【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)，開(kāi)關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有 無(wú) 磁性物體存在，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。 本系統(tǒng)中，當(dāng)材料是鐵時(shí)傳感器開(kāi)關(guān)閉合，產(chǎn)生電流驅(qū)動(dòng)線圈。 霍爾接近開(kāi)關(guān) 的工作原理見(jiàn)圖 。因此，本系統(tǒng)中檢測(cè)鐵物料選用霍爾傳感器為 2AV 系列。 圖 霍爾接近開(kāi)關(guān)的工作原理圖 鋁傳感器的選用 當(dāng)通過(guò)金屬體的磁通過(guò)變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流 [6]。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱(chēng)為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測(cè)量的。 + 15VR 1R fU 0V 1R 2V 2R 3 15VR 44123北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 如圖 所示， 一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通有交變電流 I1時(shí)，線圈周?chē)彤a(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng) H1。置于這一磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流 I2，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng) H2， H2 與 H1 方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng) ， 使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。 圖 電渦流傳感器原理圖 我們可以把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，這樣就可得到如圖 的等效電路。 圖中 R L1 為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為 R電感為 L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感 M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。當(dāng)鋁檢測(cè)傳感器檢測(cè)到金屬材料時(shí)，傳感器的線圈阻抗就會(huì)發(fā)生變化。 圖 電渦流傳感器等效電路圖 利用這一性質(zhì)可以把鋁傳感器和繼電器如圖 連接，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。所以本系統(tǒng)鋁傳感器選用電渦流傳感器為 ST 系列 。 H 1H 2HI 1I 2線圈被測(cè)導(dǎo)體R 1 R 2ML 1 L 2I 2I 1U 1北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 鋁傳感器開(kāi)關(guān)原理圖 顏色傳感器的選用 我們所看到的物體顏色， 實(shí)際上是物體 表面 吸收了照射到它上面 ， 白光 (日光 )中的一部分有色成分 之后 ，反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng) [7]。白色是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的，也就是說(shuō)白光中包含著各種顏色的色光 (如紅、黃、綠、青、藍(lán)、紫 )。根據(jù)三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色 (紅、綠、藍(lán) )混合而成的。如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測(cè)試物體的顏色。 高分辨率顏色傳感器 TCS230，是 我們 常 用的顏色傳感器。 對(duì)于 TCS230 來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其它原色的通過(guò)。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng) ， 同理，選擇其它的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)值，就可以分析投射到 TCS230 傳感器上的光的顏色 ，本文選擇紅色濾波器。 R2 11 2A D 2 2 0 V 電源 繼電器北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件模介紹 單片機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 單片機(jī)又稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)（ single chip microputer）又稱(chēng)為微控制處理器或嵌入式微控制處 理器。它是將計(jì)算機(jī)的部分基本組成部件做到微型化，使之集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。其上集成了包括中央處理器 CPU、片內(nèi)含有隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 ROM 或者 EOROM、并行的 8位 I/0 口，定時(shí)器與計(jì)數(shù)器，中斷控制處理器及支持總線模式等。它是工業(yè)設(shè)備控制、工業(yè)流程檢測(cè)控制和智能化電器設(shè)備控制系統(tǒng)中應(yīng)用程度最廣泛的一種處理器。這種處理器的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)自己的想法和實(shí)際需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)電子設(shè)備系統(tǒng)，因此更加的方便，更加的靈活，成本所需更低。設(shè)計(jì)基于單片機(jī)電路系統(tǒng)的基本方法是 在單片機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些 I/O 接口，如用于模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的 A/D 芯片， D/A 芯片，用于人機(jī)對(duì)話的鍵盤(pán)處理信息接口， LED燈和 LCD 接口，數(shù)碼管顯示接口等電子器件，可用于對(duì)輸出控制的按鍵接口等。然后在此硬件基礎(chǔ)上在開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用軟件就可以組成完整的單片機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)軟件調(diào)試就可以應(yīng)用在實(shí)際生活中。單片機(jī)有著體積小，功耗低，運(yùn)算速度快，功能多，性?xún)r(jià)比高，容易推廣應(yīng)用等顯著性特點(diǎn)，在自動(dòng)化控制裝置，智能化顯示儀器儀表，對(duì)于過(guò)程控制和在家用電器等眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)于國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)應(yīng)用單片機(jī)的發(fā)展情況來(lái)看，自從 80年代初起步以來(lái)，以 Intel 公司的 MCS48 系列的單片機(jī)為主導(dǎo)機(jī)種以來(lái)，單片機(jī)已有 70 多個(gè)系列，近 500多個(gè)機(jī)種，許多電子公司率先滲入到微機(jī)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并且取得了一定的應(yīng)用成果?，F(xiàn)在國(guó)際知名的公司有 Intel 公司、 Atemel 公司、 Philips 公司、 Winbond公司、 LG 公司、 Cygnal 公司、 Motorola 公司、 Zilog 公司、 Microchip 公司、。80 年代中期以來(lái)，隨著單片機(jī)的性能更強(qiáng)，運(yùn)算速度更快的 MCS51 系列的單片機(jī)加入，單片機(jī)在應(yīng)用中得到了更為迅速的推廣和更為廣泛的應(yīng)用。 系統(tǒng)主要芯片和元器件的介紹及應(yīng)用 單片機(jī)芯片 AT89S52 單片機(jī)是 ATLEM 公司推出的一種高速、低功耗、超強(qiáng)抗外界干擾微型單片機(jī)處理器，其編譯的指令代碼和 C語(yǔ)言源程序完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)，其為 40 引腳的雙列直插封裝形式的 8位通用微型計(jì)算機(jī)處理器，采用工業(yè)上規(guī)北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 定的標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核處理器，在其內(nèi)部的功能及其引腳排布上與現(xiàn)在市場(chǎng)上或者工業(yè)上通用的 8xc51 是相同，其主要功能包括對(duì)會(huì)聚主 IC內(nèi)部的寄存器、數(shù)據(jù)的 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，支持會(huì)聚調(diào)整控制，支持會(huì)聚測(cè)試圖的有 效控制，可以進(jìn)行紅外遙控信號(hào) IR 的接收解碼及與計(jì)算機(jī)主板 CPU 的通信等。 主要特性如下： 工作額定電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)） 工作的頻率范圍： 0～ 40MHz，其相當(dāng)于普通 8051 單片機(jī)的 2 倍，在實(shí)際測(cè)試中，其的最高工作頻率可達(dá) 48MHz。 32個(gè)雙向 I/O 口， 256x8bit 內(nèi)部 RAM，復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0 口內(nèi)部是漏極開(kāi)路形式輸出，當(dāng)其作為總線形式擴(kuò)展 I/O 口用時(shí)，不用加上拉電阻，但是作為普通 I/O 口使用時(shí)，需加上拉電阻，否則 無(wú)法使用P0 口作為數(shù)據(jù)傳輸。 ISP 模式（在系統(tǒng)中可編程使用） /IAP 模式（在應(yīng)用可編程使用），無(wú)需專(zhuān)用程序編程器，無(wú)需專(zhuān)用程序仿真器，就可通過(guò)串口通信（ RxD/ 口 ,TxD/ 口）直接下載用戶(hù)所編寫(xiě)的程序，只需花費(fèi)很少的時(shí)間便可以下載完程序，速度十分快、效率十分高。 AT89S52 具有 EEPROM 功能，可進(jìn)行掉電保護(hù)，電源有復(fù)位端口接入，具有看門(mén)狗功能，一共 2 個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器 T0、 T1 和外部中斷 4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒，通用型的 異步串行口（ UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART。 以下是 AT89S52 的引腳參數(shù)及其封裝說(shuō)明 AT89S52 引腳功能說(shuō)明： VCC（ 40 引腳）：電源電壓（ +5V） RST（ 9 引腳）：復(fù)位輸入端口。 ALE/（ 30 引腳）：地址鎖存控制信號(hào)（ ALE）。 PSEN（ 29 引腳）：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào) /VPP（ 31 引腳）：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端口。 XTAL2（ 18 引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端口。 下面是 AT89S52 的樣本圖 片 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 單片機(jī) P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口， 即可以作為地址或者數(shù)據(jù)總線的兩用 I/O 口。作為輸出口使用時(shí)，每一位能吸收電流的方式用以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL邏輯門(mén)電路，讓其進(jìn)行輸入口使用時(shí)必須對(duì)其寫(xiě)“ 1”，在對(duì)端口 P0 寫(xiě)“ 1”時(shí)，可作為高阻抗?fàn)顟B(tài)的輸入端口使用。在其訪問(wèn)外部芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組 I/O 口線可以分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)期間必須 激活內(nèi)部的上拉電阻才可以。在 Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令代碼字節(jié)，而在程序進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)候，輸出指令代碼字節(jié)，在進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，要求在 P0 口外接上拉電阻。 P1口是一個(gè)其內(nèi)部自帶上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，即具有通用的輸入 / 輸出功能，每一位都能獨(dú)立地設(shè)定為輸入口或輸出口使用， P1 口的輸出緩沖級(jí)可用來(lái)驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流 )4 個(gè) TTL 電平的邏輯門(mén)電路。在對(duì)其端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，即對(duì)其內(nèi)部的鎖存器寫(xiě)“ 1”，通過(guò)其內(nèi)部自帶的上拉電阻可以把其端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。在作數(shù)據(jù)輸入口使用時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)部存在的上拉電阻，它的某個(gè)引腳會(huì)被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。與 8xC51 不同之處是， 和 還可分別作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 和輸入（ ），在進(jìn)行 Flash 的編程和程序校驗(yàn)期間， P1 口用以接收數(shù)據(jù)的低 8 位地址。 P2口是一個(gè)內(nèi)部自帶有上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，即可用作輸入 / 輸出口的使用，也可作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線，輸出高 8位地址，與 P0 口一起組成16 位地址總線。 P2 口的輸出緩沖級(jí)可用以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。這里和 P1 口 是一樣，可以對(duì)其端口 P2 寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部自帶的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)或者信號(hào)使用時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)部存在上拉電阻，在其某個(gè)引腳被外部輸入的信號(hào)拉低時(shí)會(huì)對(duì)外輸出一個(gè)電流 (IIL)。 因 P3 口的功能繁多，可用作雙向數(shù)據(jù)傳輸和串口輸入輸出（ RxD/P3.口 ,TxD/ 口）故在這里把 P3 口的引腳復(fù)用功能以表格形式展示出來(lái)， 如下表： P3 口引腳復(fù)用功能 引腳號(hào) 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） （外部中斷 0） （外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） ULN20xx 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊介紹 ULN20xx 是一種高耐壓、大電流的達(dá)林頓陳列，由七個(gè) NPN 達(dá)林頓管組成。每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻，在 5V 的工作電壓下與 TTL 和 CMOS電路直接相連，可以直接處理需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。 ULN20xx 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1，灌電流可達(dá) 500mA，并且在關(guān)態(tài)時(shí)能夠承受 50V 的電壓，可以在高負(fù)載電流下并行 輸出運(yùn)行。其中，由單片機(jī) AT89S52 的 腳作為ULN20xx 的 1～ 4 口輸入端所構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 ULN20xx 步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)電路圖 LCD 液晶顯示模塊介紹 在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過(guò)器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專(zhuān)用符號(hào)和圖形。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量、輕、功耗低等 優(yōu)點(diǎn) 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、 PDA 移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示的分類(lèi)方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（ Static）、單純矩陣驅(qū)動(dòng)（ Simple Matrix）和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（ Active Matrix）三種。 在本系統(tǒng)中我們采用的是字符型液晶顯示模塊，它是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2