硬币识别设计

1、. 精品 目录 第 1 章 绪 论 .1 1 1.1 硬币与识别器的发展 .1 1.1.1 硬币的发展 .1 1.1.2 硬币识别器的发展与分类.4 第 2 章 总体设计方案 .6 6 2.1 总体设计思路 .6 6 2.2 总体方案的确定 .6 第 3 章 电路与程序设计 .9 9 3.1 电路设计 .9 3.2 各组成电路原理与应用 .10 3.2.1 电桥电路 .10 3.2.2 测量放大电路 .11 3.2.3 整流电路 .13 3.2.4 滤波电路.17 3.2.5 电压比较器 .19 3.2.6 ad 转换器 .22 3.2.7 单片机介绍： .23 3.2.8 ad574 和 8

2、051 单片机接口电路设计： .28 3.2.9 光电耦合器 .31 3.3 机械部分设计.32 结束语 .33 参考文献 .33 . 精品 第 1 章 绪 论 1.11.1 硬币与识别器的发展硬币与识别器的发展 1.1.1 硬币的发展 中国是世界上最早使用货币的国家之一，使用货币的历史长达五千年之久。 中国古代货币在形成和发展的过程中，先后经历了几次重大的演变： 1、由自然货币向人工货币的演变 在中国的汉字中，凡与价值有关的字，大都从“贝”。由此可见，贝是我国最早 的货币。 随着商品交换的迅速发展，货币需求量越来越大，海贝已无法满足人们的需求， 人们开始用铜仿制海贝。铜贝的出现，是我国古代货

3、币史上由自然货币向人工货 币的一次重大演变。 随着人工铸币的大量使用，海贝这种自然货币便慢慢退出了中国的货币舞台。 2、由杂乱形状向规范形状的演变 从商朝铜贝出现后到战国时期，我国的货币逐渐形成了以诸侯称雄割据为特色的 四大体系，即：铲币、刀币、环钱、楚币。 秦统一中国后，秦始皇于公元前二一年颁布了中国最早的货币法“以秦币同天 下之币”，规定在全国范围内通行秦国圆形方孔的半两钱。 圆形方孔的秦半两钱在全国的通行，结束了我国古代货币形状各异、重量悬殊的 杂乱状态，是我国古代货币史上由杂乱形状向规范形状的一次重大演变。秦半两 钱确定下来的这种圆形方孔的形制，一直沿续到民国初期。 3、由地方铸币向中

4、央铸币的演变 元鼎四年，汉武帝收回了郡国铸币权，由中央统一铸造五铢钱。从此确定了由中 央政府对钱币铸造、发行的统一管理，这是中国古代货币史上由地方铸币向中央 铸币的一次重大演变。 唐高祖武德四年（六二一年），李渊决心改革币制，废轻重不一的历代古钱，取 “开辟新纪元”之意，统一铸造“开元通宝”钱。开元通宝一反秦汉旧制，钱文 不书重量，是我国古代货币由文书重量向通宝、元宝的演变。 . 精品 开元通宝钱是我国最早的通宝钱。此后我国铜钱不再用钱文标重量，都以通宝、 元宝相称，它一直沿用到辛亥革命后的“民国通宝”。 4、由金属货币向纸币交子的演变 北宋时，由于铸钱的铜料紧缺，政府为弥补铜钱的不足，在一些

5、地区大量地铸造 铁钱。据宋史记载，当时四川所铸铁钱一贯就重达二十五斤八两。在四川买 一匹罗（丝织品），要付一百三十斤重的铁钱。铁钱如此笨重不便，纸币交子就 在四川地区应运而生。交子的出现，是我国古代货币史上由金属货币向纸币的一 次重要演变。 交子不但是我国最早的纸币，也是世界上最早的纸币。 5、由手工铸币向机制纸币的演变 清朝后期，随着国外先进科学技术的逐渐传入，光绪年间已开始在国外购买造币 机器，用于制造银元、铜元。后来，广东开始用机器制造无孔当十铜元。因制造 者获利丰厚，各省纷纷仿效。 清末机制货币的出现，是我国古代货币史上由手工铸币向机制货币的重林演变。 从此，不但铸造货币的工艺发生了重

6、大变化，而且使流通了二千多年的圆形方孔 钱寿终正寝 人类铸造和使用金属硬币已有相当悠久的历史了。在没有发明和使用金属硬 币以前，人们曾经用形形式式的自然物来充当商品交换的等价物货币，如贝 壳、龟板、兽皮、禽畜、粟米、珠玉、兵器（大刀） 、农具、布帛等等。后来， 人们在长期的商品交换中发现金属作为货币具有无与伦比优越性，随着商品经济 的不断发展，金属货币诞生了，并迅速取代了自然物货币和商品货币。最早充当 货币的金属是金和银，最初的金属币是没有固定的形状和重量的，中国是使用金 属货币最早的国家之一。在相当长的时间里，金银作为货币使用时，每块金、银 的形状和重量没有一定的规定，一般都被铸成饼状或锭状

7、，严格地讲，它们还没 有完全脱离商品货币的形态，一方面它被作为货币使用，另一方面它仍然还是一 种商品，当人们把它们作为货币使用时，还需要用秤来衡量它们的重量和鉴别它 们的成份。我国古代，很长时期以来主要是用金属铜（锡青铜）来铸造钱币，其 它还有用铁或铅来铸钱（如王莽时期所铸的铁钱） ，金银一般是在进行大宗交易 时才被使用，其主要功能是作为收藏、赠与和赏赐之用。 到了近代，随着工业革命的兴起和发展，出现了用机器制造金属硬币的技术， 用金银来制造硬币也得到了迅速的发展，特别是银币更是得到了广泛的流通和使 用。后来，人们感到金银的价格日益昂贵，就出现了用纯镍和铜镍合金来制造硬 币，以作为银子的替代物

8、。 现在，世界各国用于制造硬币的金属材料越来越广泛，除了传统的金和金合 . 精品 金、银和银合金、镍和镍合金、铜和铜合金、铝和铝合金以外，还出现了镍铁复 合材料、铜铁复合材料、钢芯镀镍材料、钢芯镀铜材料、锌芯镀铜材料等等，这 些材料统称为包复材料。此外还有用不锈钢材料制造硬币的。 . 精品 随着社会经济的不断发展城市的经济水平大幅度的提高，人们的收入也提高了不 少，生活水平迅速提高。人们的思想也在进步，事物都有两面性，一些人在积极 进取，而另外一些人则在投机取巧做着损人利己的勾当，为了获取暴利和满足自 己的欲望假币制造变成了他们的职业。所以假币的出现扰乱了市场经济，国家也 在严厉地打击中，验钞

9、机的发展也使假钞毕显原型。但是验钞机也不能应用在各 种设备上。因此对于某些事业机构需要专业的设备对假币进行鉴别。 1.1.2 硬币识别器的发展与分类 随着社会的进步人们的生活水平有了很大的提高，人们为了方便出行掀起了 买车风暴于是私家车的数量猛增，但是反而是适得其反，就是因为私家车数量太 多导致了能源的消耗加速加量，更使得交通拥挤，人们也意识到了这些问题。于 是政府大力倡导人们出行选择公交。 政府为了便于人们乘坐公交车，大力发展城市的公交系统，而为了让乘客便 于到站下车城市公交车上安装了语音报站系统，刷卡器，由于刷卡并不是人人都 能接受于是公交车上也保留了投币箱便于还没有使用公交卡的乘客使用零

10、钱。 这种系统完全可以由驾驶员一人操作，于是通常的一人驾驶一人卖票报站的 公交车大都转变为了无人售票车，这也象征着人们素质的提高。但是这也给那些 偷奸耍滑的素质低下的乘客有了可乘之机，为了逃票，游戏币、假硬币、假纸币 变成了他们的乘车道具。正是由于这些原因公交公司每天、每月、直至每年要损 失高达数万元万人民币。为此公交系统急切的需要与公交车配合使用的人民币识 别器以用来对付假币！正所谓道高一尺，魔高一丈。只要这一装置配备了整个公 交系统那就可以毁灭某些乘客的侥幸心理，不给他们任何的可乘之机。 这一技术普及后不只是应用在公交车投币系统中，也可应用在自动售货机、 自动投币饮水机、投币游戏机等等设备

11、中。硬币识别器的种类也是多种多样的， 发展也是越来越先进在中国，硬币识别器的技术已经成熟，采用传感器技术与光 电子技术和电磁技术对硬币的几何参数和材质进行检测使得识别器达到了很高的 精度，即使是硬币的表面有很多污垢也能准确地辨别出真假。 在中国与投币器配套使用的仪器和设备数量庞大且种类繁多。投币器需要适 应市场的需求因此必须添加硬币识别器。硬币识别器的种类并不多，硬币识别器 是以其检测硬币哪方面特性进行分类的：最常见的硬币识别器有：单一式硬币识 别器和复合式硬币识别器，而单一式硬币识别器又可分为几何参数识别器、材质 识别器。几何参数识别器主要是检测硬币的直径与厚度，在此类硬币识别器的发 . 精

12、品 展过程中直径的检测方法有了新的改进，老式的识别装置用光电管队列来识别直 径，如果排列组合得当的话，识别精度也不低于 . 精品 0.5mm。现在改进后的识别器都用偏心或异型线圈来测量，依据是直径小的 硬币与线圈的重合部分也少，由此也带来频率变化的不同。 复合式传感器的传统识别原理为：硬币通过投币入口进入由电感和电容组成 的特定高频振荡线路所产生的磁场时,金属材质和体积的差异对电感量的影响大 小也出现微弱差异,电感量的变化引起振荡频率的变化;再通过检测频率的变化, 与设定值进行比较,确定某种硬币种类后,经窄带选频电路将频率信号变成电压信 号输出,完成对金属硬币的识别.由于复合式识别器的价格适中

13、、结构简单、识别 精度比较高并且能广泛应用因此许多企业和有关部门都采用此类识别器。但是我 在设计复合式硬币识别器时原理有所改进：我设计的硬币识别器的电路结构原理 是直接利用硬币对平板电容传感器与电感传感器的电容或电压的参数变化转换为 电压信号，再通过对与真硬币对这两类传感器参数的改变设定的电压值作比较完 成对金属硬币的识别。 第 2 章 总体设计方案 在确定硬币识别器总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要 遵循的一些基本原则，从而使设计方案更合理。 2.12.1 总体设计思路总体设计思路 设计硬币识别器大体上可分为两个阶段： 1、系统分析阶段 根据系统的目标，明确所采用硬币识别器的

14、目的和任务。 分析硬币识别器所在系统的工作环境。 根据识别器的工作要求，确定其的基本功能和方案。如识别器的材料选 择、识别范围、存储量、识别精度的要求以及对温度、震动等环境的适应性。 . 精品 2、技术设计阶段 根据系统的要求确定识别器允许的空间工作范围，一般来说硬币识别器 的体积比较小，且与投币器结合使用因此并不会占用很大的空间； 拟订硬币识别器的识别流程图； 选择具体电路结构，进行识别器总电路图的设计； 进行硬币识别器的整体和机械部分的设计 绘制硬币识别器的零件图，并确定尺寸。 2.22.2 总体方案的确定总体方案的确定 1、我们希望它整体不要太大，可以安置在仪器设备上，即小型化、轻型化。

15、 在设计此识别器时我就已经考虑到了其整体外观大小和内部结构相配合。由于在 电路设计方面我使用的方案是：“各个电路分开连接”其特点在于各个电路可以 依照识别器外壳的形状结构来改变所处的位置，其缺点是各个电路比较分散，占 用空间比较广；优点是能灵活改变电路布局。 2、为节约开支，要求成本低。首先对于制造硬币识别器外部与机械部分的材 料来言：外壳与投币通道最好是使用塑料，首先投币通道连接有两种传感器，这 样可以防止漏电，防止金属外壳对于传感器的电磁干扰；其次又能使设备的总重 量减轻。因为我所设计的分币器是由电磁铁吸引摆动的，所以电磁铁的吸引重量 是选用材料的前提。机械部分（既分币器）的设计要依据微型

16、电磁铁的具体参数 来定（这在下文机械部分设计中回详细介绍） 3、电路设计有可行性。在设计本设备的电路时，首先我想到的是如何将真假 硬币用电子检测的方法区分出来于是我选用了两种应用广泛的传感器： （公式 1） 为空气的介电常数（已知为 1） （公式 2） 平板电容变介质电容传感器和电感传感器。通过真假硬币通过两种传感器时电 0 0 a c d 12 12012 1111 () rr aa ccca 总 0 12 12rr a c aa 总 . 精品 （公式 3） 容和电感参数的改变量不同来辨别。 电容传感器：当未投入硬币时电容中的介质为空气 当真硬币从变介质电容传感器通过时电容发生改变，则通过（

17、公式 3）可以算 出来。 （真硬币的介电常数与厚度已知）可以计算出电容的改变量。再将电容改变量转 换为电压，这样这个参数就可以作为电压比较器的设定电压，可以与其他硬币通 过传感器是的变换参数做对比。从以上的公式也可以看出电容传感器可以通过材 质和厚度检测硬币的真假；对于电感传感器原理与电容传感器相似。原理分析清 晰后需要设计信号的传输、放大、转换、控制等电路，由于拥有这些功能的电路 是多种多样的因此需要从功能范围、电子元器件、工作环境的范围、信号的 传 输特性等方面做对比然后才能选择合适的电路。 4、电源的设计：在我设计的这个硬币识别器中使用的电源为 220v 的交流电， 但是对于某些电路来说

18、显然太大因此在电源上我连接了一个双线圈变压器使其变 为 12v 和 15v 的电压，这两个变小了的电压分别连接在微型电磁铁和 ad574a-ad 转换器上使其能够正常工作。在需要将交流电转换为直流电的时可以直接连接一 个整流电路就可以了。信号的改变、放大、以及能否输入单片机控制电路都需要 选择正确的电路。因此我查阅了很多资料使得此次设计有充分的可行性。 5、在满足前四点的要求下，尽可能的要造型美观。造型的美观就主要在于 外壳的设计由于外壳的材料我选用的是塑料，塑料的一个特性就是可塑性高也就 是说制造容易。因此完全可以满足表面粗糙度或者是设计精度的要求。 00 22 102 22rr aa c

19、aa aaa 总 . 精品 第 3 章 电路与程序设计 3.13.1 电路设计电路设计 在设计这部硬币识别器之前借鉴了很多关于这方面的资料经过研究决定设计 复合式硬币识别器。这种识别器结构简单，造价低廉，识别精度高且能够广泛应 用在各种领域。因此此类识别器将占据较大的市场，并且会有很大的发展空间。 复合式硬币识别器的原理：复合式硬币识别器主要是由平板电容传感器、电 感线圈传感器、检测电路、单片机控制电路组成。变间隙式平板电容传感器是是 通过检验硬币的厚度来辨别真伪的，当硬币通过投币口进入平板电容传感器时会 引起传感器电容的变化，这个传感器也可以实现对硬币材质的检测但这只是一个 附加功能。通过电

20、容传感器配用的交流电桥将电容的变化转换为电压信号，再通 过放大电路将信号放大进入整流电路将交流变为直流。再通过有源低通电路滤去 干扰信号在通过电压比较器后输入 ad 转换器将模拟信号转换为数字信号传入单 片机控制电路。 而电感线圈传感器是通过不同的金属材质通过线圈时电感改变量不同来检测 的。当硬币通过电感线圈时也会是电感量改变，通过电感式传感器配用的交流电 桥电路使电感的改变转换为电压信号，由于硬币通过传感器的时间比较短，所以 所获得的信号比较微弱，因此需要在信号输出口连接一个放大电路使信号放大。 在复合硬币识别器中需要用到单片机，而传入单片机的信号必须是直流信号，所 以在放大电路的末端我们需

21、要连接一个整流电路是交流变为支流再传入单片机控 制系统。在整个过程中也需要连接有源低通滤波电路和电压比较器在输入单片机。 接整个信号的传输、接收流程图如下图 电 容传感 器 电 感传感 器 电 容配用 电桥电 路 电 感配用 电桥电 路 放 大电路 放 大电路 整 流电路 整 流电路 滤 波电路 滤 波电路 a d 转换 器 单 片机控 制电路 流程图 . 精品 在信号传输与接收线路中运用到了很多的电路与单片机。以下则是对各环节 电路、芯片的介绍。 3 32 2 各组成电路原理与应用各组成电路原理与应用 3.2.1 电桥电路 当信号从传感器中传出后主要是传感器的信号，需要将其转换为电压信号，

22、因此需要连接电桥电路，此类电路是传感器接口电路中经常使用的，主要用于把 传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流信号。根据电桥电源的不同， 可分为直流电桥和交流电桥。在复合式硬币识别器中使用的电源为交流电并且交 流电桥主要用于电容式传感器和电感式传感器。 交流电桥 （1） 电容式传感器配用的交流电桥。这种电桥有两种接法： 图为单臂接法的桥路，其中 c1、c2、c3、c为电桥的 4 个桥臂， c也是电容式传感器的电容输出值。交流电源经变压器 t 接到桥路的一条对角 线上，从桥路的另一对角线输出电压 uo。当电容式传感器输入被测物理量 x=0 时，输出 cx=c0,交流电桥平衡，此时 c1/c

23、2=c0/c3,uo=0 图（1） . 精品 图（2） （ 而当 x 时）传感器输出为 cx=c0+c,交流电桥失去平衡，(uo),则可按电 桥输出电压的大小来测定被测物理量 x。 （2） 电感式传感器配用的交流电桥 图（2）z1 和 z2 为螺管式查差动变压器的两个线圈的阻抗。另外两桥臂为变 压器次级绕组。因为电桥有两桥臂为传感器的差动阻抗，所以这种桥路又称差动 交流电桥，它常用于电感式测微仪传感器的接口电路。当差动式电感传感器在初 始状态时，两线圈电感相等，阻抗 z1=z2，此时电桥处于平衡状态，电桥在这种 条件下的输出电压 uo=0。当差动式电感传感器进行测量时，有一个线圈的阻抗 增加，

24、另一个线圈的阻抗下，假定 z1=z0+z，z2=z0-z，则电桥的输出电压 为 uo=z/2zo*u 如果假定 z1=z0-z，z2=z0+z，则电桥的输出电压 uo=-z/2z0*u 这样输 出的电压就能很快地算出来。 3.2.2 测量放大电路 当信号转换为电压信号以后，由于传感器输出的信号一般比较微弱，有的传 感器输出电压最小仅有 0.1uv。所以需要连接放大电路使其信号放大再输入检测 电路。信号放大电路是传感器信号调理最常用的电路。目前的放大电路几乎都采 用运算放大器，由于其输入阻值高，增益大，可靠性高，价格低廉，使用方便， 得到了广泛应用。常用的放大器有运算放大器、仪表放大器、可编程增

25、益放大器 和隔离放大器。各种非电学量的测量，通常由传感器将非电量转换成电压（或电 . 精品 流）信号，此电压（或电流）信号一般情况下属于微弱信号。对一个单纯的微弱 . 精品 信号，可采用运算放大器进行放大。 但是运算放大器对微弱信号的放大，仅适用与信号回路不受干扰的情况。但 是在此类硬币识别器当中使用的两种传感器都会受到相互的干扰，并且在传感器 的两个输出端上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的，即共模干扰。对 简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构的不对称，地狱共模干扰的能力 很差，故不能用在精密测量场合，因此需要引入另一种形式的放大器，即测量放 大器，又称仪用放大器、数据放大器，它

26、广泛用于传感器的信号放大，特别是微 弱信号及具有较大共模干扰的场合。因此在此类硬币识别器中我选用的是 ad612 测量放大电路。 测量放大器除了对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共 模干扰的任务。它具有高共模抑制比、高速度、高精度、高频带、高稳定性、高 输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点。 如下图测量放大器由三个运算放大器组成，其中 a1、a2 两个同相放大器组 成前级，为对称结构。输入信号加在 a1、a2 的同相输入端，从而具有高抑制共 模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器 a3 为后级，它可以切断共模干扰的传 输。该测量放大器的放大倍数为 g=uo/ug=uo/ui i=r=

27、r3 3/r/r2 2(1+r(1+r1 1/r/rg g+r+r1 1/r/rg g) ) 式中。rg 为用于调节放大倍数的外接电阻，通常 rg 采用多圈电位器，并靠 近组件，若距离较远，应将联线绞合在一起，改变 rg 可使放大倍数在 11000 范围内调节。 ad612 是一种高精度、高速度的测量放大器，能在恶劣环境中工作，具有很 好的交直流特性。测量放大器内部结构（见电路图） 。电路中所有电阻都是采用 激光自动修刻工艺制作的高精度薄膜电阻，用这些网络电阻构成的放大器增益精 . 精品 度高，最大增益误差不超过 10*10 . 精品 -6/oc,用户可以很方便地连接这些网络的引脚，获得 11

28、024 倍二进制关系 的增益，这种测量放大器在数据采集系统中应用广泛。当 a1 反相端（1）和精密 电阻网络的各引出端（3）（12）不连接时，rg=。af=1。当精密电阻网络引 出端（3）（10）分别和（1）端想连时，按二进制关系建立增益，其范围为 2 的 1 次方2 的 8 次方。当要求增益为 2 的 9 次方时，需把引出端（10） 、 （11） 和（12）端均与（1）端相连。若要求增益为 2 的 10 次方需把（10） 、 （11）和 （12）均与（1）端相连。所以只要在（1）端和（2）（12）断之间加一个多 路转换开关，用数码去控制开关的通与断，就可以方便地进行增益控制。 另一种非二进制

29、增益关系的测量放大器与一般三运放测量放大器一样只要在 （1）端和（2）端之间外接一个电阻 rg，其增益为： af=1+80k/rg ad612 放大电路的用法： 在电路图中可以看出测量放大电路是由三个运算放大器组成的，在使用是应 该注意： （1） 差动输入端的连接。由于 ad612 放大器是三运放结构，它的两输入端都是 有偏置电流的，使用时要特别注意为偏置电流提供回路。如果没有回路， 则这些电流将对分布电容充电，造成电压不可控制的漂移或处于饱和。因 此对于浮置的，例如变压器耦合、热电偶以及交流电容耦合的信号源，必 须对测量放大器的每个输入端构成到电源地的直流通路 （2） 护卫（guard）端的

30、连接。连接护卫端主要是为了对交流共模干扰 vcm 有 效的抑制。 在我设计电路时，我将 ad612的 ref 端作为了信号的输出端而oiun 端接 电源地，这样也形成了差动输入端的连接。正是因为 ad612 的这些特点所以我选 用了它做为信号传输的放大器。 3.2.3 整流电路 由于硬币识别器所用电源为交流电而当信号要输入单片机时需要变为直流电， 所以在电路中我们需要接入一个整流电路，所谓整流电路就是将交流信号转换为 直流信号。单相整流电路分为半波整流、全波整流、桥式整流及倍压整流电路等。 单相半波可控整流电路： . 精品 具有电阻性负载的单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路的主电路，如

31、图 1 所示。设图中变压器副边电压为 v2，负载 rl 为电阻性负载。现将这种可控整流电路的工作原理分析如下： （1）工作原理若晶闸管的控制极上未加正向触发电压，那么根据晶闸管的 导通条件，不论正弦交流电压 v2 是正半周还是负半周，晶闸管都不会导通。这 时，负载端电压vo=0、负载电流 io=0，因而电源的全部电压都由晶闸管承受， 即vt=v2。 当 v2 由零进入正半周，设 a 点电位高于 b 点电位，晶闸管承受正向电压，如果 在 时见图 2 ，在控制极加上适当的触发脉冲电压 ，晶闸管将立即导 通。电路中电流流向为 atrlb。晶闸管导通后，其管压降约 1v 左右，若 忽略此管压降，则电源

32、电压全部加在负载 rl 上，即 ，这样负载电流 。此后，尽管触发电压随即消失，晶闸管仍然继续导通，直到电源电 压v2 从正半周转入负半周过零的时候，晶闸管才自行关断。当v2 在负半周时， 因为晶闸管承受的是反向电压，所以即使控制极上加触发电压，晶闸管也不会导 通。这时，负载电压、电流都为零，晶闸管承受v2 的全部电压。在以后各个周 期，均重复上述过程。 从整流电路的工作波形图看，v2 、io 均是一个不完整的半波整流波形（阴影部 分） 。在晶闸管承受正向电压的半周内，加上触发脉冲电压，使晶闸管开始导通 的相位角 称为控制角，而晶闸管从开始导通到关断所经历的电角度 称为导 通角，故 。显然， 的

33、大小是由加上触发脉冲的时刻来控制的。改变 的大小称为移相。 的变化范围称为移相范围。因此，改变 就可以方便 地获得可调节的整流电压和电流。比较图 2（a）与（b）可见，控制角 越小， 则输出电压、电流的平均值越大。 . 精品 （2）负载电压和电流 单相半波可控整流电路的负载电压和电流的平均值，可以用控制角 为变 量的函数来表示。由图 2 可知，负载电压vo 是正弦半波电压的一部分，一个周 期的平均值为 而负载电流的平均值为 . 精品 在单相半波可控整流电路中，触发脉冲的移相范围为 0180。当. 时，则晶闸管在正半周内全导通，输出电压平均值最高，其值为 ，当 、 时，则晶闸管全关断，输出电压、

34、电流都为 零。可见，输出电压的可控范围为 。 单相桥式整流电路的工作原理： 单相桥式整流电路如图 1（a）所示，图中 tr 为电源变压器，它的作用是将 交流电网电压vi变成整流电路要求的交流电压 ，rl是要求直流供电的负载电阻， 四只整流二极管 d1d4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型 来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管 d1流 向 rl，再由二极管 d3流回变压器，所以 d1、d3正向导通，d2、d4反偏截止。在 负载上产生一个极性为上正下负的

35、输出电压。其电流通路可用图 1（a）中实线 箭头表示。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端 流出，只能经过二极管 d2流向 rl，再由二极管 d4流回变压器，所以 d1、d3反偏 截止，d2、d4正向导通。电流流过 rl时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周 时相同。其电流通路如图 1（a）中虚线箭头所示。 图 1 (a) . 精品 (b) 综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管 分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端 与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得 到一个单方向的脉动电

36、压。 根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图 2。由图可见，通过负载 rl的电流il以及电压vl的波形都是单方向的全波脉动波形。 图 2 桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向 电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得 到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广 泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多。通过对以上两种整流电路的介绍对比 正是由于桥式整流电路的这些特性硬币识别器所以我选用选用了单相桥式整流电 路。 3.2.4 滤波电路 滤波电路的分类及幅频特性： . 精品 所谓滤波，就是保留信号中所需频段的

37、成分，抑制其他频段信号的过程。 根据输出信号中所保留的频率段的不同，可将滤波分为低通滤波、高通滤波、 带通滤波、带阻滤波等四类。滤波电路的理想特性是： 通带范围内信号无衰减地通过，阻带范围内无信号输出； 通带与阻带之间的过渡带为零。 无源滤波电路 若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成。如图所示为 rc 低通 滤波器及其幅频特性，当信号频率趋于零时，电容的容抗趋于无穷大，故低频信 号顺利通过。 带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。可见，无源滤波 电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化。无源滤波电路结构简单，但 有以下缺点： 由于 r 及 c 上有信号压降，使输出信

38、号幅值下降； 带负载能力差，当 rl变化时，输出信号的幅值将随之改变，滤波特性也随 之变化过渡带较宽，幅频特性不理想。 这些缺点不符合信号处理的要求，因而产生有源滤波器。 图 1 . 精品 图 2 有源滤波电路 为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电 阻低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，如下图所示，这 样就构成了有源滤波电路。r 和 c 为无源低通滤波器，运算放大器接成同相比例 放大组态，对输入信号中各频率分量均有如下的关系： uo=audub=1+rf/r1*ub=1+rf/r1*1/1+jwrc*ui 由上式可以看出，输入信号频率越高，相应的

39、输出电压越小，而低频信号则 可得到有效的放大，故称为低通滤波电路。 在理想运放的条件下，由于电压跟随器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零， 因而 仅决定于 rc 的取值。输出电压 = ，负载变化，输出不变。 有源滤波必须在合适的直流电源供电的情况下才能起作用，还可以放大，只 适合于信号处理，不适合高电压大电流的负载。 在传感器接口电路中设置滤波电路可以滤除外界干扰引入的信号，滤波电路 或滤波器是一种能是某一种频率顺利通过而另一部分频率受到较大衰减的装置。 因传感器的输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器输出信号的滤波常采用有 源低通滤波电路，它只允许低频信号通过，而不能通过高频信号。 3.2.5

40、 电压比较器 电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参 考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平 或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等 . 精品 领域。 . 精品 图 31 所示为一最简单的电压比较器，ur为参考电压，加在运放的同相输 入端，输入电压 ui加在反相输入端。 （a）电路图 （b）传输特性 图 31 电压比较器 当 uiur时，运放输出高电平，稳压管 dz 反向稳压工作。输出端电位被其 箝位在稳压管的稳定电压 uz，即 uouz 当 uiur时，运放输出低电平，dz正向导通，输出电压等于稳压管

41、的正向压 降 ud，即 uoud 因此，以 ur为界，当输入电压 ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位 和低电位。 在设计这个硬币识别器时考虑到要检测 1 角、五角、一元三种硬币所以我在 uref设置了三个设定电压作为比较是识别功能更完善。 表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。 图 31(b)为 (a)图比较器的传输特性。 常用的电压比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器、双限比较器 （又称窗口比较器）等。 由于单门限电压比较器的状态翻转的门限电压是在一个固定值上。而在实际 应用时如果实际测得的信号存在外界干扰，即正弦波上叠加了高频干扰，过零电 压比较器就容易出先

42、多次翻转，因此我选择滞回电压比较器。它的组成如图 1： 、 图 1 1电路特点： . 精品 滞回电压比较器电路是在单值电压比较 7 的基础上增加了正反馈元件 rf 和 r2。由于集成运放工作于非线性状态，那么它的输出只可能有两种状态： 正向饱和电压+uom 和负向饱和电压uom。由图 2（a）可知集成运放的同相 端电压 u+是由输出电压和参考电压共同作用叠加而成，因此集成运放的同相 端电压 u+也有两个。 当输出为正向饱和电压+uom 时，将集成运放的同相端电压称为上门限电 平，用 uth1表示，则有 uth1=u+=uref*rf/rf+r2+uom*r2/r2+rf(6.12) 当输出为负

43、向饱和电压-uom 时，将集成运放的同相端电压称为下门限电 平，用 uth2表示，则有 uth2=u+=uref*rf/rf+r2-uom*r2/r2=rf（6.13） 通过两式可以看出，上门限电平 uth1的值比下门限电平 uth2的值大。 2传输特性和回差电压uth 滞回比较器的传输特性如图 2(b)所示当输入信号 ui从零开始增加时， 电路输出为正饱和电压+uom，此时集成运放的同相端对地电压为 uth1。当 ui 逐渐增加到刚超过 uth1时，电路翻转，输出变为负向饱和电压-uom,这时同相 端对地电压变为 uth2,ui 继续增大时，输出保持-uom 不变。 若 ui 从最大值开始下

44、降，当下降到上门限电压 uth1时，输出并不翻转， 只有下降到略小于下门限电压 uth2时，电路才发生翻转，输出变为正向饱和 电压+uom。 由上分析可知，该比较器具有滞回特性。 我们把上门限电压 uth1与下门限电压 uth2之差称为回差电压，用uth表 示 uth=uth1-uth2=2uomr2/r2+rf 回差电压的存在，大大提高了电路的抗干扰能力。只要干扰信号的峰值小于 . 精品 半个回差电压，比较器就不会因为干扰而误动作。从电压比较器传输出的 . 精品 “高电平”或“低电平”随即输入 ad 转换器。 3.2.6 ad 转换器 ad 转换器是一块集成电路芯片，功能是把采集到的采样模拟

45、信号量化编码， 并转换成数字信号输出。 ad574a 芯片的端子功能下图所示为 ad574a 为逐次近式 a/d 转换器。它突出 特点是芯片内部包含微机接口逻辑电路和三态输出缓冲器，可以直接与 8 位、12 位或 16 位微处理器的数据总线相连。读写及转换命令由控制总线提供，输出可 以是 12 位一次读出或分两次读出：先读高 8 位，再读低 4 位。输入电压可有单 极性和双极性两种。对外可提供一个+10v 基准电压，最大输出电流 1.5ma。有较 宽的温度使用范围。 ad574a 采用 28 端子双列直插式封装。芯片端子功能如下。 d0d11为 12 位数据输出； 12/8 为数据模式选择，此

46、线输入信号为 1 时，12 条输出线均为有效；此线 输入信号为 0 时，12 位分成 8 位和 4 位辆次输出； a0为字节地址/短周期； cs 为芯片选择，当 cs=0 时芯片被选中； r/c 为读/转换信号，当 r/c=1 时，允许读取 a/d 转换结果；当 r/c=0 时允 许启动 a/d 转换； . 精品 ce 为芯片允许。ce=1 允许转换或读出 a/d 转换结果，从此端输入启动脉冲； sts 为状态信号，sts=1 时，表示正在 a/d 转换；sts=0 时，表示转换完成； refout 为基准电压输出； refin 为基准电压输入。 bipoff 为双极性补偿。若输入模拟信号为双

47、极性则要同时使用此端子； 上述端子是 ad574a 与微处理器连接时主要接口信号线。 ad574a 的工作控制主要是有控制信号 cs，ce，r/c，12/8 和 a0完成，使 ad574a 工作于 a/d 转换和数据读出两种不同的状态。 3.2.7 单片机介绍： 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。 单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。它具 有集成度高、功能强、可靠性高、结构简单、易于掌握、应用灵活和价格低等优 点，在工业控制、机电一体化、智能仪器、通讯、家用电器等诸多领域得到了广 泛使用。单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化

48、程度，成为产品更新 换代的重要手段。在此介绍一下单片机的结构。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件： 中央处理器、存储器和 i/o 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外 部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过 1、2、3、4 代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向 发展，它们的 cpu 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压 底功耗。 mcs-51 单片机内部结构 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计 数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和

49、控制 总线等三大总线，现在我们分别加以说明： 中央处理器： 中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能 处理 8 位二进制数据或代码，cpu 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工 作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(ram) . 精品 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是 统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用 于存放用户数据，所以，用户能使用的 ram 只有 128 个，可存放读写的数据，运 算的中间结果或用户定义的字型表 程序存储器(rom)： 8051

50、共有 4096 个 8 位掩膜 rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(rom)： 8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于 控制程序转向。 并行输入输出(i/o)口： 8051 共有 4 组 8 位 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串 行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统： 8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个 串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级

51、的优先级别选择。 时钟电路： 8051 内置最高频率达 12mhz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲 时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即 哈佛(harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存 储器合二为一的结构，即普林斯顿(princeton)结构。intel 的 mcs-51 系列单片 机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 mcs-96 系列单片机则采用普林 斯顿结构。 下图是 mcs-51 系列单片机的内部结构示意图 2。 . 精品 mcs-51 的引脚说明： mcs-

52、51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英 振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 i/o 口，中断口线与 p3 口线复用。现在 我们对这些引脚的功能加以说明：如图 3 图 2 . 精品 图 3 (1).主电源引脚 vss 和 vcc vss(20):接地;vcc(40):正常操作时接+5v 电源。 （2）.外接晶体引脚 xtal1 和 xtal2 当外接晶体振荡器时,xtal1 和 xtal2 分别接在外接晶体两端。当采用外部 时钟方式时，xtal1 接外地

53、，xtal2 接外来振荡信号。如图 4 所示 （3）控制引脚 rst/vpd、ale/prog、psen、ea/vpp reset（29）复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 reset 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计 数器 pc 指向 0000h，p0-p3 输出口全部为高电平，堆栈指针写入 07h，其它专用 寄存器被清“0” 。reset 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000h 地址开始执 行程序。然而，初始复位不改变 ram（包括工作寄存器 r0-r7）的状态，8051 的 初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位

54、，也可以是手动复位，见下图 4。此外， reset/vpd还是一复用脚，vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内 部 ram 的数据不丢失。 . 精品 图 4 ale/（30）当访问外部程序器时，ale(地址锁存)的输出用于锁存地址的 低位字节。而访问内部程序存储器时，ale 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信 号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更 有一个特点，当访问外部程序存储器，ale 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 eprom，在编程其间，将用于输入编程脉冲。 （29）当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，pc 的 16 位地址数据将出现在 p0 和 p2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 p0 口上， 由 cpu 读入并执行。 ea/vpp（31）程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内置有 4kb 的程序存储器，当 ea 为高电平并且程序地址小于 4kb 时，读取内部程序存 储器指令数据，而超过 4kb 地址则读取外部指令数据。如 ea 为低电平，则不管 地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的 8031,ea 端必须接地。 在编程时，