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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目: 硬幣識別器 專業(yè): 機(jī)電一體化技術(shù) 班級: 07415 學(xué)號: 05 姓名: 鄧 文 燕 指導(dǎo)老師: 王 超 成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校二一年六月1 成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要科技的發(fā)展帶動了社會的發(fā)展，城市的公交系統(tǒng)也是社會發(fā)展夫人一種體現(xiàn)于是公交系統(tǒng)的更新?lián)Q代也是在所難免，車載的投幣系統(tǒng)經(jīng)歷了多次的發(fā)展過程，而假幣的出現(xiàn)將投幣器上升到了一個(gè)新的高度，投幣器必須加入貨幣識別系統(tǒng)，硬幣識別器是一種與投幣器結(jié)合使用的儀器。使用方便、檢測精度高并且有廣大的發(fā)展前景。硬幣識別器主要識別的是現(xiàn)在國家發(fā)行的一元、五角、一角的硬幣。我國目前發(fā)行的1元,5角和1角硬幣的金屬原材料是為造幣而專門使用的特殊合金,因此在它通過投幣入口進(jìn)入由電感和電容組成的特定傳感器,金屬材質(zhì)和體積的差異對電容量和電感量的影響大小也出現(xiàn)微弱差異,電容量、電感量的變化引起交流檢測電路的電壓的變化;再通過測量放大器將電壓信號放大,再在電壓比較器中與設(shè)定值進(jìn)行比較,將此模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制電路完成對金屬硬幣的識別。關(guān)鍵詞：電容傳感器、電感傳感器、檢測電路、單片機(jī)控制電路。 2010年06月 Abstract The development of technology led to the development of our society. The city bus system is a social development embodied his wife then transit system upgrades are inevitable. Vehicle coin system has experienced a number of the development process, and the emergence of counterfeit money for coin rose to a new height, coin device must join the monetary identification system for identification of coins is a coin with the combined use of the equipment. Easy to use, high precision and broad development prospects. Clifton coins now identify as long as a national issue, 2.50, 3.10 coins. China currently issued by the dollar to 50 cents and 10 cents coins metal materials for the exclusive use of mints and the special alloy, So it through the entrance into the coin by the inductance and capacitance of specific sensors, The metal material and size differences of capacity and inductance of the size differences have emerged weak, capacity, inductance voltage changes caused the change; through the detection of the signal amplification circuit, and setting values, identify certain types of coins, digital signal transmission to the MCU control circuit completion of the identification of metal coins.Keywords: Capacitance sensor Inductance Sensor Detection Circuit SCM control circuit 2010.06 目 錄摘 要Abstract目 錄第一章 緒 論11.1 硬幣與識別器的發(fā)展1 1.1.1 硬幣的發(fā)展11.1.2 硬幣識別器的發(fā)展與分類4第二章 總體設(shè)計(jì)方案72.1 總體設(shè)計(jì)思路72.2總體方案的確定7第三章 硬件電路設(shè)計(jì)103.1電路設(shè)計(jì)思路1032各組成電路原理與應(yīng)用113.2.1電橋電路113.2.2測量放大電路133.2.3整流電路153.2.4 濾波電路173.2.5電壓比較器183.2.6 AD轉(zhuǎn)換器203.2.7單片機(jī)介紹223.2.9光電耦合器293.2.10 電容光電開關(guān)TC-3330303.2.10 鎖存器74LS373313.2.11 數(shù)碼管的靜態(tài)顯示333.2.12 譯碼器74LS138343.3 電磁鐵35第四章 軟件設(shè)計(jì)374.1 總體設(shè)計(jì)思路374.2 部分軟件設(shè)計(jì)374.2.1 硬幣識別流程圖374.2.2 顯示流程圖38結(jié) 論40謝 辭41參考文獻(xiàn)42附 錄 A43 1 第一章 緒 論1.1 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)歷了六次重大的演變： 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。 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（爰金、蟻鼻錢）。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 據(jù)漢書食貨志記載，劉邦建漢后，允民私鑄錢幣。豪紳富商和地方勢力乘機(jī)大鑄惡錢而牟利。文帝時(shí)“鄧通大夫也，以鑄錢財(cái)過王者?！?元鼎四年（前一一五年），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。此后，歷代鑄幣皆由中央直接經(jīng)管。鑄幣權(quán)收歸中央，對穩(wěn)定各朝的政局和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了重要的作用。 4、由文書重量向通寶、元寶的演變 秦漢以來所鑄的錢幣，通常在錢文中都明確標(biāo)明錢的重量，如“半兩”、“五銖”、“四銖”等等（二十四銖為一兩）。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”。 5、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。 6、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)明和使用金屬硬幣之前，人們曾經(jīng)用各種各各樣的自然物來充當(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?，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(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。在中國主要用于制造硬幣的材料如下表：硬幣的材質(zhì)： 第四套人民幣硬幣一覽表 1元硬幣 國徽、國名、漢語拼音年號 牡丹花、面額 鋼芯鍍鎳 25.0毫米 1992.6.1 5角硬幣 國徽、國名、漢語拼音年號 梅花、面額 銅鋅合金 20.5毫米 1992.6.1 1角硬幣 國徽、國名、漢語拼音年號 菊花、面額 鋁鎂合金 22.5毫米 1992.6.1 第五套人民幣硬幣一覽表 1元硬幣 行名、面額、拼音、年號 菊花 鋼芯鍍鎳 25毫米 2000.10.16 5角硬幣 行名、面額、拼音、年號 荷花 鋼芯鍍銅合金 20.5毫米 2002.11.18 1角硬幣 行名、面額、拼音、年號 蘭花 鋁合金 19毫米 2000.10.16隨著社會經(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。日常生活中，一元的假硬幣往往不被人們所警覺。在成都市公交集團(tuán)收銀中心的資料顯示，僅2006年9月份，公交二公司、三公司和六公司下屬的27條無人售票公交路線收到的一元假硬幣和部分紙幣就達(dá)8400元，其中一元的假硬幣為7980個(gè)，占當(dāng)月車票總收入的0.13%。27條無人售票線路月收假幣8400元。公交公司一份關(guān)于一元假硬幣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)了解到，2006年10月份，公交2公司、3公司和6公司下屬的27條無人售票公交線路收到的一元假硬幣和部分紙幣總數(shù)量為2058元，最少的一天收了30個(gè)，最多的高達(dá)100個(gè)。僅9月份，公交二公司、三公司和六公司下屬的27條無人售票公交路線收到的一元假硬幣和部分紙幣就達(dá)8400元。不少公交司機(jī)稱，他們難以對每個(gè)乘客所投的硬幣進(jìn)行一一鑒別。因此硬幣識別器應(yīng)該盡快應(yīng)用到成都市的公交系統(tǒng)。1.1.2 硬幣識別器的發(fā)展與分類隨著社會的進(jìn)步人們的生活水平有了很大的提高，人們?yōu)榱朔奖愠鲂邢破鹆速I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?；乃刭|(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)用在自動售貨機(jī)、自動投幣飲水機(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。硬幣識別器的發(fā)展將伴隨中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展一路發(fā)展下去。韓國的硬幣和紙幣識別技術(shù)伴隨著韓國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展一路發(fā)展過來，但可惜還沒有達(dá)到歐美的水平即將被中國的技術(shù)所取代，現(xiàn)在中國進(jìn)口韓國的咖啡機(jī)很多，其原裝的投幣器識別性能很差，已經(jīng)被深圳萊恩德公司的投幣器所取代。中國本土投幣器將是中國市場最終的市場占有者。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。第二章 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。2.1 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。 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(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)；2.2總體方案的確定1、在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到硬幣識別器會安置在儀器設(shè)備上，因此其體積不能太大和過重。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殼與機(jī)械部分的材料來言：外殼與投幣通道最好是使用塑料，在硬幣進(jìn)入投幣通道時(shí)，有兩種傳感器對硬幣進(jìn)行識別，因此塑料外殼和通道不僅可以防止漏電，還可以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的，所以電磁鐵的吸引重量是選用材料的前提。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： 因此我選用的是：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)電容和電感參數(shù)的改變量不同來辨別。電容傳感器：下面是有關(guān)變介質(zhì)電容傳感器的公式 （公式1） （公式2）一般取空氣的介質(zhì)為1，其介電常數(shù)為1，則上式可變?yōu)椋海ü?）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)變壓器使其變?yōu)?5V、12V和5V的電壓，這三個(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)特性呢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。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)思路在設(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、和電感線圈傳感器、檢測電路、單片機(jī)控制電路組成。變介質(zhì)平板電容傳感器是通過檢驗(yàn)硬幣的厚度來辨別真?zhèn)蔚?，?dāng)硬幣通過投幣口進(jìn)入平板電容傳感器時(shí)會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)入單相橋式整流濾波電路將交流變?yōu)橹绷鞑V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)單相橋式整流濾波電路是將交流變?yōu)橹绷髟賯魅雴纹瑱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AD 轉(zhuǎn)換器單片機(jī)控制電路 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。32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。交流電橋電容式傳感器配用的交流電橋。這種電橋有兩種接法圖3.2.1圖3.2.1為雙臂皎潔的橋路，其中、為電橋的4外橋臂，是圖3.2.1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)電容式傳感器沒有測到有硬幣通過時(shí)，被測物理量X=0時(shí)，輸出=CO,交流電橋平衡，此時(shí) 則： Uo=0（ 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。圖3.2.2電感式傳感器配用的交流電橋圖3.2.2中的Z1和Z2為螺管式查差動變壓器的兩個(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幼杩梗赃@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(dāng)查動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。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11000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 目前，國內(nèi)外已有不少廠家生產(chǎn)了許多型號的單片測量放大器芯片，供用戶選用。而我選擇的是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的AD612. 圖3.2.3AD612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)如圖所示。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(luò)電阻構(gòu)成的放大器增益精度高，最大增益誤差不超過,用戶可以很方便地連接這些網(wǎng)絡(luò)的引腳，獲得11024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/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(gè)運(yùn)算放大器組成的，在使用是應(yīng)該注意：差動輸入端的連接。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，這樣也形成了差動輸入端的連接。正是因?yàn)锳D612的這些特點(diǎn)所以我選用了它做為信號傳輸?shù)姆糯笃鳌?.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?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o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)āｋ娏髁鬟^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3.2.4 (a) 圖3.2.4 (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波形。 圖3.2.5 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。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。 圖3.2.6 有源濾波電路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。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。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3.2.8： 圖3.2.8 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3.2.9（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。傳輸特性和回差電壓UTH 滯回比較器的傳輸特性如圖3.2.9(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)閁TH2,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蝻柡碗妷?Uom。 由上分析可知，該比較器具有滯回特性。 圖 3.2.9 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，比較器就不會因?yàn)楦蓴_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(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。 圖 3.2.10 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(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(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巴獠吭O(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是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時(shí)/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)存儲器(RAM)8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和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