厚度传感器应用电路设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2011 年 7 月 22 日 课 程 传感器课程设计 题 目 厚度传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程 传感器课程设计 题目 厚度传感器应用电路设计 专业 测控二 10 1 姓名 学号 主要内容 主要内容 本课题的主要内容是 设计一种钞票厚度的识别装置 它采用机械传动辊轴和 霍尔传感器组成 根据机械放大原理 将检测到的微弱钞票厚度信号进行放大后 再将电路进行处理 即对高速传送中的钞票的厚度进行识别和进行控制 基本要求基本要求 1 本课题要根据所学传感器的原理知识实现钞票厚度的识别装置 2 本课题要实现高速传送中钞票厚度微小变化的精准测量 主要参考资料主要参考资料 1 何佳兵 王殿春 一种采用霍尔传感器的钞票厚度识别装置 J 机电工程技 术 2006 8 164 165 2 李东进 数字式霍尔集成厚度传感器的设计 J 郑州轻工业学院学报 2002 1 49 51 3 张锡富 传感器 M 北京 机械工业出版社 2001 202 212 4 王芳 王峰 高强 厚度传感器接口电路中自动换挡及调零技术 J 微处理机 2005 4 11 12 完成期限 2011 7 13 2011 7 22 指导教师 专业负责人 2010 年 7 月 12 日 传感器课程设计 摘 要 钞票厚度的识别技术是银行办公机具中钞票计数机 钞票清分机设计中非常 重要的识别技术 本课题介绍一种采用机械传动辊轴和霍尔传感器组成的厚度识 别装置 它采用机械放大原理 将检测到的微弱钞票厚度信号进行放大后 再将 电路进行处理 即对高速传送中的钞票的厚度进行识别和进行控制 关键词 钞票厚度 识别装置 霍尔传感 放大电路 传感器课程设计 目 录 一一 设计要求 设计要求 1 1 二 方案设计二 方案设计 1 1 1 方案说明 1 2 方案论证 2 三 传感器工作原理三 传感器工作原理 2 2 四 电路的工作原理四 电路的工作原理 4 4 五 单元电路设计 参数计算和器件选择五 单元电路设计 参数计算和器件选择 4 4 1 单元电路设计 5 2 器件选择 6 六 六 总结总结 7 7 传感器课程设计 1 厚度传感器应用电路设计 一 设计要求 钞票钞纸厚度的检测和识别 是在钞票计数机和钞票钞清分机中常常用到的 非常重要的一种钞票识别技术 由于目前对残损钞票的分类 挑选的需要 特别 是自动取款机和伪造钞票的出现 在钞票计数机和钞票清分机等钞票清点机具中 常常需要对被清点钞票中的可疑钞票 残损钞票 变造钞票 粘贴和重叠的钞票 进行识别和分选 由于要在快速运动中对钞票的厚度微小变化进行快速精确的识 别和处理 则在识别技术上具有特殊性 因此 本课题所提出的对钞票厚度进行 识别和控制的装置意在解决上述问题 精准的识别和处理钞票厚度的微小变化 二 方案设计 1 方案说明 图 1 钞票厚度检验器原理方案图 采用机械传动辊轴和霍尔传感器组成的厚度识别装置的原理方框图如图1所 示 摩擦 送钞 机构 检测 辊轴 放大 支臂 磁性 检测 体 霍尔 传感 器 霍尔 放大 器 比较 判别 器 执行 机构 钞票 分类 2 钞票 分类 1 分选 机构 压紧 弹簧 被检 测钞 票 传感器课程设计 2 其检测过程为 被检测的钞票在摩擦送钞机构的传送下 快速通过检测辊轴 钞票的厚度引起一对检测辊轴之间距离的微小变化 经过放大支臂的放大 使磁 性检测体与霍尔传感器之间的距离发生变化 这个变化引起霍尔传感器感应磁场 的变化 从而在霍尔传感器的输出端产生一个相对应这个变化的电信号 这个变 化的电信号经霍尔放大器放大后 送到由微处理器或硬件电路组成的后序处理电 路中进行处理或判别 通过执行机构控制分选机构对快速运动中的清点钞票进行 分选 将有问题的钞票分选出来 从而达到对钞票厚度的分选和识别的目的 该 厚度识别系统主要由三部分组成 机械传动辊轴检测 霍尔传感器厚度检测 电路 信号处理和控制系统 1 2 方案论证 另一种钞票厚度测量仪主要由测厚传感器 信号放大器 低通滤波器 线性 化电路 V F 变换器及单片机系统组成 霍尔厚度传感器完成厚度从非电量到电 量的转换 此信号经放大后 再由低通抑制高频噪声干扰 转换后的电信号与厚 度不成线性关系 需进行线性化处理 处理后的电信号再经过 V F 转换后输出频 率与厚度成正比的矩形波 最后用单片机系统测出此频率 从而实现钞票厚度的 测量 2 此方案与本课题提出的方案相比电路较为复杂 不易操作 实验起来难度系 数较大 因此本课题所提出的方案较优 三 传感器工作原理 图 2 霍尔传感器典型磁电转换特性 300 200 100 0 100 200 300 S N 5 6 4 6 3 6 2 6 1 6 输出电压 V 磁通密度 mT 传感器课程设计 3 本课题所采用的测量钞票厚度的传感器为霍尔传感器 霍尔传感器是一种新 型基于霍尔效应的磁性检测器件 它由一个应用霍尔效应的线性 IC 集成电路和 一个防水外壳组成 用于将磁场信号转换成电信号输出 它具有灵敏度高 响应 时间快 可靠性高 工作环境温度范围宽等特点 常常被用在磁场检测 铁类物 质检测 位置检测等领域 典型的磁电转换特性如图 2 所示 它的工作电源一般 为 DC12V 或 DC6V 工作电流在 10 到 20mA 左右 检测磁场的线性范围为 100 100mT 灵敏度在 3 30mV mT 之间 工作温度为 20 85 储存温度 可达 65 150 图3 霍尔厚度传感器输出特性 传感器输出特性见图3 由图3可知 测量系统的输出电压与覆盖层厚度之间 是非线性关系 若采用数字显示则必须对测量系统的输出 输入曲线进行线性化 处理 由于该曲线变化比较平滑 输出电压在低端变化较为陡直 高端变化比较平 缓 因此可采用分段线性插值法中不等距分段法 4 个插值点分别为 1 1mm 2 3mm 3 5mm 4 7mm 其对应的输出电压值分别为U1 U2 U3 U4 1 式中 1 2 3 4 各个分段厚度 U1 U2 U3 U4 各厚度对应的输出电压值 K1 K2 K3 K4 各个分段的灵敏度 3 4 2 4 6 8 10 厚度 mm 0 100 200 300 400 Uout mV 1 121 232 343 4 K KU KU KU U Uout 1 21 32 43 4 0 传感器课程设计 4 四 电路的工作原理 图 4 钞票厚度检测电路 图 4 给出了用于厚度检测的电路 图中 HX 为霍尔传感器 U1 RP1 RP2 C1C3 R1 构成了霍尔放大器 霍尔放大器采用了低功率 高 精度的 AD623 仪表运算放大器作为放大器件 霍尔放大器的输出直接送到由 U3 模拟数字转换器 AD7821 及 U2 基准电源 AD580 集成电路组成的模拟 数字转换器电路 进行模拟量到数字量的转换 转换后的数字量送到微处理器中 进行处理 微处理器的输出控制接口控制执行机构来驱动分选机构的工作 1 图 4 中的 RP1 用于调节没有钞票时的工作点电平 通过调节霍尔传感器工作 在它的线性工作区内 RP2 用于调节 U1 放大器的放大倍数 图中 TR1 和 RP2 构 成霍尔放大器的增益控制 它的计算公式为 2 21 RPRRC 3 1 100 GRC 式中 G 放大器增益 即霍尔放大器的放大倍数 由上式可以调节和计算霍尔放大器的放大倍数 U2 为 2 5VDC IC 用基准电源 AD580 提供给 AD7821 模拟数字转 换器作为参考电源 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 霍尔元件是测量厚度的敏感器件 输出为微弱的模拟信号 为采集其输出的 电信号 必须在其输出端增加接口电路 输出信号经过放大后变化范围较大 为了 提高测量精度 减小相对误差 需要在不同的输出电压范围时能自动换挡 改变分 辨率 5 传感器课程设计 5 1 单元电路设计及参数选择 探头和一级放大电路设计 图5 探头及一级放大电路 由霍尔元件制成的探头加电压后 其输出电压随金属表面的镀层或涂层的厚 度变化而变化 这就是霍尔元件作为厚度传感器的工作原理 一级放大电路如图 5 运放OP07输入端前加两级阻容电路用来抑制噪声降低干扰 Z1 Z2由多路开关 CD4066控制 闭合后运放工作在共模状态 输出为电压VO1 输出范围为 0 1mV 3 0mV 自动换挡电路设计 图6 自动换挡 调零及二级放大电路 自动换挡的核心元件为多路开关CD4066 由CPU发出的译码信号可以控制 CD4066的唯一一路开关闭合 如图6 一级放大的输出信号VO1经过3个精密电阻 串联分压 其阻值分别为2 7K 300 和100 分压值分别为VO1 VO1 10和 VO1 30 在二级运放3140的输入端可以得到不同的电压值 输出值VO经过模 数 传感器课程设计 6 转换器ADC0809转换为数字信号给CPU 首先使CD4066的第一路闭合 VO1直接 加到运放输入端 ADC0809输出数值在0 255之间 则采样VO1 如果ADC0809输 出数值大于255 则使CD4066的第二路闭合 放大系数为10 采样VO1 如果数值还 大于255 再使CD4066的第三路闭合 放大系数为30 这样 采样的电压值乘以分别 的系数 就可以得到相应的电压值 测量不同的厚度 调零电路设计 图7 调零电路 二级运放3140接为差模放大电路 当调零时 VO1作为参考电压 调整3140的 另一个输入端VO2使模 数转换器ADC0809的输出为零 即可认为电路已经调零 这时再以VO2作为参考电压 并维持这个电压 6 2 器件选择 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1电阻1 5 K 1 2可变电阻5 1K 2 3电容100uf 103uf 104uf3 4电解电容100uf 16V1 5集成单电源放大器AD6231 6模拟数字转换器AD78211 传感器课程设计 7 续表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 7基准电源AD5801 六 总结 本课题所介绍的厚度识别装置具有结构简单 灵敏度高 使用面广 工作可 靠等特点 它不仅使用于银行办公机具中 而且还可用于造纸 印刷 包装和板 材等方面 用来对纸张 薄膜类 板材类的材料进行厚度检测和控制 厚度检测 的精度可以达到微米级 这样一种采用机械和电子结合的识别方法 用于钞票计 数器和清分机等钞票清点机具中 来对钞票的厚度作出精准的控制和识别 大大 的提高了银行工作者的办事效率 在本次课程设计中 我首先要感谢学校给我们提供的机会 其次我要感谢我 的老师在课程设计上给予我的指导 以及提供给我的支持和帮助 这是我能顺利 完成这次报告的主要原因 更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题 让我 在反复修改中把设计做的更加完善 通过此次的课程设计 我不仅学到了许多新 的知识 而且也开阔了视野 提高了自己的设计能力 很好的锻炼了自己的耐力 最后 我要感谢帮助过我的同学 他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的 难题 同时也感谢学校为我提供良好的做课程设计的环境 传感器课程设计 8 参考文献 1 何佳兵 王殿春 一种采用霍尔传感器的钞票厚度识别装置 J 机电工程技术 2006 8 164 165 2 姚广仁 霍尔集成电路及在磁法覆盖层厚度测量中的应用 J 电子技术 1995 1 12 14 3 李东进 数字式霍尔集成厚度传感器的设计 J 郑州轻工业学院学报 2002 1 49 51 4 黄继昌 传感器工作原理及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 1998 188 190 5 张锡富 传感器 M 北京 机械工业出版社 2001 202 212 6 王芳 王峰 高强 厚度传感器接口电路中自动换挡及调零技术 J 微处理机 2005 4 11 12 东北石油大学课程设计成绩评价表 课程名称 传感器课程设计 题目