硬币自动识别与鉴伪系统设计

孙学智

（吉林工业职业技术学院，吉林　132000）

1 设计要求

现代社会硬币的应用无处不在，比如公交无人售票车、自动售货机、娱乐游戏机等。这些行业和设备由于采用无人售货的形式大大降低人工成本，但是大量的假币、残币出现，损害了经营者的利益。硬币自动识别与鉴伪系统可以大大降低残币和假币的出现，保护经营者的利益。在我国市场上流通的硬币面值是一角、五角、一元，材质主要是铝合金、钢芯镀铜合金、钢芯镀镍等。由于硬币材质和规格差异很大[1]，对硬币实现快速检测有一定困难，一般有双涡流式、高频反射式、CCD成像的方法。本系统的设计要求是在6×6的方格中，分别放有一角、五角、一元三种面值硬币和三角形铜片、方块形铝片。上面遮盖KT板，探头自动的检测每个方格，判断KT板下是否有金属，如果有金属在判断是硬币还是铜铝片，如果是硬币在判断是多大面值的硬币。系统测试图如图1所示。

2 检测原理

根据法拉第电磁感应定律[2]，将金属导体放置于变化的磁场中或者在磁场做切割磁感线运动，导体将产生呈现旋涡式流动的感应电流，这种现象叫电涡流效应。电涡流的大小与金属本身的磁导率ρ、磁导率μ、金属板的厚度L以及产生变化磁场的线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁电流频率f等参数有关。若固定其中若干参数，就能按涡流大小测量出另外的参数。

传感器线圈通入频率较高的电流，产生高频变化的磁场H。金属导体内磁场方向与H相反，起到部分抵消作用，导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化，如图2所示。

图1 系统测试图

图2 电涡流测量原理

本系统采用电涡流测量原理，特点是采用非接触式测量并且无需耦合介质，测量速度较快，便于实现自动检测。实际测量中线圈可以自制，降低成本，测量相应从零到几百千赫，灵敏度较高。电涡流传感器内部增加了磁芯设计[3]，其灵敏度得到了很大提高，对磁场信号的感应增强，大大提高了检测效果。但是由于环境中存在的电磁干扰，温度的影响及被测金属体的不稳定产生的影响，测量结果存在一定的误差。为避免环境等干扰，尽量使传感器工作在谐振频率。

电涡流传感器在谐振频率工作状态时感应信号最强，测量效果最好。感应线圈的谐振频率计算公式为：

线圈电感计算：

电感量(mH)=阻抗÷（2×3.14159）÷F（工作频率）

线圈的电容计算：

C=K×介电常数×10-6/[36ln(2a×有金属护层时的修正系数/d]。a为回路两导线中心间的距离mm；K为总的绞入系数；d为导线直径mm;自制的电涡流传感器夫人谐振频率根据公式计算得：Fc=98KHz；当激励信号频率为此信号时，传感器对金属及硬币的灵敏度最高[4]，幅值变化越明显。

3 硬件设计

本系统控制器采用STC12C5A60S2做主控芯片,传感器采用接近开关和电涡流传感器结合，搭配相应的测量电路。传感器探头运动采用直流电机驱动，整个系统结构如图3所示。

控制器采用STC12C5A60S2做主控芯片，此单片机为高速/低功耗/超强干扰的新一代单片机，此单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有的单元模块，可称的上是一个片上系统。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，在工作中在内部R/C振荡器频率，针对电机控制[5]，避免强干扰场合。指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。单片机控制电路如图4所示：

传感器采用接近开关和电涡流传感器结合。接近开关对金属的反应非常灵敏，但是无法区别不同的金属。而电涡流传感器对金属的反应不是很灵敏，但是对不同金属和不同金属质量，面积的输出信号有所不同，可以区别不同金属，所以两者可以相结合使用，接近开关快速扫描，确定编号位置内是否有金属，电涡流传感器用了细致扫描有金属的编号位置用来区分币和金属片。

图3 系统结构图

图4 单片机控制电路

主体检测电路如图6所示：电涡流的探头相当于电感接入电路，通过后级二极管D1，电感L2，电阻R5、R8，电容C4，C5等组成的检波电路可以得到波形的幅度，通过射极放大器即可输出。此电压通过简单5：1分压和正负转换后接入单片机。60S2单片机内置10位A/D，将微小的电压差值放大，再经过查表[6]，可探出金属，电路如图6所示。

4 软件设计

根据系统设计要求软件部分主要实现键盘的设置和显示查找出隐蔽在PK板下随机摆放的硬币和金属片的检测，程序流程图如图7所示。

上电后，利用TFT彩屏上的软键盘进行设置初始状态。利用电机带动轴横向转动x距离和纵向转动y距离，带动传感器到达目标位置（x，y）。对PK板进行6×6行列顺序扫描，首先使用接近开关扫描确定哪个方格内有金属片[7]。若扫描到金属片，则利用电涡流传感器进行局部精细扫描，确定硬币面值或者金属片种类，信息显示在TFT屏幕上。若超出扫描范围，停止工作。

液晶屏显示部分程序设计主要显示：①系统名称；②显示是否有金属；③显示检测物体是硬币还是铜铝片；④显示为硬币后，在显示是多大面值的硬币；⑤显示探测器当前状态，例如“正在扫描”，“**号方格发现目标”，“正在识别目标，请稍后”，“识别完毕，目标体为**，继续扫描请触摸屏幕”等。

5 系统调试

5.1 硬件测试

传感器测试电路工作电压为12V，自制漆包线缠绕线圈为传感器，采用双层双滑道结构检测工作区域为6×6方格（边长10厘米）。通过万用表，对电路进行分析，各种硬币值进行比较，进而完成对硬件的测试。

图6 测量电路图

图7 程序流程图

5.2 软件仿真测试

在没有焊接电路的时候，需要对已经设计好的电路，在Multism软件中进行调试，在与预想现象符合一致，进行硬件的焊接[8]。

5.3 软硬件联调

把编制好的程序下载到单片机中，搭建完成测试电路。用万用表记录A/D转换值，反复对程序进行调试，最后达到预想的效果。

表1 硬币检测测量电压输出数据表（单位：V）

6 结论

根据上述测试数据，可以得出以下结论：①可以区分一角、五角、一元硬币；②可以区分铝片和铜片；③能够存储并显示位置和硬币种类，能够进行回放；④电涡流传感器很敏感，非常容易受干扰。

综上所述，本设计达到设计要求。

参考文献：

[1]张金玲. 电涡流传感器在硬币清分和识别中的应用研究[A]. 中国电子学会电磁兼容分会、中国通信学会电磁兼容委员会.第二十届全国电磁兼容学术会议论文集[C].中国电子学会电磁兼容分会、中国通信学会电磁兼容委员会,2010:4.

[2]王亚.硬币识别检测装置[D].长沙:中南大学,2009.

[3]刘艺柱,周小川.硬币识别器传感线圈参数设计及改进[J].磁性材料及器件,2010,41(3):57-60.

[4]刘永顺. 电涡流效应及其应用[J]. 中学物理,2012,30(17):67-68.

[5]倪刚. 基于AT89C51智能循迹小车设计[J]. 电子技术与软件工程,2014,(14):266.

[6]孙艳秋.电涡流传感器的技术优势与应用[D].电子元件与材料,2014.

[7]肖炜,张毅. 电视机的AV切换电路设计[J]. 数字通信,2009,36(02):90-92.

[8]张亚.有源模拟带通滤波器的设计[D].电子科技,2009.

[9]董娜. 基于彩色图像的手部特征点自动识别方法[J]. 软件,2017,38(03):97-103.

[10]李健,龙永红,石伟,杨丹君,张禹. 汽车里程表读数自动识别系统的研究与实现[J]. 新型工业化,2016,6(04):1-7.