【文章內(nèi)容簡介】 時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有 無 磁性物體存在，進而控制開關(guān)的通或斷。 本系統(tǒng)中，當(dāng)材料是鐵時傳感器開關(guān)閉合，產(chǎn)生電流驅(qū)動線圈。 霍爾接近開關(guān) 的工作原理見圖 。因此，本系統(tǒng)中檢測鐵物料選用霍爾傳感器為 2AV 系列。 圖 霍爾接近開關(guān)的工作原理圖 鋁傳感器的選用 當(dāng)通過金屬體的磁通過變化時，就會在導(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)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(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行測量的。 + 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（論文） 17 如圖 所示， 一個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，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場 H1。置于這一磁場中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流 I2，電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場 H2， H2 與 H1 方向相反，因而抵消部分原磁場 ， 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 我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(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)體間存在一個互感 M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。當(dāng)鋁檢測傳感器檢測到金屬材料時，傳感器的線圈阻抗就會發(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，實現(xiàn)開關(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（論文） 18 圖 鋁傳感器開關(guān)原理圖 顏色傳感器的選用 我們所看到的物體顏色， 實際上是物體 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光混合在一起構(gòu)成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光 (如紅、黃、綠、青、藍、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 )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。 對于 TCS230 來說，當(dāng)選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強 ， 同理，選擇其它的濾波器，就可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，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（論文） 19 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件模介紹 單片機技術(shù)簡介 單片機又稱為單片微型計算機（ single chip microputer）又稱為微控制處理器或嵌入式微控制處 理器。它是將計算機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算機。其上集成了包括中央處理器 CPU、片內(nèi)含有隨機存儲器 RAM、程序存儲器 ROM 或者 EOROM、并行的 8位 I/0 口，定時器與計數(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是設(shè)計開發(fā)人員可以根據(jù)自己的想法和實際需要進行開發(fā)研究，設(shè)計一個基于單片機電子設(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)計基于單片機電路系統(tǒng)的基本方法是 在單片機的基礎(chǔ)上擴展一些 I/O 接口，如用于模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的 A/D 芯片， D/A 芯片，用于人機對話的鍵盤處理信息接口， LED燈和 LCD 接口，數(shù)碼管顯示接口等電子器件，可用于對輸出控制的按鍵接口等。然后在此硬件基礎(chǔ)上在開發(fā)一些應(yīng)用軟件就可以組成完整的單片機控制系統(tǒng)，經(jīng)過軟件調(diào)試就可以應(yīng)用在實際生活中。單片機有著體積小，功耗低，運算速度快，功能多，性價比高，容易推廣應(yīng)用等顯著性特點，在自動化控制裝置，智能化顯示儀器儀表，對于過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。針對于國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用單片機的發(fā)展情況來看，自從 80年代初起步以來，以 Intel 公司的 MCS48 系列的單片機為主導(dǎo)機種以來，單片機已有 70 多個系列，近 500多個機種，許多電子公司率先滲入到微機控制的各個領(lǐng)域，并且取得了一定的應(yīng)用成果?，F(xiàn)在國際知名的公司有 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，隨著單片機的性能更強，運算速度更快的 MCS51 系列的單片機加入，單片機在應(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 單片機芯片 AT89S52 單片機是 ATLEM 公司推出的一種高速、低功耗、超強抗外界干擾微型單片機處理器，其編譯的指令代碼和 C語言源程序完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機，其為 40 引腳的雙列直插封裝形式的 8位通用微型計算機處理器，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（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)在市場上或者工業(yè)上通用的 8xc51 是相同，其主要功能包括對會聚主 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，支持會聚調(diào)整控制，支持會聚測試圖的有 效控制，可以進行紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與計算機主板 CPU 的通信等。 主要特性如下： 工作額定電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） 工作的頻率范圍： 0～ 40MHz，其相當(dāng)于普通 8051 單片機的 2 倍，在實際測試中，其的最高工作頻率可達 48MHz。 32個雙向 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)部是漏極開路形式輸出，當(dāng)其作為總線形式擴展 I/O 口用時，不用加上拉電阻，但是作為普通 I/O 口使用時，需加上拉電阻，否則 無法使用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），無需專用程序編程器，無需專用程序仿真器，就可通過串口通信（ RxD/ 口 ,TxD/ 口）直接下載用戶所編寫的程序，只需花費很少的時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，可進行掉電保護，電源有復(fù)位端口接入，具有看門狗功能，一共 2 個 16位定時器 /計數(shù)器。即定時器 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），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART。 以下是 AT89S52 的引腳參數(shù)及其封裝說明 AT89S52 引腳功能說明： 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（ ALE）。 PSEN（ 29 引腳）：外部程序存儲器選通信號 /VPP（ 31 引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(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（論文） 21 圖 單片機 P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 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，每一位能吸收電流的方式用以驅(qū)動 8 個 TTL邏輯門電路，讓其進行輸入口使用時必須對其寫“ 1”，在對端口 P0 寫“ 1”時，可作為高阻抗?fàn)顟B(tài)的輸入端口使用。在其訪問外部芯片的數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組 I/O 口線可以分時進行轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用，在訪問外部數(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， P0 口接收指令代碼字節(jié)，而在程序進行校驗時候，輸出指令代碼字節(jié)，在進行校驗時，要求在 P0 口外接上拉電阻。 P1口是一個其內(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，每一位都能獨立地設(shè)定為輸入口或輸出口使用， P1 口的輸出緩沖級可用來驅(qū)動（吸收或者輸出電流 )4 個 TTL 電平的邏輯門電路。在對其端口寫“ 1”時，即對其內(nèi)部的鎖存器寫“ 1”，通過其內(nèi)部自帶的上拉電阻可以把其端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。在作數(shù)據(jù)輸入口使用時，因為其內(nèi)部存在的上拉電阻，它的某個引腳會被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IIL)。與 8xC51 不同之處是， 和 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入（ ）北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 和輸入（ ），在進行 Flash 的編程和程序校驗期間， P1 口用以接收數(shù)據(jù)的低 8 位地址。 P2口是一個內(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 口的輸出緩沖級可用以驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。這里和 P1 口 是一樣，可以對其端口 P2 寫“ 1”，通過內(nèi)部自帶的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口進行輸入數(shù)據(jù)或者信號使用時，因為其內(nèi)部存在上拉電阻，在其某個引腳被外部輸入的信號拉低時會對外輸出一個電流 (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， 如下表： P3 口引腳復(fù)用功能 引腳號 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（定時器 0 的外部輸入） T1（定時器 1 的外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ULN20xx 電機驅(qū)動模塊介紹 ULN20xx 是一種高耐壓、大電流的達林頓陳列，由七個 NPN 達林頓管組成。每一對達林頓都串聯(lián)一個 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)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN20xx 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1，灌電流可達 500mA，并且在關(guān)態(tài)時能夠承受 50V 的電壓，可以在高負載電流下并行 輸出運行。其中，由單片機 AT89S52 的 腳作為ULN20xx 的 1～ 4 口輸入端所構(gòu)成的步進電機驅(qū)動電路 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 ULN20xx 步進電機模塊設(shè)計電路圖 LCD 液晶顯示模塊介紹 在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、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、專用符號和圖形。 在單片機系統(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 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，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、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、 PDA 移動通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點陣式等。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)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（ Static）、單純矩陣驅(qū)動（ Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（ 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，它是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2