【正文】 2 搭建穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路的輸出對傳感器和電流電壓轉(zhuǎn)換電路中的集成運算放大器 LM358 供電。通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路，把電流轉(zhuǎn)換為電壓后，送入 PCF8591 的模擬通道 1 進行采集。電 感 式 接近開關(guān) 電流電壓轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換器 MCU LCD 顯示 BEEP 報警 傳感器外圍電路 單片機外圍電路 穩(wěn)壓電路 電源 圖 21 簡易金屬探測器整體設(shè)計框圖 第 2章 金屬探測系統(tǒng)概述 3 電壓采集完成后，進行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)電壓差值和預(yù)設(shè)靈敏度相等時，蜂鳴器報警提示檢測到金屬，同時 LCD1602顯示已檢測到金屬個數(shù)。 ME500B 單片機開發(fā)系統(tǒng)介紹 ME500B 是一款具有實驗儀、編程器、仿真器、 ISP 下載線四種功能合一的單片機綜合學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)自帶 單片機 AT89S52。 ME500B 硬件資源和接口主要包括： AT89S52 單片機； A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8591； LCD1602 顯示接口和 LED 數(shù)碼顯示管； 蜂鳴器； PCF8591 外部電壓輸入跳線接口 J9； 40Pin 外擴接口； ISP 下載接口等。單片機實現(xiàn)對整個金屬檢測系統(tǒng)的智 能控制， PCF8591 完成模擬電壓的采集和轉(zhuǎn)換，蜂鳴器用于檢測到金屬時的報警， LCD1602 用于顯示用戶界面和顯示檢測到金屬的個數(shù)。傳感器輸出為電流信號，不能直接送入 A/D轉(zhuǎn)換器，需要搭建電流電壓轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，并搭建穩(wěn)壓電路為傳感器和電流電壓轉(zhuǎn)換電路中的運算放大器提供穩(wěn)定的工作電壓。 線型接近開關(guān)傳感器 線性接近 開關(guān) 傳感器是一種屬于 物體 感應(yīng)的線性器件 。 線性接近開關(guān)傳感器特性如下： 非接觸檢測，避免了對傳感器自身和目標(biāo)物的損壞 ； 無觸點輸出，操作壽命長 ； 即使在有水或油噴濺的苛刻環(huán)境中也能穩(wěn)定檢測 ； 小型 探測 頭，安裝靈活。 按檢測方法分 類 （ 1） 通用型：主要檢測黑色金屬 ； （ 2） 所有金屬型：在相同的檢測距離內(nèi)檢測任何金屬 ； （ 3） 有色金屬型：主要檢測鋁一類的有色金屬。 電感式接近開關(guān)工作 原理 電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器， 也叫渦流式接近開關(guān)，主要由 振蕩器、 信號處理和 開關(guān)電路組成 。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化， 輸出電流值也發(fā)生變化， 由此識別有無金屬物體接近。 傳感器工作流程圖如圖 31所示。 工作電壓： 6～ 36V； 輸出狀態(tài)：常開； 輸出形式：二線直流輸出，輸出電流≤ 200mA。 傳感器外圍電路設(shè)計 電感式接近開關(guān)傳感器外圍電路設(shè)計主要包括電流電壓轉(zhuǎn)換電路和穩(wěn)壓電路的設(shè)計。 電流電壓轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計是使用集成運算放大器 LM358 搭建 一個電壓電流負(fù)反饋回路 [1]，實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 （ 1）各管腳功能 管腳 1：通道 A輸出端； 管腳 2：通道 A反向輸入端； 管腳 3：通道 A正向輸入端； 管腳 4：電源地； 管腳 5：通道 B正向輸入 端； 管腳 6：通道 B反向輸入端； 管腳 7：通道 B輸出端； 管腳 8：電源。 電流電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 金屬檢測系統(tǒng)中，傳感器輸出為電流信號，而 A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8591 采集的是電壓信號，因而必須使用電流電壓轉(zhuǎn)換電路，把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。而用運算放大器做電流電壓轉(zhuǎn)換，電路靈活，增益可調(diào)、失真小。本設(shè)計中傳感器靈敏度低（實測靈敏度為 ），故選用集成運算放大器 LM358 來實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換 [1]。 這是一典型的電壓電流負(fù)反饋回路，輸出為電壓，輸入為電流。金屬檢測系統(tǒng)中選用集成運算放大器 LM358 來搭建 電流電壓轉(zhuǎn)換電路， Multisim 仿真圖中的模擬電流源在實際電路中為電感式接近開關(guān)的輸出電流。為滿足 PCF8591 最大輸入電壓為 5V 的要求，在電路的輸出端并聯(lián)一個擊穿值為 5V 的穩(wěn)壓管二極管，當(dāng)輸出電壓值大于 5V 時，二極管反向擊穿導(dǎo)通，使輸出端短路，輸出電壓為零，起到保護 PCF8591 芯片的作用。根據(jù)輸出穩(wěn)定電壓值的不 同，可以選用不同型號的三端穩(wěn)壓器。在本設(shè)計中基于系統(tǒng)對電壓穩(wěn)定度、傳感器和集成運算放大器 LM358 對電源供電的要求，選用了三端穩(wěn)壓器 LM7812。在允許輸入電壓范圍內(nèi)，輸入電壓越高，穩(wěn)定輸出效果越好。 圖 33 電流電壓轉(zhuǎn)換電路的 Multisim 仿真電路 第 3章 傳感器介紹及硬件電路設(shè)計 9 L M 7 8 1 2 C TLINE VREGCOMMONV O L T A G EC11 0 u F P O LD1D I O D E _ V I R T U A LV114 V U2D C 1 M O h m 1 2 . 5 6 5 V+C2330pFC3100pF 三端集成穩(wěn)壓器 LM7812 的輸入、輸出端處，分別 接入 2C = 和3C = 的電容，其目的是使穩(wěn)壓器在整個輸入電壓和輸出電流變化范圍內(nèi)（ 0～ ） ，提高其工作穩(wěn)定性和改善瞬變響應(yīng)。另外為了進一步減小輸出電壓的紋波，在集成穩(wěn)壓器的輸出端并入一個 10μF 的電解電容。實際電路中， 14V 的電源通過一個可調(diào)直流電源提供。單片機外圍電路主要由 A/D轉(zhuǎn)換器 PCF8591 構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 LCD1602 構(gòu)成的液晶顯示電路和蜂鳴器報警電路組成。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 。 各管腳功能說明如下： (1) 管腳 40 VCC ：電源； (2) 管腳 20 GND： 地； (3) 管腳 32~39 P0口： P0口是一個 8位漏極開路的雙向 I/O口。對 P0端口寫 “1” 時，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。程序校驗時，需要外接上拉電阻； (4) 管腳 1~8 P1口： P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1輸出緩沖器能驅(qū)動 4個 TTL邏輯電平。此外， /計 數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入和定時器 /計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入。 P1口第二功能具體見表 31 ； 表 31 P1口第二功能 引腳號 第二功能 T2（定時器 /計數(shù)器 T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 定時器 /計數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制 MISO（在系統(tǒng)編程用） MOSI（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） (5) 管腳 21~28 P2 口： P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖 器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號； （ 6）管腳 10~17 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P2 口輸出緩 沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P3 口亦作為 AT89S52 的第二功能使用，如表 22所示； （ 7）管腳 9 RST：復(fù)位輸入。看門狗計時完成后， RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平； （ 8）管腳 30 ALE / PROG ：當(dāng)訪問訪問外部程 序存儲器時，地址鎖存控制信號有效。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR的第 0位置“ 1”， ALE 操作將無效。當(dāng) AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在每個機器周期內(nèi)被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時 PSEN 將不被激活； （ 10）管腳 31 EA/VPP ：訪問外部程序存儲器控制信號。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA 應(yīng)該接 VCC。 金屬檢測系統(tǒng)中，單片機和外圍電路的數(shù)據(jù)交換和單片機對外圍電路的控制主要使用了單片機的 、 、 ~、 P0 和 這些端口，具體連接如下： ? 口連接 PCF8591 時鐘線； ? 口連接 PCF8591 數(shù)據(jù)線； ? 口連接 LCD 數(shù)據(jù) /命令選擇端； ? 口連接 LCD 讀寫選擇端； ? 口連接 LCD 使能信號端； ? P0 口連接 LCD 數(shù)據(jù)端口； ? 口連接蜂鳴器。金屬檢測系統(tǒng)中使用型號為 PCF8591 的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。 PCF8591 是具有 I2C 總線接口的 8位 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換器。 在與 CPU 的信息傳輸過程中僅靠時鐘線 SCL 和數(shù)據(jù)線 SDA 就可以實現(xiàn)。轉(zhuǎn)換精度為： 5V/28≈ ，完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換的最大時間由 I2C總線的實際速度決定。 各管腳 功能說明如下： （ 1）管腳 1~4 AIN0～ AIN3：模擬號輸入端 ； （ 2）管腳 5~7 A0～ A2：引腳地址端 ； （ 3）管腳 8， 16VDD、 VSS：電源端 ； （ 4）管腳 9， 10 SDA、 SCL： I2C 總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線 ； （ 5）管腳 11 OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端 ； （ 6）管腳 12 EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時 圖 36 PCF8591 引腳圖 第 3章 傳感器介紹及硬件電路設(shè)計 13 鐘時 ， EXT 接地 ； （ 7）管腳 13 AGND：模擬信號地 ； （ 8）管腳 14 VREF：基準(zhǔn)電源端 ； （ 9）管腳 15 AOUT： D/A轉(zhuǎn)換輸出端 ； I2C 總線協(xié)議 I2C (InterIntegrated Circuit)總線是一種由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。例如管理員可對各個組件進行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇。 I2C 是一種較為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，具有協(xié)議完善、支持芯片多和占用I/O 少等優(yōu)點?？偩€的長度可高達 25 英尺，并且能夠以 10Kbps 的最大傳輸速率支持 40 個組件。一個主控 器 能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。 PCF8591 的 I2C 總線協(xié)議工作原理 PCF8591 在進行 A/D 轉(zhuǎn)換時 ，首先是主控器發(fā)出起始信號，然后發(fā)出讀尋址字節(jié)，被控器做出應(yīng)答后，主控器從被控器讀出第一個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出 應(yīng)答，主控器從被控器讀出第二個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答 ? ， 一直到主控器從被控器中讀出第 n個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出非應(yīng)答信號，最后主控器發(fā)出停止信號。一次 A/D 轉(zhuǎn)換周期是在發(fā)送固定的讀尋址字后，開始于時鐘脈沖的上升沿，傳送當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果的同時開始一次轉(zhuǎn)換周期， A/D 轉(zhuǎn)換時序圖如圖 38 所示 [2]。飛利蒲公司規(guī)定 A/D 器件地址為 1001。地址的最后一位為方向位 RW ，當(dāng)主控器對 A/D 器件進行讀操作時為 1，進行寫操作時為 0。 尋址字結(jié)構(gòu)如圖 39 所示。 控制字節(jié)存 放在控制寄存器中。 控制字格式如 圖 310所示 。 D2 自動增益選擇（有效位為 1） 。 圖 38 A/D轉(zhuǎn)換時序圖 圖 39 尋址字格式 第 3章 傳感器介紹及硬件電路設(shè)計 15 PCF8591 和單片機的接口電路 經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)化，符合 PCF8591 芯片輸入值要求的電壓送入 PCF8591的模擬信號輸入通道 1，其中通道 0 為 開發(fā)板上內(nèi)部電壓采集口。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線 SDA輸出， SDA 連接單片機的 口， SCL 時鐘線連接單片機的 。 PCF8591 和單片機的接口電路圖如圖 311 所示。 LCD1602 介紹 LCD1602 是一塊通用的液晶顯示模塊。結(jié)構(gòu)框圖如圖 312 所示。輸入單片機選擇模塊內(nèi)部寄存器類型信號， RS=0，當(dāng) MCU 進行寫模塊操作，指向指令寄存器；當(dāng) MCU 進行讀模塊操作，指向地址計數(shù) 器； RS=1,無論 MCU讀操還是寫操作，均指向數(shù)據(jù)寄存器； ? R/W：讀寫控制輸入端； ? EN：使能信號輸入端； ? DB0~DB7： LCD1602 和單片機的數(shù)據(jù)通道； ? LEDA（ BL+）：背光 +5V端； ? LEDK（ BL－ ）：背光 0V端。 LCD1602 和單片機的接口電路 LCD1602 和單片機的接口電路如圖 213。 LCD 數(shù)據(jù)輸出端連接