硬幣識別設(shè)計(jì).doc

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 目 錄 第 1 章 緒 論 1 1 1 1 硬幣與識別器的發(fā)展 1 1 1 1 硬幣的發(fā)展 1 1 1 2 硬幣識別器的發(fā)展與分類 4 第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案 6 6 2 1 總體設(shè)計(jì)思路 6 6 2 2 總體方案的確定 6 第 3 章 電路與程序設(shè)計(jì) 9 9 3 1 電路設(shè)計(jì) 9 3 2 各組成電路原理與應(yīng)用 10 3 2 1 電橋電路 10 3 2 2 測量放大電路 11 3 2 3 整流電路 13 3 2 4 濾波電路 17 3 2 5 電壓比較器 19 3 2 6 AD 轉(zhuǎn)換器 22 3 2 7 單片機(jī)介紹 23 3 2 8 AD574 和 8051 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 28 3 2 9 光電耦合器 31 3 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 32 結(jié)束語 33 參考文獻(xiàn) 33 1 第 1 章 緒 論 1 11 1 硬幣與識別器的發(fā)展硬幣與識別器的發(fā)展 1 1 1 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(dá)五千年之久 中國古代貨幣在形成和發(fā)展的過程中 先后經(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(jià)值有關(guān)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(tái) 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(shí)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(jié)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(quán) 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(jì)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 2 不書重量 是我國古代貨幣由文書重量向通寶 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(biāo)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(shí) 由于鑄錢的銅料緊缺 政府為彌補(bǔ)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(dāng)時(shí)四川所鑄鐵錢一貫就重達(dá)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(yīng)運(yùn)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(jī)制紙幣的演變 清朝后期 隨著國外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的逐漸傳入 光緒年間已開始在國外購買造幣 機(jī)器 用于制造銀元 銅元 后來 廣東開始用機(jī)器制造無孔當(dāng)十銅元 因制造 者獲利豐厚 各省紛紛仿效 清末機(jī)制貨幣的出現(xiàn) 是我國古代貨幣史上由手工鑄幣向機(jī)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(dāng)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(dāng)商品交換的等價(jià)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(jì) 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 最早充當(dāng) 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(dāng)長的時(shí)間里 金銀作為貨幣使用時(shí) 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(yán)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(dāng)人們把它們作為貨幣使用時(shí) 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(shí)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(shí)期所鑄的鐵錢 金銀一般是在進(jìn)行大宗交易 時(shí)才被使用 其主要功能是作為收藏 贈(zèng)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(jī)器制造金屬硬幣的技術(shù) 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(jià)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 3 現(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(fù) 合材料 銅鐵復(fù)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(fù)材料 此外還有用不銹鋼材料制造硬幣的 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展城市的經(jīng)濟(jì)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(jìn)步 事物都有兩面性 一些人在積極 進(jìn)取 而另外一些人則在投機(jī)取巧做著損人利己的勾當(dāng) 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(jì) 國家也 在嚴(yán)厲地打擊中 驗(yàn)鈔機(jī)的發(fā)展也使假鈔畢顯原型 但是驗(yàn)鈔機(jī)也不能應(yīng)用在各 種設(shè)備上 因此對于某些事業(yè)機(jī)構(gòu)需要專業(yè)的設(shè)備對假幣進(jìn)行鑒別 1 1 2 硬幣識別器的發(fā)展與分類 隨著社會(huì)的進(jìn)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?買車風(fēng)暴于是私家車的數(shù)量猛增 但是反而是適得其反 就是因?yàn)樗郊臆嚁?shù)量太 多導(dǎo)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(dǎo)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了語音報(bào)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(bào)站的 公交車大都轉(zhuǎn)變?yōu)榱藷o人售票車 這也象征著人們素質(zhì)的提高 但是這也給那些 偷奸耍滑的素質(zhì)低下的乘客有了可乘之機(jī) 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(dá)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(gè)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(jī) 這一技術(shù)普及后不只是應(yīng)用在公交車投幣系統(tǒng)中 也可應(yīng)用在自動(dòng)售貨機(jī) 自動(dòng)投幣飲水機(jī) 投幣游戲機(jī)等等設(shè)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(jìn)在中國 硬幣識別器的技術(shù)已經(jīng)成熟 采用傳感器技術(shù)與光 電子技術(shù)和電磁技術(shù)對硬幣的幾何參數(shù)和材質(zhì)進(jìn)行檢測使得識別器達(dá)到了很高的 精度 即使是硬幣的表面有很多污垢也能準(zhǔn)確地辨別出真假 在中國與投幣器配套使用的儀器和設(shè)備數(shù)量龐大且種類繁多 投幣器需要適 4 應(yīng)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(jìn)行分類的 最常見的硬幣識別器有 單一式硬幣識 別器和復(fù)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(zhì) 識別器 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(jìn) 老式的識別裝置用光電管隊(duì)列來識別直 徑 如果排列組合得當(dāng)?shù)脑?識別精度也不低于0 5mm 現(xiàn)在改進(jìn)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(fù)合式傳感器的傳統(tǒng)識別原理為 硬幣通過投幣入口進(jìn)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(shí) 金屬材質(zhì)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(shè)定值進(jìn)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 完成對金屬硬幣的識別 由于復(fù)合式識別器的價(jià)格適中 結(jié)構(gòu)簡單 識別精 度比較高并且能廣泛應(yīng)用因此許多企業(yè)和有關(guān)部門都采用此類識別器 但是我在 設(shè)計(jì)復(fù)合式硬幣識別器時(shí)原理有所改進(jìn) 我設(shè)計(jì)的硬幣識別器的電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)定的電壓值作比較完成 對金屬硬幣的識別 第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案 在確定硬幣識別器總體設(shè)計(jì)方案前 我們還要擬定本設(shè)計(jì)的基本步驟及其要 遵循的一些基本原則 從而使設(shè)計(jì)方案更合理 2 12 1 總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)硬幣識別器大體上可分為兩個(gè)階段 1 系統(tǒng)分析階段 根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo) 明確所采用硬幣識別器的目的和任務(wù) 分析硬幣識別器所在系統(tǒng)的工作環(huán)境 5 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(chǔ)量 識別精度的要求以及對溫度 震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性 2 技術(shù)設(shè)計(jì)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(jié)合使用因此并不會(huì)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(jié)構(gòu) 進(jìn)行識別器總電路圖的設(shè)計(jì) 進(jìn)行硬幣識別器的整體和機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 繪制硬幣識別器的零件圖 并確定尺寸 2 22 2 總體方案的確定總體方案的確定 1 我們希望它整體不要太大 可以安置在儀器設(shè)備上 即小型化 輕型化 在設(shè)計(jì)此識別器時(shí)我就已經(jīng)考慮到了其整體外觀大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相配合 由于在 電路設(shè)計(jì)方面我使用的方案是 各個(gè)電路分開連接 其特點(diǎn)在于各個(gè)電路可以 依照識別器外殼的形狀結(jié)構(gòu)來改變所處的位置 其缺點(diǎn)是各個(gè)電路比較分散 占 用空間比較廣 優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(shè)備的總重 量減輕 因?yàn)槲宜O(shè)計(jì)的分幣器是由電磁鐵吸引擺動(dòng)的 所以電磁鐵的吸引重量 是選用材料的前提 機(jī)械部分 既分幣器 的設(shè)計(jì)要依據(jù)微型電磁鐵的具體參數(shù) 來定 這在下文機(jī)械部分設(shè)計(jì)中回詳細(xì)介紹 3 電路設(shè)計(jì)有可行性 在設(shè)計(jì)本設(shè)備的電路時(shí) 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(yīng)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(zhì)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(shí)電 0 0 A C d 12 12012 1111 rr aa CCCA 總 0 12 12rr A C aa 總 6 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(dāng)未投入硬幣時(shí)電容中的介質(zhì)為空氣 當(dāng)真硬幣從變介質(zhì)電容傳感器通過時(shí)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(jì)算出電容的改變量 再將電容改變量轉(zhuǎn) 換為電壓 這樣這個(gè)參數(shù)就可以作為電壓比較器的設(shè)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以通過材 質(zhì)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(shè)計(jì)信號的傳輸 放大 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì) 在我設(shè)計(jì)的這個(gè)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(gè)雙線圈變壓器使其變 為 12V 和 15V 的電壓 這兩個(gè)變小了的電壓分別連接在微型電磁鐵和 AD574A AD 轉(zhuǎn)換器上使其能夠正常工作 在需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的時(shí)可以直接連 接一個(gè)整流電路就可以了 信號的改變 放大 以及能否輸入單片機(jī)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(shè)計(jì)有充分的可行性 5 在滿足前四點(diǎn)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(shè)計(jì)由于外殼的材料我選用的是塑料 塑料的一個(gè)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(shè)計(jì)精度的要求 00 22 102 22rr AA C aa aaa 總 7 第 3 章 電路與程序設(shè)計(jì) 3 13 1 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)這部硬幣識別器之前借鑒了很多關(guān)于這方面的資料經(jīng)過研究決定設(shè)計(jì) 復(fù)合式硬幣識別器 這種識別器結(jié)構(gòu)簡單 造價(jià)低廉 識別精度高且能夠廣泛應(yīng) 用在各種領(lǐng)域 因此此類識別器將占據(jù)較大的市場 并且會(huì)有很大的發(fā)展空間 復(fù)合式硬幣識別器的原理 復(fù)合式硬幣識別器主要是由平板電容傳感器 電 感線圈傳感器 檢測電路 單片機(jī)控制電路組成 變間隙式平板電容傳感器是是 通過檢驗(yàn)硬幣的厚度來辨別真?zhèn)蔚?當(dāng)硬幣通過投幣口進(jìn)入平板電容傳感器時(shí)會(huì) 引起傳感器電容的變化 這個(gè)傳感器也可以實(shí)現(xiàn)對硬幣材質(zhì)的檢測但這只是一個(gè) 附加功能 通過電容傳感器配用的交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換為電壓信號 再通 過放大電路將信號放大進(jìn)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(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳入單 片機(jī)控制電路 而電感線圈傳感器是通過不同的金屬材質(zhì)通過線圈時(shí)電感改變量不同來檢測 的 當(dāng)硬幣通過電感線圈時(shí)也會(huì)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(zhuǎn)換為電壓信號 由于硬幣通過傳感器的時(shí)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(gè)放大電路使信號放大 在復(fù)合硬幣識別器中需要用到單片機(jī) 而傳入單片機(jī)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(gè)整流電路是交流變?yōu)橹Я髟賯魅雴纹瑱C(jī)控 制系統(tǒng) 在整個(gè)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(jī) 接整個(gè)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 A D 轉(zhuǎn)換 器 單 片機(jī)控 制電路 8 流程圖 在信號傳輸與接收線路中運(yùn)用到了很多的電路與單片機(jī) 以下則是對各環(huán)節(jié) 電路 芯片的介紹 3 3 2 2 各組成電路原理與應(yīng)用各組成電路原理與應(yīng)用 3 2 1 電橋電路 當(dāng)信號從傳感器中傳出后主要是傳感器的信號 需要將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(gè)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(dāng)電容式傳感器輸入被測物理量 X 0 時(shí) 輸出 Cx C0 交流電橋平衡 此時(shí) C1 C2 C0 C3 Uo 0 圖 1 9 圖 2 而當(dāng) x 時(shí) 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(dòng)變壓器的兩個(gè)線圈的阻抗 另外兩橋臂為 變壓器次級繞組 因?yàn)殡姌蛴袃蓸虮蹫閭鞲衅鞯牟顒?dòng)阻抗 所以這種橋路又稱差 動(dòng)交流電橋 它常用于電感式測微儀傳感器的接口電路 當(dāng)差動(dòng)式電感傳感器在 初始狀態(tài)時(shí) 兩線圈電感相等 阻抗 Z1 Z2 此時(shí)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(dāng)差動(dòng)式電感傳感器進(jìn)行測量時(shí) 有一個(gè)線圈的阻 抗增加 另一個(gè)線圈的阻抗下 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 3 2 2 測量放大電路 當(dāng)信號轉(zhuǎn)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(diào)理最常用的電路 目前的放大電路幾乎都采 用運(yùn)算放大器 由于其輸入阻值高 增益大 可靠性高 價(jià)格低廉 使用方便 得到了廣泛應(yīng)用 常用的放大器有運(yùn)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(xué)量的測量 通常由傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電壓 或電 10 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(gè)單純的微弱 信號 可采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大 但是運(yùn)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(dāng)中使用的兩種傳感器都會(huì)受到相互的干擾 并且在傳感器 的兩個(gè)輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號 有時(shí)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(jié)構(gòu)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的是 AD612 測量放大電路 測量放大器除了對低電平信號進(jìn)行線性放大外 還擔(dān)負(fù)著阻抗匹配和抗共 模干擾的任務(wù) 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(diǎn) 如下圖測量放大器由三個(gè)運(yùn)算放大器組成 其中 A1 A2 兩個(gè)同相放大器組 成前級 為對稱結(jié)構(gòu) 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(dòng)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 UG Uo Ui i R R3 3 R R2 2 1 R 1 R1 1 R RG G R R1 1 R RG G 式中 RG 為用于調(diào)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(yuǎn) 應(yīng)將聯(lián)線絞合在一起 改變 RG 可使放大倍數(shù)在 1 1000 范圍內(nèi)調(diào)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(jié)構(gòu) 見電路圖 電路中所有電阻都是采用 11 激光自動(dòng)修刻工藝制作的高精度薄膜電阻 用這些網(wǎng)絡(luò)電阻構(gòu)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(luò)的引腳 獲得 1 1024 倍二進(jìn)制關(guān)系的增益 這種測量放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛 當(dāng) A1 反相端 1 和精密電阻網(wǎng)絡(luò)的各引出端 3 12 不連接時(shí) RG Af 1 當(dāng)精密電阻網(wǎng)絡(luò)引出端 3 10 分別和 1 端想連時(shí) 按 二進(jìn)制關(guān)系建立增益 其范圍為 2 的 1 次方 2 的 8 次方 當(dāng)要求增益為 2 的 9 次方時(shí) 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(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 用數(shù)碼去控制開關(guān)的通與斷 就可 以方便地進(jìn)行增益控制 另一種非二進(jìn)制增益關(guān)系的測量放大器與一般三運(yùn)放測量放大器一樣只要在 1 端和 2 端之間外接一個(gè)電阻 RG 其增益為 Af 1 80k RG AD612 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(gè)運(yùn)算放大器組成的 在使用是應(yīng) 該注意 1 差動(dòng)輸入端的連接 由于 AD612 放大器是三運(yùn)放結(jié)構(gòu) 它的兩輸入端都 是有偏置電流的 使用時(shí)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(gè)輸入端構(gòu)成到電源地的直流通路 2 護(hù)衛(wèi) GUARD 端的連接 連接護(hù)衛(wèi)端主要是為了對交流共模干擾 VCM 有效的抑制 在我設(shè)計(jì)電路時(shí) 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(dòng)輸入端的連接 正是因?yàn)?AD612 的這些特點(diǎn)所以 我選用了它做為信號傳輸?shù)姆糯笃?3 2 3 整流電路 由于硬幣識別器所用電源為交流電而當(dāng)信號要輸入單片機(jī)時(shí)需要變?yōu)橹绷麟?所以在電路中我們需要接入一個(gè)整流電路 所謂整流電路就是將交流信號轉(zhuǎn)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 12 具有電阻性負(fù)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(shè)圖中變壓器副邊電壓為 v2 負(fù)載 RL 為電阻性負(fù)載 現(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(dǎo)通條件 不論正弦交流電壓 v2 是正半周還是負(fù)半周 晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 這 時(shí) 負(fù)載端電壓Vo 0 負(fù)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(dāng) v2 由零進(jìn)入正半周 設(shè) a 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位 晶閘管承受正向電壓 如果 在 時(shí) 見圖 2 在控制極加上適當(dāng)?shù)挠|發(fā)脈沖電壓 晶閘管將立即導(dǎo) 通 電路中電流流向?yàn)?a T RL b 晶閘管導(dǎo)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(fù)載 RL 上 即 這樣負(fù)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(dǎo)通 直到電源電 壓v2 從正半周轉(zhuǎn)入負(fù)半周過零的時(shí)候 晶閘管才自行關(guān)斷 當(dāng)v2 在負(fù)半周時(shí) 因?yàn)榫чl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(huì)導(dǎo) 通 這時(shí) 負(fù)載電壓 電流都為零 晶閘管承受v2 的全部電壓 在以后各個(gè)周 期 均重復(fù)上述過程 從整流電路的工作波形圖看 v2 io 均是一個(gè)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周內(nèi) 加上觸發(fā)脈沖電壓 使晶閘管開始導(dǎo)通 的相位角 稱為控制角 而晶閘管從開始導(dǎo)通到關(guān)斷所經(jīng)歷的電角度 稱為導(dǎo) 通角 故 顯然 的大小是由加上觸發(fā)脈沖的時(shí)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(diào)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 13 2 負(fù)載電壓和電流 單相半波可控整流電路的負(fù)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(fù)載電壓vo 是正弦半波電壓的一部分 一個(gè)周 期的平均值為 而負(fù)載電流的平均值為 14 在單相半波可控整流電路中 觸發(fā)脈沖的移相范圍為 0 180 當(dāng) 時(shí) 則晶閘管在正半周內(nèi)全導(dǎo)通 輸出電壓平均值最高 其值為 當(dāng) 時(shí) 則晶閘管全關(guān)斷 輸出電壓 電流都為 零 可見 輸出電壓的可控范圍為 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(fù)載電阻 四只整流二極管 D1 D4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?qū)娮铻榱?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 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?qū)?D2 D4反偏截止 在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓 其電流通路可用圖 1 a 中實(shí)線 箭頭表示 在v2的負(fù)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?qū)?電流流過 RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù) 與正 半周時(shí)相同 其電流通路如圖 1 a 中虛線箭頭所示 圖 1 a 15 b 綜上所述 橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?將四個(gè)二極管 分為兩組 根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通 將變壓器副邊電壓的正極性端 與負(fù)載電阻的上端相連 負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連 使負(fù)載上始終可以得 到一個(gè)單方向的脈動(dòng)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(fù)載 RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形 圖 2 橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)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(shí)因電源變壓器在正 負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)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(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣 泛的應(yīng)用 電路的缺點(diǎn)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 16 3 2 4 濾波電路 濾波電路的分類及幅頻特性 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(dāng)信號頻率趨于零時(shí) 電容的容抗趨于無窮大 故低頻信 號順利通過 帶負(fù)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(fù)載而變化 無源濾波電路結(jié)構(gòu)簡單 但 有以下缺點(diǎn) 由于 R 及 C 上有信號壓降 使輸出信號幅值下降 帶負(fù)載能力差 當(dāng) RL變化時(shí) 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(diǎn)不符合信號處理的要求 因而產(chǎn)生有源濾波器 圖 1 17 圖 2 有源濾波電路 為了使負(fù)載不影響濾波特性 可在無源濾波電路和負(fù)載之間加一個(gè)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(gè)電壓跟隨器 如下圖所示 這 樣就構(gòu)成了有源濾波電路 R 和 C 為無源低通濾波器 運(yùn)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(guān)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(yīng)的輸出電壓越小 而低頻信號則 可得到有效的放大 故稱為低通濾波電路 在理想運(yùn)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(fù)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(fù)載 在傳感器接口電路中設(shè)置濾波電路可以濾除外界干擾引入的信號 濾波電路 或?yàn)V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 18 3 2 5 電壓比較器 電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路 它將一個(gè)模擬量電壓信號和一個(gè)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(yīng)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(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等 領(lǐng)域 圖 3 1 所示為一最簡單的電壓比較器 UR為參考電壓 加在運(yùn)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 3 1 電壓比較器 當(dāng) ui UR時(shí) 運(yùn)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 uO UZ 當(dāng) ui UR時(shí) 運(yùn)放輸出低電平 DZ正向?qū)?輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向 壓降 UD 即 uo UD 因此 以 UR為界 當(dāng)輸入電壓 ui變化時(shí) 輸出端反映出兩種狀態(tài) 高電位 和低電位 在設(shè)計(jì)這個(gè)硬幣識別器時(shí)考慮到要檢測 1 角 五角 一元三種硬幣所以我在 UREF設(shè)置了三個(gè)設(shè)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(guān)系的特性曲線 稱為傳輸特性 圖 3 1 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(zhuǎn)的門限電壓是在一個(gè)固定值上 而在實(shí)際 應(yīng)用時(shí)如果實(shí)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(zhuǎn) 因此我選擇滯回電壓比較器 它的組成如圖 1 19 圖 1 1 電路特點(diǎn) 滯回電壓比較器電路是在單值電壓比較 7 的基礎(chǔ)上增加了正反饋元件 Rf 和 R2 由于集成運(yùn)放工作于非線性狀態(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(fù)向飽和電壓 Uom 由圖 2 a 可知集成運(yùn)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(yùn)放的同 相端電壓 u 也有兩個(gè) 當(dāng)輸出為正向飽和電壓 Uom 時(shí) 將集成運(yùn)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(dāng)輸出為負(fù)向飽和電壓 Uom 時(shí) 將集成運(yùn)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 UTH2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(dāng)輸入信號 ui從零開始增加時(shí) 電 路輸出為正飽和電壓 Uom 此時(shí)集成運(yùn)放的同相端對地電壓為 UTH1 當(dāng) ui 逐漸增加到剛超過 UTH1時(shí) 電路翻轉(zhuǎn) 輸出變?yōu)樨?fù)向飽和電壓 Uom 這時(shí)同 相端對地電壓變?yōu)?UTH2 ui 繼續(xù)增大時(shí) 輸出保持 Uom 不變 若 ui 從最大值開始下降 當(dāng)下降到上門限電壓 UTH1時(shí) 輸出并不翻轉(zhuǎn) 只有下降到略小于下門限電壓 UTH2時(shí) 電路才發(fā)生翻轉(zhuǎn) 輸出變?yōu)檎蝻柡?電壓 Uom 由上分析可知 該比較器具有滯回特性 20 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 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(gè)回差電壓 比較器就不會(huì)因?yàn)楦蓴_而誤動(dòng)作 從電壓比較器傳輸出的 高電 平 或 低電平 隨即輸入 AD 轉(zhuǎn)換器 3 2 6 AD 轉(zhuǎn)換器 AD 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器 它 突出特點(diǎn)是芯片內(nèi)部包含微機(jī)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(zhuǎn)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 位 輸入電壓可有 單極性和雙極性兩種 對外可提供一個(gè) 10V 基準(zhǔn)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 D0 D11為 12 位數(shù)據(jù)輸出 21 12 8 為數(shù)據(jù)模式選擇 此線輸入信號為 1 時(shí) 12 條輸出線均為有效 此線 輸入信號為 0 時(shí) 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(dāng) CS 0 時(shí)芯片被選中 R C 為讀 轉(zhuǎn)換信號 當(dāng) R C 1 時(shí) 允許讀取 A D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 當(dāng) R C 0 時(shí) 允許啟動(dòng) A D 轉(zhuǎn)換 CE 為芯片允許 CE 1 允許轉(zhuǎn)換或讀出 A D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 從此端輸入啟動(dòng)脈 沖 STS 為狀態(tài)信號 STS 1 時(shí) 表示正在 A D 轉(zhuǎn)換 STS 0 時(shí) 表示轉(zhuǎn)換完成 REFOUT 為基準(zhǔn)電壓輸出 REFIN 為基準(zhǔn)電壓輸入 BIPOFF 為雙極性補(bǔ)償 若輸入模擬信號為雙極性則要同時(shí)使用此端子 上述端子是 AD574A 與微處理器連接時(shí)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(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀出兩種不同的狀態(tài) 3 2 7 單片機(jī)介紹 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支 也是頗具生命力的機(jī)種 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī) 特別適用于控制領(lǐng)域 故又稱為微控制器 它具 有集成度高 功能強(qiáng) 可靠性高 結(jié)構(gòu)簡單 易于掌握 應(yīng)用靈活和價(jià)格低等優(yōu) 點(diǎn) 在工業(yè)控制 機(jī)電一體化 智能儀器 通訊 家用電器等諸多領(lǐng)域得到了廣 泛使用 單片機(jī)的應(yīng)用提高了機(jī)電設(shè)備的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度 成為產(chǎn)品更新 換代的重要手段 在此介紹一下單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 通常 單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成 內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件 中央處理器 存儲(chǔ)器和 I O 接口電路等 因此 單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴?部設(shè)備相結(jié)合 便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)經(jīng)過 1 2 3 4 代的發(fā)展 目前單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向 發(fā)展 它們的 CPU 功能在增強(qiáng) 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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 單片機(jī)包含中央處理器 程序存儲(chǔ)器 ROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 定時(shí) 22 計(jì)數(shù)器 并行接口 串行接口和中斷系統(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(gè)單片機(jī)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(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼 CPU 負(fù)責(zé)控制 指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工 作 完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 8051 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128 個(gè)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(gè) 可存放讀寫的數(shù)據(jù) 運(yùn) 算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表 程序存儲(chǔ)器 ROM 8051 共有 4096 個(gè) 8 位掩膜 ROM 用于存放用戶程序 原始數(shù)據(jù)或表格 定時(shí) 計(jì)數(shù)器 ROM 8051 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) 計(jì)數(shù)器 以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于 控制程序轉(zhuǎn)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(gè)全雙工串行通信口 用于與其它設(shè)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(dāng)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(gè)外中斷 兩個(gè)定時(shí) 計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè) 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(shí)鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路 用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖 23 時(shí)序 但 8051 單片機(jī)需外置振蕩電容 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型 一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的形式 即 哈佛 Harvard 結(jié)構(gòu) 另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器合二為一的結(jié)構(gòu) 即普林斯頓 Princeton 結(jié)構(gòu) INTEL 的 MCS 51 系列單片機(jī) 采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式 而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS 96 系列單片機(jī)則采用普林斯 頓結(jié)構(gòu) 下圖是 MCS 51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 2 MCS 51 的引腳說明 MCS 51 系列單片機(jī)中的 8031 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu) 右圖是它們的引腳配置 40 個(gè)引腳中 正電源和地線兩根 外置石英 振蕩器的時(shí)鐘線兩根 4 組 8 位共 32 個(gè) I O 口 中斷口線與 P3 口線復(fù)用 現(xiàn)在 我們對這些引腳的功能加以說明 如圖 3 圖 2 24 圖 3 1 主電源引腳 Vss 和 VCC VSS 20 接地 Vcc 40 正常操作時(shí)接 5V 電源 2 外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí) XTAL1 和 XTAL2 分別接在外接晶體兩端 當(dāng)采用外部 時(shí)鐘方式時(shí) 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 Vpp RESET 29 復(fù)位信號復(fù)用腳 當(dāng) 8051 通電 時(shí)鐘電路開始工作 在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平 系統(tǒng)即初始復(fù)位 初始化后 程序計(jì)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(fù)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(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位 也可以是手動(dòng)復(fù)位 見下圖 4 此外 RESET Vpd還是一復(fù)用腳 Vcc掉電其間 此腳可接上備用電源 以保證單片機(jī) 內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失 25 圖 4 ALE 30 當(dāng)訪問外部程序器時(shí) 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(chǔ)器時(shí) ALE 端將有一個(gè) 1 6 時(shí)鐘頻率的正脈沖 信號 這個(gè)信號可以用于識別單片機(jī)是否工作 也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出 更有一個(gè)特點(diǎn) 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器 ALE 會(huì)跳過一個(gè)脈沖 如果單片機(jī)是 EPROM 在編程其間 將用于輸入編程脈沖 29 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí) 此腳輸出負(fù)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(chǔ)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(chǔ)器的內(nèi)外部選通線 8051 和 8751 單片機(jī) 內(nèi)置有 4kB 的程序存儲(chǔ)器 當(dāng) EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時(shí) 讀取內(nèi)部程序存 儲(chǔ)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(chǔ)器指令 顯然 對內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器的 8031 EA 端必須接地 在編程時(shí) EA Vpp腳還需加上 21V 的編程電壓 4 輸入輸出引腳 P0 0 P0 7 39 32 P0 口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向 I O 口 在訪問外部存儲(chǔ)器 時(shí) 它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)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(shí) 它接收指令字節(jié) 而在驗(yàn)證程序時(shí) 則輸出指令 節(jié) 驗(yàn)證時(shí) 要求外接上拉電阻 P1 0 P1 7 1 8 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(yàn)證時(shí) 它接收低 8 位地址 P2 0 P2 7 21 28 P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 在訪問外 部存儲(chǔ)器時(shí) 它送出高 8 位地址 在對 EPROM 編程和程序證期間 它接收高 8 位 地址 P3 0 P3 7 10 17 P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 在 MCS 51 中 這 8 個(gè)引腳還兼有專用功能 這些功能見表 1 26 P3 各口線與專用功能 口線替代的專用功能 P3 0 RXD 串行輸入口 P3 1 TXD 串行輸出口 P3 2 INTO 外部中斷 0 P3 3 INT1 外部中斷 1 P3 4 T 定時(shí)器 0 的外部輸入 P3 5 T 定時(shí)器 1 的外部輸入 P3 6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 P3 7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 在此次設(shè)計(jì)中用到了 8051 單片機(jī)的全部 P0 和與 P1 口中的 P0 1 以及 P2 口中 的兩個(gè)接口 P0 口主要是與 AD 轉(zhuǎn)換器連接 P2 接口中的兩個(gè)引腳用來連接作 為開關(guān)使用的光電耦合器 3 2 8 AD574 和 8051 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) A D 轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口的主要任務(wù)就是按照微機(jī)指令進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換和將 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送入微機(jī)的數(shù)據(jù)總線 A D 轉(zhuǎn)換器在與微機(jī)接口時(shí) 需要解決的問題 1 數(shù)據(jù)輸出緩沖問題 微機(jī)的數(shù)據(jù)總線是 CPU 與存儲(chǔ)器和 I O 設(shè)備之間 傳送數(shù)據(jù)的公共通道 因此 A D 轉(zhuǎn)換器在與微機(jī)接口時(shí) 要求 A D 轉(zhuǎn)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(dāng)未被選 中時(shí) A D 轉(zhuǎn)換器輸出是高阻抗?fàn)顟B(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(shí)序能與微機(jī)總線 時(shí)序配合輸出端 因此可直接與微機(jī)數(shù)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(shè)備 必須賦予 A D 轉(zhuǎn)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(dāng)系統(tǒng)采用內(nèi)存映像方式時(shí) 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(jìn) 行譯碼 并可根據(jù)具體情況選用固定式或開關(guān)可選式地址總線相連 3 讀出數(shù)據(jù) 為了能從 A D 轉(zhuǎn)換器中取出轉(zhuǎn)換結(jié)果 首先需要考慮解決 A D 轉(zhuǎn)換器與微機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)方式問題 其中 與微機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)方式 27 問題 由于 A D 轉(zhuǎn)換須經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間 只有在 A D 轉(zhuǎn)換結(jié)束并 發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號后 微機(jī)讀出的數(shù)據(jù)才是正確的 為便于微機(jī)檢查轉(zhuǎn) 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(luò)方式 在設(shè)計(jì) A D 轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口電路時(shí) 究竟是采用查詢還是中斷 方式取決于所用 A D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和用戶的程序安排 一般來說 當(dāng) A D 轉(zhuǎn)換時(shí)間較短時(shí) 宜采用查詢方式 而轉(zhuǎn)換時(shí)間長是宜采用中 斷方式 A D574A 與 8051 單片機(jī)連接時(shí)可采用查詢法完成依次 A D 轉(zhuǎn) 換 程序如下 ORG 0500H START MOV DPTR 8000H MOV R0 OFCH MOVEX R0 A LOOP JB P1 0 LOOP MOV R0 0FEH MOVX A R0 MOVX DPTR A INC R0 INC DPTR MOVX A R0 MOVX DPTR A RET 主程序 MAIN SETB 1T SETB EA SETB EX1 MOV DPTR 8000H MOV RO OFCH MOVX R0 A 中斷服務(wù)程序 ADINT PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR 8000H MOVX A R0 MOV A R0 28 MOVX DPTR A POP DPH POP DPL RET 當(dāng)采用查詢方式時(shí) 見 A D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)端子接在微機(jī) I O 口的某一 位上或經(jīng)過一個(gè)外接的三態(tài)緩沖器連接到 CPU 數(shù)據(jù)總線的某一位上 微機(jī)不斷 查詢這一位的電平 為了不影響數(shù)據(jù)總線的正常工作 轉(zhuǎn)換