《測試技術與傳感器》課件第13章

13.1基于光電原理測量的實例

13.2基于單片機的硬幣特征參數檢測系統13.1基于光電原理測量的實例13.1.1紅外接近覺傳感器接近覺傳感器主要感知傳感器與對象物之間的接近程度，通常用于智能機器人和智能化機器裝備。它與精確的測距系統是不同的，但又有相似之處。接近覺是一種粗略的距離感覺，在大多數的使用場合中，只要求給出簡單的閾值判斷，即接近還是未接近。有時為了一些特殊用途，要求接近覺傳感器能夠提供分擋的距離感覺，必要時還要求能估算具體的接近距離。對接近覺傳感器的要求是:結構和電路簡單，成本低，具有較好的可靠性。接近覺傳感器在日常生活中也有許多應用的例子，如電子衛(wèi)兵(貓、狗)、自動感應水龍頭和電熱吹風機(烘干機)等。接近覺傳感器在機器人中主要有兩個用途，即避障和防止撞擊。前者如移動的機器人如何繞開障礙物，后者如機械手抓取物體時實現柔性接觸。接近覺應用的場合不同，感覺的距離范圍也是不同的，遠可達幾米至十幾米，近到幾個毫米甚至1毫米以下。接近覺傳感器根據不同的工作原理有多種實現方式，最常用的有光反射式接近覺傳感器、感應式接近覺傳感器、超聲波接近覺傳感器等幾種。在這里僅介紹一種紅外接近覺傳感器。紅外接近覺傳感器利用目標物體對入射紅外光的反射光強弱來檢測目標的接近程度。紅外反射光強法接近覺的測量原理如圖13-1所示。紅外發(fā)光管發(fā)射經過調制的紅外光信號，紅外光敏管接收經目標物反射回來的紅外調制信號，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號解調和專用紅外濾光片保證。紅外光敏管接收到的紅外光強度與目標物的距離、目標物的反射情況等因素有關，當目標物的反射特性不變或變化不大時，則反射光強僅與傳感器和目標物的距離有關。圖13-1紅外光強法接近覺測量原理未做聚光處理的普通紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光，經目標物體的漫反射，反射至紅外光敏接收管，得到的紅外光光強與接近距離成確定的對應關系。設由紅外光敏接收管轉換電路輸出的信號Uout代表反射光強，則Uout是探頭至目標物體之間的距離x的函數，即Uout=f(x，p)(13-1)式中，p表示工件的反射系數。當目標物體為反射系數p值一致的同類目標時，x和Uout一一對應。典型的響應曲線為非線性曲線，如圖13-2所示?？梢酝ㄟ^預先對各種目標物的接近覺距離與紅外接近檢測電路的輸出電壓進行實驗測量，形成兩者之間的標定數據。實際使用時，可以根據測量系統的輸出電壓，通過插值推算出接近距離x。圖13-2接近覺響應曲線反射系數p與目標物的表面顏色、粗糙度等因素有關，當目標物顏色較深、接近黑色或透明時，反射光很弱。若以輸出信號達到某一閾值作為“接近”時，則對不同目標物，“接近”的距離是不同的。紅外光強法接近覺對大多數目標物是能找到“接近”感覺的，所以這一并不精確的簡單測距系統用做機器人的接近覺或用于智能化機械的接近控制是能夠勝任的。本應用實例是一個安裝在機器人手爪上的指間接近覺傳感器，實驗系統用φ2mm的紅外發(fā)光管GL-2和紅外光敏接收管3DU21組成發(fā)射、接收對管，用φ2.5mm的金屬套筒封裝，制成的接近覺探頭尺寸為φ2.5×8mm，接近距離約為8～15mm。為了提高紅外接近覺傳感器的抗干擾能力，接近覺傳感器采用了紅外發(fā)射光調制和接收光信號解調的方法，調制信號設定為占空比為50%、頻率為1kHz的方波，由時基集成電路NE555組成的電路產生方波信號。紅外發(fā)射電路的功率設計成可調的形式，便于適應不同功率的紅外發(fā)射探頭。調節(jié)“接近”距離的方法有兩種，一是改變紅外光敏接收管電路輸出的“接近”閾值，二是調節(jié)紅外光的發(fā)射功率。接收到的紅外光信號由轉換電路輸出對應的電壓信號，再由調制信號控制模擬開關CD4066實現接收信號的解調，濾去其它干擾信號。圖13-3所示為發(fā)射功率可調的紅外調制光發(fā)射電路。圖中，NE555和R1、R2、C1、C2構成振蕩電路，當R1＝235Ω，R2＝2.7kΩ，C1＝0.33μF，C2＝0.047μF時，NE555的3端輸出1kHz左右的方波信號，其中，可由R1完成占空比的調節(jié)。輸出信號經7406反向器后控制V2，并作為同步解調信號1至解調電路；另一路再經反向控制V1，并作為同步解調信號2至解調電路。同步解調信號1和同步解調信號2互為反相，當同步解調信號1為高電平時，紅外發(fā)光管發(fā)光。所以，V1、V2是輪流導通，使接于V2回路的紅外發(fā)光二極管VD1按調制信號的頻率斷續(xù)發(fā)光。發(fā)光的電流由V3控制，V3的控制端接可調電阻R6，R6、R8、VD2構成穩(wěn)壓電路，調節(jié)R6使運放A1的正向輸入端電位發(fā)生變化，進而可使R5的電位變化，當其電壓調高時，R5的電壓上升，流經紅外發(fā)光管VD1的發(fā)射電流增大，從而達到調節(jié)發(fā)射功率的目的。圖13-3發(fā)射功率可調的紅外調制光發(fā)射電路接近覺的接收電路如圖13-4所示。紅外反射光經光敏管VD2接入由A2組成的初級放大電路負向輸入端，當有紅外光入射時，反饋電阻R9上的電流改變，A2的輸出電壓U2隨之改變。由A3組成的電路是一個反向放大器，放大倍數為-1。圖中，R11＝R13＝10kΩ。U2輸出分兩路,一路至A3反向器的輸入端，由A3輸出U3＝-U2，另一路接雙向模擬開關CD4066B。該雙向模擬開關由同步解調信號2控制，當該信號為高電平時，CD4066B導通，而此時恰好是紅外發(fā)光管不發(fā)光的半周期，所以，此處接入的是紅外發(fā)光管不發(fā)光時光敏管接收到的信號。當同步解調信號2為低電平時，CD4066B截止，等同于該線路斷開，此時恰好是紅外發(fā)光管發(fā)光的半周期。由R14、R15、R16、R17、A4組成的反向加法電路放大的是U3、U2兩路信號的疊加，這兩路信號分別由CD4066A和CD4066B控制。假設調制信號的前半周期是同步解調信號1為高電平，同步解調信號2為低電平，此時U3輸出與R15接通，U2輸出與R14斷開。與之對應，后半周期同步解調信號1為低電平，同步解調信號2為高電平，U3輸出與R15斷開，U2輸出與R14接通。假定干擾信號是一種穩(wěn)定的直流信號，這在通常情況下都是如此，比如固定的日光或燈光照射所引發(fā)的紅外干擾。所以，U2輸出中既包含了接近覺的方波響應(方波的高度對應接近距離)，也包含了干擾紅外光所對應的干擾電壓。從電路知，U3是U2的反向，所以由R14、R15組成的加法輸入端在調制信號前半周期時，CD4066A導通，CD4066B截止，A4輸入端只有U3信號，即輸出信號Uout是接近覺響應信號和干擾信號的疊加；同樣，后半周期A4輸入端只有U2信號，即輸出信號Uout是反向的干擾信號。所以，干擾信號在前后半周期相互抵消，接近覺信號則完全被保留了下來，該信號經低通濾波后，可以得到與接近距離對應的電壓響應信號Uout。圖13-4紅外光接收與信號解調電路圖13-5是信號調制、解調過程的波形圖。圖(a)是發(fā)射電路輸出的調制信號(同步解調信號1)，前半周期是高電平，對應紅外發(fā)光管的發(fā)射，后半周期是低電平，此時紅外發(fā)光管不發(fā)光。圖(b)是接近覺探頭離目標物的距離變化曲線。圖(c)是接近覺響應信號Us，只有在紅外發(fā)光管發(fā)光時才有輸出響應，其頻率與調制信號頻率相同，幅值與接近距離的變化曲線一致，圖中的虛線是接近距離變化的曲線。圖(d)是接近覺信號與干擾信號的疊加。通常，在紅外接近覺傳感器中，最常見的干擾源是日光和燈光，日光或照明光線中的紅外光是穩(wěn)定的，不會隨著調制信號的頻率而改變，所以可以假定干擾為一個恒定輸出，亦即該干擾信號將接近覺響應信號同步抬高了一個電平值Uc。圖(e)是解調后的輸出，如前所述，由于A3放大器的反向作用和調制信號對CD4066模擬開關的控制，A4輸出信號Uout在前半周期是接近覺響應信號與干擾信號的疊加，在后半周期中只有(反向的)干擾信號，經A4放大后，干擾信號為幅值相同、方向相反的兩個信號，其平均值為零。圖(f)是解調后的接近覺信號經低通濾波后的輸出，相當于對信號取平均值，該平均值再現了接近距離的變化，由于信號的調制頻率遠高于接近距離的變化頻率，所以濾波后的高頻干擾并不明顯。圖13-5接近覺信號調制解調過程的波形圖設接近覺響應信號為Us，干擾信號為Uc，解調后的信號為前半周期：U1=Us+Uc

后半周期：U2=-Uc

后續(xù)的低通濾波電路使輸出變?yōu)閁out=Us+Uc-Uc=Us(13-2)從而得到與接近距離變化一致的輸出曲線。接近覺傳感器在實際使用前，針對特定的目標對象物體，需要進行接近覺的標定，在實驗測得接近距離與輸出電壓之間對應數據的基礎上，繪成表格或曲線，確定接近閾值點。實際使用時，通過接近覺的輸出電壓與閾值點的比較，輸出接近覺信息，或查表得到對應的接近距離。13.1.2熱釋電紅外傳感器

1.熱釋電紅外傳感器的基礎知識自然界的任何物體，只要其溫度高于絕對零度(-273℃)，就總要不斷地向外發(fā)出紅外輻射。物體向外輻射的能量與物體的溫度有關。在單位面積、單位時間內向外輻射的能量W為W=εσ·T4(13-3)式中：σ為波耳茲曼常數，σ=5.67×10-8W/(m2·K)；T為物體的熱力學溫度，單位為K；ε為輻射比例，一般物體的ε＝0～1，ε=1的物體是黑體。由式(13-3)可知，紅外輻射的能量與物體的溫度成高次方關系，對溫度極為敏感。假定物體紅外輻射的峰值波長為λm，溫度為Ｔ，由維恩位移定律知λmT=2897.8μm·K±0.4μm·K(13-4)

兩者的乘積是恒定的，所以物體的溫度越高，它所輻射的紅外光峰值波長就越小，由式(13-3)可知其紅外輻射的能量也越大。某些被稱為“鐵電體”的電介質材料，如鈦酸鉛、硫酸三甘鈦、鉭酸鋰等，極化后有殘余極化現象，當物體受到紅外輻射時，其溫度升高，極化強度降低，表面電荷減少，相當于釋放了一部分電荷，這種現象稱為紅外輻射的熱釋電效應。溫度高于絕對零度的物體，所發(fā)出的紅外輻射光，照射到鐵電體敏感材料上，引起敏感材料溫度的變化。熱釋電輸出信號的大小取決于鐵電體材料溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射光的強弱。當恒定的紅外輻射照在由鐵電體制作的熱釋電傳感器上時，傳感器是沒有信號輸出的，只有當鐵電體溫度處于變化中時，才有信號輸出，所以必須對紅外輻射進行調制，使其呈脈沖式入射或交變入射，不斷地引起傳感器中鐵電體溫度的變化，才能導致熱釋電產生，并輸出交變的信號。

2.熱釋電紅外測溫儀紅外測溫儀通過探測目標物的紅外輻射并測定其輻射強度，來確定目標物的溫度。圖13-6是目前常用的紅外測溫儀的組成框圖。它由光學系統、光信號調制器、前置放大電路、信號處理電路、指示器等組成。它的光學系統是一個固定焦距的透射系統，物鏡為鍺透鏡。安裝時應保證其熱釋電材料的光敏面落在透鏡焦點上。為了測試指定位置目標物的溫度，常用可見光光斑來指示光學系統集光的區(qū)域。光信號調制器是一個旋轉的調制盤，由微型步進電機帶動調制盤旋轉。目標物輻射的紅外光通過光學系統到調制盤后，調制盤的旋轉使入射的穩(wěn)定紅外光轉化為到光敏面上的強弱變化的調制光，熱釋電傳感器將交變的紅外光變換為交流信號輸出，交流信號的幅值與入射紅外光的強度成正比。圖13-6紅外測溫儀組成框圖前置放大器有兩個作用:一是進行阻抗變換；二是將微弱的熱釋電信號放大。解調電路包括選頻放大和同步檢波。選頻放大的目的是只放大調制盤調制的頻率信號，這樣可抑制其它頻率的噪聲。同步檢波電路相對復雜，由倒相器、全波同步檢波器、采樣保持電路、濾波器電路等組成。其作用是將交流輸入信號轉換成峰值的直流輸出信號。加法器的作用是將環(huán)境溫度(變化)信號與測量信號相加，達到對環(huán)境溫度補償的目的，因為經過調制的交變輻射是目標與調制盤環(huán)境溫度的差值。

比輻射率(ε)調節(jié)電路實質上是一個放大電路，測溫儀出廠前都是用黑體(ε=1)標定的，當被測目標不是黑體(ε<1)時，測量信號相對減小了。該電路的作用是把測量信號相對減少的部分又恢復起來。由熱釋電紅外測溫的原理知，物體的紅外輻射與溫度是四次方關系。為了得到輸入輸出的線性關系，這里的線性化電路為一開方電路，通過對數變換、乘法、取反對數達到開方的目的，其中乘法系數就是開方的方次。信號經線性化后的測量信號與溫度呈線性關系。線性輸出經A/D轉換后送指示器顯示出測量的溫度值。

3.熱釋電人體探測傳感器目前廣泛應用的自動開關門傳感電路就是應用熱釋電人體探測傳感器的原理制作的。用高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在其兩面鍍上金屬電極，然后加電進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。圖13-7是一個雙探測元的熱釋電紅外傳感器的結構示意圖。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的在于消除因環(huán)境溫度和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號可在內部相互抵消的原理，使傳感器起到補償作用。對于輻射至傳感器的紅外輻射光，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，因此傳感器會輸出探測信號電壓。用來制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為2～20μm，覆蓋了人體輻射的紅外波長。由維恩位移定律知，人體體溫恒定，所以輻射的紅外光峰值波長也基本確定，這為區(qū)分人和其它的移動物體創(chuàng)造了條件。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，在傳感器的窗口上加裝干涉濾光片。這種濾光片除了允許某波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。圖13-7雙探測元熱釋電紅外傳感器的結構示意圖菲涅爾透鏡是人體熱釋電紅外傳感器不可缺少的組成部分，其作用一是將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外敏感元上，二是產生交替變化的紅外輻射光，以適應熱釋電敏感元的敏感要求。菲涅爾透鏡一般用塑料制造，先將塑料加工成薄鏡片，然后對鏡片進行棱狀或梳狀處理，使鏡片成為高靈敏區(qū)和盲區(qū)交替出現的透鏡。在使用時，將熱釋電傳感器安裝于透鏡的焦點區(qū)，這樣當有人在鏡前移動時，其輻射的紅外線就會通過透鏡形成高靈敏區(qū)和盲區(qū)交替出現的紅外輻射，并傳到傳感器的敏感元上，使敏感元產生交變的電脈沖信號，并通過阻抗變換器的變換完成輸出。圖13-8是一種菲涅爾透鏡的外形和監(jiān)視范圍。圖13-8菲涅爾透鏡外形及監(jiān)視范圍(a)外形；(b)垂直監(jiān)視范圍；(c)水平監(jiān)視范圍側視圖和俯視圖反映了透鏡的監(jiān)視范圍，當有人在這一范圍移動時，菲涅爾透鏡就會將透鏡形成的強弱不斷變化的紅外輻射光作用于傳感器。由于人的移動速度不可能相同，因此形成具有一定頻率的紅外輻射交變電脈沖，頻率一般在0.1～10Hz范圍內。熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱，通常僅有1ｍV左右，而且信號電壓呈脈沖形式。要使它能夠驅動負載，必須采用一個增益足夠高的放大器將其放大。一般要求放大器的增益為60～70dB，放大器的帶寬為0.3～7Hz。放大器的帶寬對它的可靠性和靈敏度有很大影響。帶寬窄，則噪聲低，誤動作率低；帶寬寬，則噪聲大，誤動率高，但對人體移動速度的變化響應好。所以，放大器的實際帶寬并非按照人體移動產生的信號頻率0.1～10Hz確定，而是在兩頭都做適當縮減，主要是為了降低誤判率。可以用由常規(guī)分立器件組成的放大電路對熱釋電信號進行放大，但因為信號微弱，且傳感器的輸出阻抗很高，分離器件組成的電路較難取得理想的輸出，所以熱釋電傳感器一般采用通用或專用的集成放大電路。這里介紹兩種控制電路SS0001和HT7600。

SS0001是一種通用型傳感器控制電路，它不僅能和熱釋電紅外傳感器的輸出良好地匹配，而且也能和其它多種傳感器進行匹配。它的內部是由運算放大器、電壓比較器、與門電路、狀態(tài)控制器、定時控制器、鎖定時間控制器和禁止電路等組成的，如圖13-9所示。圖13-9SS0001通用型傳感器控制電路(a)電路圖；(b)引腳圖該電路各引腳的具體功能如下：

(1)腳A為觸發(fā)方式控制端，當A＝1時，電路可重復觸發(fā)；當A＝0時，電路不可重復觸發(fā)。

(2)腳Uo為控制信號輸出端，當有傳感信號輸入時，Uo輸出高電平。

(3)腳Rx和腳Cｘ為輸出定時控制器Tx的外接元件端，定時時間為Tx=50×103RxCx。

(4)腳Ri和腳Ci為鎖定時間控制器Ti的外接元件端，鎖定時間Ti=24RiCi。

(5)腳RST為參考電壓及復位端，使用時一般接UDD。

(6)腳UC為觸發(fā)禁止端。當UC＜UR時，禁止觸發(fā)；當UC＞UR時，允許觸發(fā)。其中UR由內部電源提供，UR＝0.2UDD。

(7)腳IB為偏置電流設置端，由外接電阻RB接USS端，RB一般?。盡Ω。

(8)OUT２和IN２-分別為第二級運放的輸出端和反相輸入端。IN1+和IN1-分別為第一運放的同相和反相輸入端。OUT1為第一級運放的輸出端。UDD、USS分別為電源的正、負端。圖13-10是一個典型的應用電路。在SS0001的內電路中，運放A1是一個獨立的放大器，由它放大后輸出的信號電壓通過外接耦合元件輸入A2，進行第二級放大。運放A3與A4組成雙限窗孔比較器，窗孔比較器的基準電壓由內部設定；上限基準電壓UH設定為0.7UDD，下限基準電壓UL設定為0.3UDD。當使用5V電源時，UH-UL＝5×0.7-5×0.3＝2V，因此該比較器可以有效地抑制±１V的干擾電壓。A5也是一個比較器，主要用來組成光控電路和開機延時電路等，它的基準電壓UR由內部設定為0.2UDD，加在A5的反相輸入端。當A5的輸入端電壓UC高于UR時，A5輸出高電平，與門F2被打開，使與門F1輸出的檢測脈沖送入狀態(tài)控制器。通過狀態(tài)控制器將定時控制器觸發(fā)，定時開始，定時時間Tx＝50×103RxCx。定時控制器實際上是一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可選擇兩種工作方式。第一種工作方式為可重復觸發(fā)方式，需將A端置于高電平，這時，當定時控制器開始工作后又有新的觸發(fā)信號輸入時，該定時器便重新開始計算定時時間，并繼續(xù)延時一個定時時間Tx。如果不斷有新的觸發(fā)信號輸入，定時器便一次次地進行延時，直到最后一個Tx為止。在定時延續(xù)的時間內，SS0001的輸出端Uo腳一直輸出控制信號(高電平)?？芍貜陀|發(fā)工作方式特別適合于照明控制、電風扇的控制等連續(xù)工作的控制。當A端為低電平時，電路為不可重復觸發(fā)的工作方式。在這種工作方式下，在Tx的定時時間內，若有新的觸發(fā)信號輸入，定時器則不作響應，一直到該定時時間結束。這種工作方式適用于報警或一次性工作的場合。圖13-10SS0001通用型熱釋電傳感器典型應用電路

SS0001還有一個鎖定控制器，當定時控制器定時時間結束時，其輸出的下降沿將鎖定觸發(fā)器觸發(fā)，使其進入暫穩(wěn)態(tài)，其暫穩(wěn)時間Ti＝24CiRi。在Ti時間內SS0001對任何信號都不作響應。鎖定控制器的作用是消除在切換負載過程中產生的各種干擾，提高電路的工作可靠性。

HT7600系列熱釋電紅外控制集成電路是一種專用的熱釋電紅外控制電路，該系列產品有HT7603、HT7605、HT7606、HT7610、HT7620、HT7630等。該系列電路的特點是功耗較低，性能較高，具有自動光控功能，白天自動進入待機狀態(tài)。另外，還具有開機延時功能(開機后自動延時3～5s，便于操作人員退出控制區(qū))、觸發(fā)延時功能(確認0.5s后報警，以減少誤報)、增益調節(jié)功能、電源快速恢復功能、測試復位功能等。它不僅功能豐富，而且外接元件也較少，僅十余只(不包括電源)，因此組裝方便，故障率低。在驅動、輸出方面，能分別驅動繼電器、雙向可控硅和發(fā)光二極管等，可以根據不同的需要進行選型。輸出接口既可單獨使用，又可同時工作，互不干擾，這大大方便了使用者。不論是繼電器還是雙向可控硅輸出，都可根據需要選擇驅動時間。專用電路的接法非常簡單，圖13-11是HT7603A熱釋電紅外集成電路控制繼電器輸出的連接方法。圖13-11HT7603A熱釋電紅外集成電路控制繼電器輸出的連接方法13.2基于單片機的硬幣特征參數檢測系統基于單片機的硬幣特征參數檢測系統是一個綜合了傳感器、電子線路、單片機等方面知識的典型應用實例。13.2.1投幣機的工作原理硬幣自動檢測系統已經在許多場合得到應用，例如，投幣電話、自動售貨機、無人售票機、無人值守的游戲機，等等。這種系統一般要求快速準確地測出硬幣幣值，能正確區(qū)分真?zhèn)斡矌牛⒏鶕到y的設定完成相應的工作任務。下面介紹一種由電感傳感器檢測硬幣特征參數，用單片機做控制單元進行硬幣檢測、數據顯示和輸出控制的系統，該系統曾被應用于一套基于投幣機的場景自動控制系統，當所投硬幣滿足一定幣值(累加值)時，完成場景自動控制系統設定的任務，任務完成后，系統回到初始狀態(tài)。該系統的組成框圖如圖13-12所示。圖13-12投幣檢測和單片機控制電路系統組成框圖投幣機是硬幣投入和收集的裝置，同時完成對所投硬幣的自動檢測，包括硬幣真?zhèn)蔚呐袆e和硬幣幣值大小的判斷。圖13-13是投幣機的結構示意圖。它有一個入幣口和兩個出幣口，入幣口通道中設置了一路對射的光電開關，以檢測是否有硬幣投入，在硬幣行進的過程中，對射的光路被切斷，可以判斷是否有硬幣投入。兩個出幣口分別為真幣和假幣出口，真幣被收集，假幣(或不能識別的硬幣)出口設置在外側，做退幣處理。入口到兩個出口的“Y”形分叉處偏下的地方，設置兩個電磁擋鐵，在不通電時，帶彈簧自回復電磁鐵的頂端分別抵住兩個出口通道，當硬幣到達“Y”形分叉處時，硬幣被定位?！癥”形分叉處的兩側擋板上布置了兩個串接的線圈，用于檢測電感的變化。當有硬幣在分叉處停留時，硬幣的材質、大小、厚度等因素將影響線圈的輸出電感。本裝置適用的被測硬幣是壹圓和伍角，它們對應的電感基本恒定。如果是假幣，電感的離散度會比較大，所以，壹圓、伍角和假幣能容易地被識別出來。如果是真幣，對應真幣的出幣口電磁鐵通電，真幣通道開啟，硬幣導入真幣出口；反之則導入假幣出口。圖13-13投幣機結構示意圖圖13-13中，光電開關的作用是當硬幣投入投幣口后，滑入通道導致光線遮擋，輸出低電平，在單片機中斷口觸發(fā)中斷，通知單片機對投入的硬幣進行特征檢測。光電開關的檢測電路如圖13-14所示。發(fā)光二極管的發(fā)光電流I＝15～20mA，無硬幣投入時，光線直接照射光敏管，光敏管兩端電壓為低電平，反向器40106輸出高電平，硬幣投入導致光線遮擋，40106輸出一個低電平脈沖，引發(fā)中斷。圖13-14光電開關檢測電路檢測線圈檢測硬幣特性參數的原理如圖13-15示，兩個線圈同向繞線50～100匝，串接在一起，分別置于投幣機擋板的兩側。待檢測的硬幣進入“Y”形分叉處時，將被定位于兩個線圈的中間，因為硬幣通道被設計成恰好讓硬幣通過的厚度和寬度，使硬幣在線圈之間的位置相對固定，所以同一幣值硬幣對應的特征參數——電感也相對固定。圖13-15線圈檢測硬幣特征參數示意圖13.2.2硬幣特征檢測傳感電路圖13-16是硬幣特征參數檢測傳感器轉換電路。其初級電路實際上是一個電容反饋式LC振蕩電路。V1構成基本的放大電路，L、C2與放大電路構成LC振動器，即C2兩端的電壓由反饋電容C1形成正反饋，導致自激振蕩，上電后就產生振蕩信號，振蕩信號的頻率為

(13-5)圖13-16硬幣特征參數檢測傳感器轉換電路

V1產生的振蕩信號由V2完成阻抗變換。V3、V4完成振蕩信號的放大，最后由40106反向器完成整形，產生方脈沖信號輸出，脈沖信號的頻率為振蕩信號的頻率。由于L就是檢測硬幣特征的電感值，因此硬幣的特征參數通過脈沖信號的頻率反映出來。在這里，傳感器轉換電路的輸出信號是頻率，可以直接接入單片機的定時計數器端口，省卻了A/D轉換電路，電路更加簡單。為了使傳感器輸出的方脈沖能夠被單片機計數器捕捉，對輸出脈沖的頻率和寬度有一定的要求，頻率不能太高，脈沖寬度也不宜過窄，具體可根據所采用的單片機的性能指標及時鐘頻率等因素確定。

40106反向器完成正弦信號到方波信號的整形輸出，其波形整形的過程如圖13-17所示。圖中，Ui為振蕩器輸出，是一個正弦波，Uo是整形后的方波輸出。UT+和UT-分別是具有回環(huán)特性反向器的高電平觸發(fā)信號和低電平觸發(fā)信號。圖13-17正弦波的整形過程單片機控制電路相對簡單，該系統主要完成以下幾方面的功能:

(1)連接來自傳感器的接口，包括以方脈沖表示的硬幣特征值(頻率)和投幣中斷信號;

(2)與字符型液晶顯示器接口；

(3)控制真假幣出口的輸出信號和驅動電路；

(4)控制外接電器的輸出信號和繼電器驅動電路;

(5)控制單片機工作所必需的其它外圍電路。13.2.3基于單片機的投幣機檢測與控制投幣機以單片機為控制器的基本電路如圖13-18所示，該系統以ATMEL自帶Flash程序存儲器的89C51為核心。來自傳感器的信息為投幣中斷I和特征脈沖T(表示硬幣特征的頻率信號)，連接線各一根，分別接入中斷INT1和計數器T1。單片機的三個端口分配如下:P0口用做液晶顯示器的數據輸入輸出接口；P1口分為三部分，其中P10、P11作為電磁鐵控制端口，P12、P13、P14分別作為液晶顯示器的控制信號線E、R/、RS端口；P15、P16、P17為鍵值讀入線，完成對系統一些特征值的設置；P2口單純作為對外部電器控制的信號輸出端口，可以控制多達8個中間繼電器。圖13-18投幣機以單片機為控制器的基本電路控制真假幣出口的電磁鐵是特別制作的，其工作電壓為12V，功率為20W，確保動作的可靠性。為了防止電磁鐵工作對單片機的干擾，用光偶對控制信號進行隔離，圖13-18中，畫出了其中一路電磁鐵的驅動控制電路。12V電源與單片機、液晶顯示器的工作電源UCC是完全隔離的。由于電磁鐵的工作電流可高達2A左右，因此驅動電路中用功率型場效應開關管做驅動管，電磁鐵兩端并接二極管進行保護。繼電器驅動