前后半周期相互抵消，接近觉信号则完全被保留了下来，该信号经低通滤波后，可以得到与接近距离对应的电压响应信号Uout。图13-4红外光接收与信号解调电路图13-5是信号调制、解调过程的波形图。图(a)是发射电路输出的调制信号(同步解调信号1)，前半周期是高电平，对应红外发光管的发射，后半周期是低电平，此时红外发光管不发光。图(b)是接近觉探头离目标物的距离变化曲线。图(c)是接近觉响应信号Us，只有在红外发光管发光时才有输出响应，其频率与调制信号频率相同，幅值与接近距离的变化曲线一致，图中的虚线是接近距离变化的曲线。图(d)是接近觉信号与干扰信号的叠加。通常，在红外接近觉传感器中，最常见的干扰源是日光和灯光，日光或照明光线中的红外光是稳定的，不会随着调制信号的频率而改变，所以可以假定干扰为一个恒定输出，亦即该干扰信号将接近觉响应信号同步抬高了一个电平值Uc。图(e)是解调后的输出，如前所述，由于A3放大器的反向作用和调制信号对CD4066模拟开关的控制，A4输出信号Uout在前半周期是接近觉响应信号与干扰信号的叠加，在后半周期中只有(反向的)干扰信号，经A4放大后，干扰信号为幅值相同、方向相反的两个信号，其平均值为零。图(f)是解调后的接近觉信号经低通滤波后的输出，相当于对信号取平均值，该平均值再现了接近距离的变化，由于信号的调制频率远高于接近距离的变化频率，所以滤波后的高频干扰并不明显。图13-5接近觉信号调制解调过程的波形图设接近觉响应信号为Us，干扰信号为Uc，解调后的信号为前半周期：U1=Us+Uc

后半周期：U2=-Uc

后续的低通滤波电路使输出变为Uout=Us+Uc-Uc=Us(13-2)从而得到与接近距离变化一致的输出曲线。接近觉传感器在实际使用前，针对特定的目标对象物体，需要进行接近觉的标定，在实验测得接近距离与输出电压之间对应数据的基础上，绘成表格或曲线，确定接近阈值点。实际使用时，通过接近觉的输出电压与阈值点的比较，输出接近觉信息，或查表得到对应的接近距离。13.1.2热释电红外传感器

1.热释电红外传感器的基础知识自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度(-273℃)，就总要不断地向外发出红外辐射。物体向外辐射的能量与物体的温度有关。在单位面积、单位时间内向外辐射的能量W为W=εσ·T4(13-3)式中：σ为波耳兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·K)；T为物体的热力学温度，单位为K；ε为辐射比例，一般物体的ε＝0～1，ε=1的物体是黑体。由式(13-3)可知，红外辐射的能量与物体的温度成高次方关系，对温度极为敏感。假定物体红外辐射的峰值波长为λm，温度为Ｔ，由维恩位移定律知λmT=2897.8μm·K±0.4μm·K(13-4)

两者的乘积是恒定的，所以物体的温度越高，它所辐射的红外光峰值波长就越小，由式(13-3)可知其红外辐射的能量也越大。某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘钛、钽酸锂等，极化后有残余极化现象，当物体受到红外辐射时，其温度升高，极化强度降低，表面电荷减少，相当于释放了一部分电荷，这种现象称为红外辐射的热释电效应。温度高于绝对零度的物体，所发出的红外辐射光，照射到铁电体敏感材料上，引起敏感材料温度的变化。热释电输出信号的大小取决于铁电体材料温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射光的强弱。当恒定的红外辐射照在由铁电体制作的热释电传感器上时，传感器是没有信号输出的，只有当铁电体温度处于变化中时，才有信号输出，所以必须对红外辐射进行调制，使其呈脉冲式入射或交变入射，不断地引起传感器中铁电体温度的变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。

2.热释电红外测温仪红外测温仪通过探测目标物的红外辐射并测定其辐射强度，来确定目标物的温度。图13-6是目前常用的红外测温仪的组成框图。它由光学系统、光信号调制器、前置放大电路、信号处理电路、指示器等组成。它的光学系统是一个固定焦距的透射系统，物镜为锗透镜。安装时应保证其热释电材料的光敏面落在透镜焦点上。为了测试指定位置目标物的温度，常用可见光光斑来指示光学系统集光的区域。光信号调制器是一个旋转的调制盘，由微型步进电机带动调制盘旋转。目标物辐射的红外光通过光学系统到调制盘后，调制盘的旋转使入射的稳定红外光转化为到光敏面上的强弱变化的调制光，热释电传感器将交变的红外光变换为交流信号输出，交流信号的幅值与入射红外光的强度成正比。图13-6红外测温仪组成框图前置放大器有两个作用:一是进行阻抗变换；二是将微弱的热释电信号放大。解调电路包括选频放大和同步检波。选频放大的目的是只放大调制盘调制的频率信号，这样可抑制其它频率的噪声。同步检波电路相对复杂，由倒相器、全波同步检波器、采样保持电路、滤波器电路等组成。其作用是将交流输入信号转换成峰值的直流输出信号。加法器的作用是将环境温度(变化)信号与测量信号相加，达到对环境温度补偿的目的，因为经过调制的交变辐射是目标与调制盘环境温度的差值。

比辐射率(ε)调节电路实质上是一个放大电路，测温仪出厂前都是用黑体(ε=1)标定的，当被测目标不是黑体(ε<1)时，测量信号相对减小了。该电路的作用是把测量信号相对减少的部分又恢复起来。由热释电红外测温的原理知，物体的红外辐射与温度是四次方关系。为了得到输入输出的线性关系，这里的线性化电路为一开方电路，通过对数变换、乘法、取反对数达到开方的目的，其中乘法系数就是开方的方次。信号经线性化后的测量信号与温度呈线性关系。线性输出经A/D转换后送指示器显示出测量的温度值。

3.热释电人体探测传感器目前广泛应用的自动开关门传感电路就是应用热释电人体探测传感器的原理制作的。用高热电材料制成一定厚度的薄片，并在其两面镀上金属电极，然后加电进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。图13-7是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用。对于辐射至传感器的红外辐射光，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，因此传感器会输出探测信号电压。用来制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为2～20μm，覆盖了人体辐射的红外波长。由维恩位移定律知，人体体温恒定，所以辐射的红外光峰值波长也基本确定，这为区分人和其它的移动物体创造了条件。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，在传感器的窗口上加装干涉滤光片。这种滤光片除了允许某波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。图13-7双探测元热释电红外传感器的结构示意图菲涅尔透镜是人体热释电红外传感器不可缺少的组成部分，其作用一是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外敏感元上，二是产生交替变化的红外辐射光，以适应热释电敏感元的敏感要求。菲涅尔透镜一般用塑料制造，先将塑料加工成薄镜片，然后对镜片进行棱状或梳状处理，使镜片成为高灵敏区和盲区交替出现的透镜。在使用时，将热释电传感器安装于透镜的焦点区，这样当有人在镜前移动时，其辐射的红外线就会通过透镜形成高灵敏区和盲区交替出现的红外辐射，并传到传感器的敏感元上，使敏感元产生交变的电脉冲信号，并通过阻抗变换器的变换完成输出。图13-8是一种菲涅尔透镜的外形和监视范围。图13-8菲涅尔透镜外形及监视范围(a)外形；(b)垂直监视范围；(c)水平监视范围侧视图和俯视图反映了透镜的监视范围，当有人在这一范围移动时，菲涅尔透镜就会将透镜形成的强弱不断变化的红外辐射光作用于传感器。由于人的移动速度不可能相同，因此形成具有一定频率的红外辐射交变电脉冲，频率一般在0.1～10Hz范围内。热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱，通常仅有1ｍV左右，而且信号电压呈脉冲形式。要使它能够驱动负载，必须采用一个增益足够高的放大器将其放大。一般要求放大器的增益为60～70dB，放大器的带宽为0.3～7Hz。放大器的带宽对它的可靠性和灵敏度有很大影响。带宽窄，则噪声低，误动作率低；带宽宽，则噪声大，误动率高，但对人体移动速度的变化响应好。所以，放大器的实际带宽并非按照人体移动产生的信号频率0.1～10Hz确定，而是在两头都做适当缩减，主要是为了降低误判率。可以用由常规分立器件组成的放大电路对热释电信号进行放大，但因为信号微弱，且传感器的输出阻抗很高，分离器件组成的电路较难取得理想的输出，所以热释电传感器一般采用通用或专用的集成放大电路。这里介绍两种控制电路SS0001和HT7600。

SS0001是一种通用型传感器控制电路，它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配，而且也能和其它多种传感器进行匹配。它的内部是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定时间控制器和禁止电路等组成的，如图13-9所示。图13-9SS0001通用型传感器控制电路(a)电路图；(b)引脚图该电路各引脚的具体功能如下：

(1)脚A为触发方式控制端，当A＝1时，电路可重复触发；当A＝0时，电路不可重复触发。

(2)脚Uo为控制信号输出端，当有传感信号输入时，Uo输出高电平。

(3)脚Rx和脚Cｘ为输出定时控制器Tx的外接元件端，定时时间为Tx=50×103RxCx。

(4)脚Ri和脚Ci为锁定时间控制器Ti的外接元件端，锁定时间Ti=24RiCi。

(5)脚RST为参考电压及复位端，使用时一般接UDD。

(6)脚UC为触发禁止端。当UC＜UR时，禁止触发；当UC＞UR时，允许触发。其中UR由内部电源提供，UR＝0.2UDD。

(7)脚IB为偏置电流设置端，由外接电阻RB接USS端，RB一般取１MΩ。

(8)OUT２和IN２-分别为第二级运放的输出端和反相输入端。IN1+和IN1-分别为第一运放的同相和反相输入端。OUT1为第一级运放的输出端。UDD、USS分别为电源的正、负端。图13-10是一个典型的应用电路。在SS0001的内电路中，运放A1是一个独立的放大器，由它放大后输出的信号电压通过外接耦合元件输入A2，进行第二级放大。运放A3与A4组成双限窗孔比较器，窗孔比较器的基准电压由内部设定；上限基准电压UH设定为0.7UDD，下限基准电压UL设定为0.3UDD。当使用5V电源时，UH-UL＝5×0.7-5×0.3＝2V，因此该比较器可以有效地抑制±１V的干扰电压。A5也是一个比较器，主要用来组成光控电路和开机延时电路等，它的基准电压UR由内部设定为0.2UDD，加在A5的反相输入端。当A5的输入端电压UC高于UR时，A5输出高电平，与门F2被打开，使与门F1输出的检测脉冲送入状态控制器。通过状态控制器将定时控制器触发，定时开始，定时时间Tx＝50×103RxCx。定时控制器实际上是一个单稳态触发器，可选择两种工作方式。第一种工作方式为可重复触发方式，需将A端置于高电平，这时，当定时控制器开始工作后又有新的触发信号输入时，该定时器便重新开始计算定时时间，并继续延时一个定时时间Tx。如果不断有新的触发信号输入，定时器便一次次地进行延时，直到最后一个Tx为止。在定时延续的时间内，SS0001的输出端Uo脚一直输出控制信号(高电平)。可重复触发工作方式特别适合于照明控制、电风扇的控制等连续工作的控制。当A端为低电平时，电路为不可重复触发的工作方式。在这种工作方式下，在Tx的定时时间内，若有新的触发信号输入，定时器则不作响应，一直到该定时时间结束。这种工作方式适用于报警或一次性工作的场合。图13-10SS0001通用型热释电传感器典型应用电路

SS0001还有一个锁定控制器，当定时控制器定时时间结束时，其输出的下降沿将锁定触发器触发，使其进入暂稳态，其暂稳时间Ti＝24CiRi。在Ti时间内SS0001对任何信号都不作响应。锁定控制器的作用是消除在切换负载过程中产生的各种干扰，提高电路的工作可靠性。

HT7600系列热释电红外控制集成电路是一种专用的热释电红外控制电路，该系列产品有HT7603、HT7605、HT7606、HT7610、HT7620、HT7630等。该系列电路的特点是功耗较低，性能较高，具有自动光控功能，白天自动进入待机状态。另外，还具有开机延时功能(开机后自动延时3～5s，便于操作人员退出控制区)、触发延时功能(确认0.5s后报警，以减少误报)、增益调节功能、电源快速恢复功能、测试复位功能等。它不仅功能丰富，而且外接元件也较少，仅十余只(不包括电源)，因此组装方便，故障率低。在驱动、输出方面，能分别驱动继电器、双向可控硅和发光二极管等，可以根据不同的需要进行选型。输出接口既可单独使用，又可同时工作，互不干扰，这大大方便了使用者。不论是继电器还是双向可控硅输出，都可根据需要选择驱动时间。专用电路的接法非常简单，图13-11是HT7603A热释电红外集成电路控制继电器输出的连接方法。图13-11HT7603A热释电红外集成电路控制继电器输出的连接方法13.2基于单片机的硬币特征参数检测系统基于单片机的硬币特征参数检测系统是一个综合了传感器、电子线路、单片机等方面知识的典型应用实例。13.2.1投币机的工作原理硬币自动检测系统已经在许多场合得到应用，例如，投币电话、自动售货机、无人售票机、无人值守的游戏机，等等。这种系统一般要求快速准确地测出硬币币值，能正确区分真伪硬币，并根据系统的设定完成相应的工作任务。下面介绍一种由电感传感器检测硬币特征参数，用单片机做控制单元进行硬币检测、数据显示和输出控制的系统，该系统曾被应用于一套基于投币机的场景自动控制系统，当所投硬币满足一定币值(累加值)时，完成场景自动控制系统设定的任务，任务完成后，系统回到初始状态。该系统的组成框图如图13-12所示。图13-12投币检测和单片机控制电路系统组成框图投币机是硬币投入和收集的装置，同时完成对所投硬币的自动检测，包括硬币真伪的判别和硬币币值大小的判断。图13-13是投币机的结构示意图。它有一个入币口和两个出币口，入币口通道中设置了一路对射的光电开关，以检测是否有硬币投入，在硬币行进的过程中，对射的光路被切断，可以判断是否有硬币投入。两个出币口分别为真币和假币出口，真币被收集，假币(或不能识别的硬币)出口设置在外侧，做退币处理。入口到两个出口的“Y”形分叉处偏下的地方，设置两个电磁挡铁，在不通电时，带弹簧自回复电磁铁的顶端分别抵住两个出口通道，当硬币到达“Y”形分叉处时，硬币被定位。“Y”形分叉处的两侧挡板上布置了两个串接的线圈，用于检测电感的变化。当有硬币在分叉处停留时，硬币的材质、大小、厚度等因素将影响线圈的输出电感。本装置适用的被测硬币是壹圆和伍角，它们对应的电感基本恒定。如果是假币，电感的离散度会比较大，所以，壹圆、伍角和假币能容易地被识别出来。如果是真币，对应真币的出币口电磁铁通电，真币通道开启，硬币导入真币出口；反之则导入假币出口。图13-13投币机结构示意图图13-13中，光电开关的作用是当硬币投入投币口后，滑入通道导致光线遮挡，输出低电平，在单片机中断口触发中断，通知单片机对投入的硬币进行特征检测。光电开关的检测电路如图13-14所示。发光二极管的发光电流I＝15～20mA，无硬币投入时，光线直接照射光敏管，光敏管两端电压为低电平，反向器40106输出高电平，硬币投入导致光线遮挡，40106输出一个低电平脉冲，引发中断。图13-14光电开关检测电路检测线圈检测硬币特性参数的原理如图13-15示，两个线圈同向绕线50～100匝，串接在一起，分别置于投币机挡板的两侧。待检测的硬币进入“Y”形分叉处时，将被定位于两个线圈的中间，因为硬币通道被设计成恰好让硬币通过的厚度和宽度，使硬币在线圈之间的位置相对固定，所以同一币值硬币对应的特征参数——电感也相对固定。图13-15线圈检测硬币特征参数示意图13.2.2硬币特征检测传感电路图13-16是硬币特征参数检测传感器转换电路。其初级电路实际上是一个电容反馈式LC振荡电路。V1构成基本的放大电路，L、C2与放大电路构成LC振动器，即C2两端的电压由反馈电容C1形成正反馈，导致自激振荡，上电后就产生振荡信号，振荡信号的频率为

(13-5)图13-16硬币特征参数检测传感器转换电路

V1产生的振荡信号由V2完成阻抗变换。V3、V4完成振荡信号的放大，最后由40106反向器完成整形，产生方脉冲信号输出，脉冲信号的频率为振荡信号的频率。由于L就是检测硬币特征的电感值，因此硬币的特征参数通过脉冲信号的频率反映出来。在这里，传感器转换电路的输出信号是频率，可以直接接入单片机的定时计数器端口，省却了A/D转换电路，电路更加简单。为了使传感器输出的方脉冲能够被单片机计数器捕捉，对输出脉冲的频率和宽度有一定的要求，频率不能太高，脉冲宽度也不宜过窄，具体可根据所采用的单片机的性能指标及时钟频率等因素确定。

40106反向器完成正弦信号到方波信号的整形输出，其波形整形的过程如图13-17所示。图中，Ui为振荡器输出，是一个正弦波，Uo是整形后的方波输出。UT+和UT-分别是具有回环特性反向器的高电平触发信号和低电平触发信号。图13-17正弦波的整形过程单片机控制电路相对简单，该系统主要完成以下几方面的功能:

(1)连接来自传感器的接口，包括以方脉冲表示的硬币特征值(频率)和投币中断信号;

(2)与字符型液晶显示器接口；

(3)控制真假币出口的输出信号和驱动电路；

(4)控制外接电器的输出信号和继电器驱动电路;

(5)控制单片机工作所必需的其它外围电路。13.2.3基于单片机的投币机检测与控制投币机以单片机为控制器的基本电路如图13-18所示，该系统以ATMEL自带Flash程序存储器的89C51为核心。来自传感器的信息为投币中断I和特征脉冲T(表示硬币特征的频率信号)，连接线各一根，分别接入中断INT1和计数器T1。单片机的三个端口分配如下:P0口用做液晶显示器的数据输入输出接口；P1口分为三部分，其中P10、P11作为电磁铁控制端口，P12、P13、P14分别作为液晶显示器的控制信号线E、R/、RS端口；P15、P16、P17为键值读入线，完成对系统一些特征值的设置；P2口单纯作为对外部电器控制的信号输出端口，可以控制多达8个中间继电器。图13-18投币机以单片机为控制器的基本电路控制真假币出口的电磁铁是特别制作的，其工作电压为12V，功率为20W，确保动作的可靠性。为了防止电磁铁工作对单片机的干扰，用光偶对控制信号进行隔离，图13-18中，画出了其中一路电磁铁的驱动控制电路。12V电源与单片机、液晶显示器的工作电源UCC是完全隔离的。由于电磁铁的工作电流可高达2A左右，因此驱动电路中用功率型场效应开关管做驱动管，电磁铁两端并接二极管进行保护。继电器驱动