基于ARM的硬幣鑒別系統(tǒng)設(shè)計

王娟+吳昊+付成偉+荊亞

摘 要： 為減少市面上假硬幣的的流通，提出一種基于ARM的硬幣鑒別系統(tǒng)設(shè)計。這個測試系統(tǒng)是一個復(fù)合測試系統(tǒng)，使用4個傳感器，包括電容傳感器、電磁傳感器、渦流傳感器、光學(xué)傳感器檢測檢測硬幣的材質(zhì)，厚度，直徑信息。系統(tǒng)的信號采集電路以AD9480為主，實現(xiàn)硬幣特征量的高速高效采集處理。采集處理后的硬幣特征數(shù)據(jù)送入STM32，通過與其真幣特征值的比較來實現(xiàn)硬幣的鑒別。實踐表明，該系統(tǒng)達到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 硬幣鑒別； ARM； 傳感器； AD9480

中圖分類號： TN710?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）18?0114?03

Design of coin identification system based on ARM

WANG Juan， WU Hao， FU Cheng?wei， JING Ya

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： In order to reduce the false coin circulation， a design of coin identification system based on ARM is presented in this paper. This is a composite testing system， in which capacitive sensor， electromagnetic sensor， eddy current sensor and optical sensor are used， to detect the material， thickness and diameter of coins. The signal acquisition circuit system is based on AD9480 to realize high?speed and efficient acquisition and processing of coin features. The processed feature data of coins is sent to STM32 to compare the data with true coin values to identify the detected coins. This system has a great market prospect.

Keywords： coin identification； ARM； sensor； AD9480

0 引 言

人民幣硬幣是由多種金屬材料合成而成，以一元硬幣為例，其中含鐵、碳、鎳等不同金屬，其中各種材料的比例多少是國家的機密。由于造假者并不了解真幣的各種材質(zhì)比例及制造工藝，只是在材質(zhì)、尺寸、質(zhì)量、圖案上進行模仿，目前，對假硬幣進行的鑒別方法主要有圖像對比法、稱質(zhì)量法和渦流傳感器檢測法。圖像法硬件成本高，不易做到實時性，稱重法片面，渦流傳感器對一些特定硬幣檢測的限制性等等。所以，設(shè)計出一種對國內(nèi)外多種硬幣材質(zhì)有效鑒別的系統(tǒng)，以電磁感應(yīng)原理，電容器原理及電子技術(shù)為硬件技術(shù)支持，以STM32單片機為核心的系統(tǒng)。文中介紹了系統(tǒng)具體設(shè)計和實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是基于ARM 的硬幣鑒別系統(tǒng)，單片機采用ST公司的STM32F103VE型號，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制和對數(shù)據(jù)的采集和處理，并且提供報警等服務(wù)。由線性CCD組成的光學(xué)傳感器，硬幣經(jīng)過時，可以檢測其直徑。由兩個極板構(gòu)成的電容極板，硬幣的厚度會影響兩極板上的電容，進而影響電壓的變化，電壓信號在經(jīng)過濾波和放大，通過AD9480采集到表征硬幣厚度的電壓值。電磁傳感器和渦流傳感器，因金屬材質(zhì)的不同會對傳感器的電感量大小產(chǎn)生影響，然后分別經(jīng)過頻率計和電壓比較器后，單片機采集其表征金屬材質(zhì)的頻率值。將AD9480和單片機采集所得到的4組值與存儲在單片機內(nèi)的真硬幣的特征值相比較，即可確定硬幣真假和種類。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件檢測原理及方法

本文設(shè)計的硬幣鑒別系統(tǒng)有硬幣真?zhèn)舞b別、假幣報警、學(xué)習(xí)功能。以下將對此系統(tǒng)的工作原理，總體結(jié)構(gòu)進行闡述。

2.1 電磁傳感器

電磁傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

將線圈（圖2中紅色部分）接入諧振電路，當(dāng)硬幣（圖1中灰色部分）從線圈中間通過時，由于電磁感應(yīng)，影響線圈是Q值和L，公式如下：

[f=12πLC] （1）

[Q=ωLR] （2）

根據(jù)式（1）、式（2）可知，電感系數(shù)改變會改變自身的[Q]值和[L]值，由此得出頻率[f]，通過用單片機采集頻率，計算，對比即可通過材質(zhì)辨別硬幣的真假。電磁感應(yīng)原理如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 電磁傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3 電磁感應(yīng)原理圖

2.2 渦流傳感器測

使用兩側(cè)線圈產(chǎn)生特定高頻率電磁波，硬幣經(jīng)過時會產(chǎn)生渦流效應(yīng)，可以檢測包絡(luò)覆蓋以及內(nèi)外圈不同金屬的硬幣。兩側(cè)線圈（圖4中兩端黑色部分）產(chǎn)生特定頻率的電磁波，硬幣經(jīng)過時會產(chǎn)生渦流效應(yīng)，進而影響線圈的的質(zhì)量因子，電感，阻抗等。原理如上，然后根據(jù)頻率的變化，經(jīng)過單片機采集，計算，對比即可通過材質(zhì)經(jīng)行真假硬幣和幣種的辨別。

2.3 電容傳感器測量厚度

利用平行板電容原理檢測硬幣厚度。圖5中硬幣兩側(cè)紅色部分為平行板金屬電極。

當(dāng)硬幣通過硬幣口進人平行電容傳感器時（如圖5所示）會引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應(yīng)電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過電容傳感器配用的交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換成電壓信號。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[圖4 渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖5 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖]

其中變間隙式平行電容傳感器通過檢驗硬幣的尺寸、厚度來辨別真?zhèn)?，硬幣?jīng)過電容傳感器會引起電容的變化，經(jīng)交流電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號見圖6。經(jīng)過信號放大，可用單片機的A/D來采集，經(jīng)單片機的處理，在單片機中進行真假幣判斷。

圖6 平行電容傳感器

2.4 光學(xué)傳感器

用光學(xué)傳感器測量直徑，直徑測量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻基本可以實現(xiàn)0.1 mm精度測量，測量速度50 ms左右。

圖7中左側(cè)黑色部分為線陣CCD傳感器，右側(cè)為線性光源。

圖7 光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖

3 控制部分及數(shù)據(jù)分析

3.1 控制部分

單片機在初始化之后，系統(tǒng)選擇運行模式（如圖8所示），若為學(xué)習(xí)模式，則進入學(xué)習(xí)模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進入通道，如若沒有，繼續(xù)等待，若有真幣，則通過A/D采集傳感器轉(zhuǎn)換過來的數(shù)值，經(jīng)過單片機處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標(biāo)準(zhǔn)特征值。

圖8 系統(tǒng)總體模式

圖9 單片機學(xué)習(xí)模式

若是工作模式，則進入工作模式子程序，把經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換，A/D采集，單片機處理后的待測硬幣特征值與E2PROM中的標(biāo)準(zhǔn)特征值進行比較，來判定硬幣的真?zhèn)?。如果待測硬幣特征值的差值在預(yù)設(shè)的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)定待測硬幣為真，真幣數(shù)量加1。若待測硬幣特征值在預(yù)設(shè)的誤差范圍之外，繼續(xù)與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發(fā)出聲音報警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測。如圖10所示。

3.2 檢測數(shù)據(jù)及分析

不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質(zhì)等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統(tǒng)對真幣進行檢測，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應(yīng)用本系統(tǒng)進行鑒別真假幣時，只需把待測硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實驗測試值如表1所示。

圖10 單片機工作模式

表1 幾種硬幣的檢測范圍及分析表

4 結(jié) 論

本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎(chǔ)，對硬幣進行材質(zhì)檢測，兩種傳感器可保證能夠?qū)賻诺牟馁|(zhì)如包絡(luò)，覆蓋等的形式進行有效鑒別。本文應(yīng)用光學(xué)傳感器和電容傳感器有效檢測硬幣的直徑和厚度，可以進一步鑒別硬幣和區(qū)分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統(tǒng)實現(xiàn)了快速采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制等功能，通過測試，運行良好，有很大的市場應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為付成偉。

參考文獻

[1] 黃祥龍，李中會.一種基于solidworks的新型硬幣鑒偽分揀機設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（11）：60?63.

[2] 劉藝柱，郭素娜.基于電渦流傳感器的硬幣識別系統(tǒng)的設(shè)計[J].河南理工大學(xué)學(xué)報，2010（4）：29?30.

[3] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 呂冰，葉婷婷，趙劍鋒.基于電磁檢測技術(shù)的硬幣檢偽裝置[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（12）：80?82.

[5] 張宇珩，宋楊，王薏霖，等.基于應(yīng)變傳感器的硬幣識別裝置的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（1）：124?125.

[6] 周杰，張德均，陳庭勛.基于電渦流的銅膜測厚研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（7）：179?182.

利用平行板電容原理檢測硬幣厚度。圖5中硬幣兩側(cè)紅色部分為平行板金屬電極。

當(dāng)硬幣通過硬幣口進人平行電容傳感器時（如圖5所示）會引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應(yīng)電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過電容傳感器配用的交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換成電壓信號。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[圖4 渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖5 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖]

其中變間隙式平行電容傳感器通過檢驗硬幣的尺寸、厚度來辨別真?zhèn)危矌沤?jīng)過電容傳感器會引起電容的變化，經(jīng)交流電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號見圖6。經(jīng)過信號放大，可用單片機的A/D來采集，經(jīng)單片機的處理，在單片機中進行真假幣判斷。

圖6 平行電容傳感器

2.4 光學(xué)傳感器

用光學(xué)傳感器測量直徑，直徑測量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻基本可以實現(xiàn)0.1 mm精度測量，測量速度50 ms左右。

圖7中左側(cè)黑色部分為線陣CCD傳感器，右側(cè)為線性光源。

圖7 光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖

3 控制部分及數(shù)據(jù)分析

3.1 控制部分

單片機在初始化之后，系統(tǒng)選擇運行模式（如圖8所示），若為學(xué)習(xí)模式，則進入學(xué)習(xí)模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進入通道，如若沒有，繼續(xù)等待，若有真幣，則通過A/D采集傳感器轉(zhuǎn)換過來的數(shù)值，經(jīng)過單片機處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標(biāo)準(zhǔn)特征值。

圖8 系統(tǒng)總體模式

圖9 單片機學(xué)習(xí)模式

若是工作模式，則進入工作模式子程序，把經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換，A/D采集，單片機處理后的待測硬幣特征值與E2PROM中的標(biāo)準(zhǔn)特征值進行比較，來判定硬幣的真?zhèn)巍Ｈ绻郎y硬幣特征值的差值在預(yù)設(shè)的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)定待測硬幣為真，真幣數(shù)量加1。若待測硬幣特征值在預(yù)設(shè)的誤差范圍之外，繼續(xù)與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發(fā)出聲音報警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測。如圖10所示。

3.2 檢測數(shù)據(jù)及分析

不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質(zhì)等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統(tǒng)對真幣進行檢測，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應(yīng)用本系統(tǒng)進行鑒別真假幣時，只需把待測硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實驗測試值如表1所示。

圖10 單片機工作模式

表1 幾種硬幣的檢測范圍及分析表

4 結(jié) 論

本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎(chǔ)，對硬幣進行材質(zhì)檢測，兩種傳感器可保證能夠?qū)賻诺牟馁|(zhì)如包絡(luò)，覆蓋等的形式進行有效鑒別。本文應(yīng)用光學(xué)傳感器和電容傳感器有效檢測硬幣的直徑和厚度，可以進一步鑒別硬幣和區(qū)分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統(tǒng)實現(xiàn)了快速采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制等功能，通過測試，運行良好，有很大的市場應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為付成偉。

參考文獻

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[6] 周杰，張德均，陳庭勛.基于電渦流的銅膜測厚研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（7）：179?182.

利用平行板電容原理檢測硬幣厚度。圖5中硬幣兩側(cè)紅色部分為平行板金屬電極。

當(dāng)硬幣通過硬幣口進人平行電容傳感器時（如圖5所示）會引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應(yīng)電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過電容傳感器配用的交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換成電壓信號。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[圖4 渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖5 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖]

其中變間隙式平行電容傳感器通過檢驗硬幣的尺寸、厚度來辨別真?zhèn)?，硬幣?jīng)過電容傳感器會引起電容的變化，經(jīng)交流電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號見圖6。經(jīng)過信號放大，可用單片機的A/D來采集，經(jīng)單片機的處理，在單片機中進行真假幣判斷。

圖6 平行電容傳感器

2.4 光學(xué)傳感器

用光學(xué)傳感器測量直徑，直徑測量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻基本可以實現(xiàn)0.1 mm精度測量，測量速度50 ms左右。

圖7中左側(cè)黑色部分為線陣CCD傳感器，右側(cè)為線性光源。

圖7 光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖

3 控制部分及數(shù)據(jù)分析

3.1 控制部分

單片機在初始化之后，系統(tǒng)選擇運行模式（如圖8所示），若為學(xué)習(xí)模式，則進入學(xué)習(xí)模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進入通道，如若沒有，繼續(xù)等待，若有真幣，則通過A/D采集傳感器轉(zhuǎn)換過來的數(shù)值，經(jīng)過單片機處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標(biāo)準(zhǔn)特征值。

圖8 系統(tǒng)總體模式

圖9 單片機學(xué)習(xí)模式

若是工作模式，則進入工作模式子程序，把經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換，A/D采集，單片機處理后的待測硬幣特征值與E2PROM中的標(biāo)準(zhǔn)特征值進行比較，來判定硬幣的真?zhèn)?。如果待測硬幣特征值的差值在預(yù)設(shè)的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)定待測硬幣為真，真幣數(shù)量加1。若待測硬幣特征值在預(yù)設(shè)的誤差范圍之外，繼續(xù)與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發(fā)出聲音報警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測。如圖10所示。

3.2 檢測數(shù)據(jù)及分析

不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質(zhì)等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統(tǒng)對真幣進行檢測，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應(yīng)用本系統(tǒng)進行鑒別真假幣時，只需把待測硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實驗測試值如表1所示。

圖10 單片機工作模式

表1 幾種硬幣的檢測范圍及分析表

4 結(jié) 論

本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎(chǔ)，對硬幣進行材質(zhì)檢測，兩種傳感器可保證能夠?qū)賻诺牟馁|(zhì)如包絡(luò)，覆蓋等的形式進行有效鑒別。本文應(yīng)用光學(xué)傳感器和電容傳感器有效檢測硬幣的直徑和厚度，可以進一步鑒別硬幣和區(qū)分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統(tǒng)實現(xiàn)了快速采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制等功能，通過測試，運行良好，有很大的市場應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為付成偉。

參考文獻

[1] 黃祥龍，李中會.一種基于solidworks的新型硬幣鑒偽分揀機設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（11）：60?63.

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[6] 周杰，張德均，陳庭勛.基于電渦流的銅膜測厚研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（7）：179?182.