基于單片機(jī)的智能投幣箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 娟，胡徐勝，夏興國

（1．馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，馬鞍山243030；2.馬鞍山市無線傳感網(wǎng)與智能感知工程技術(shù)研究中心，馬鞍山243031）

一元硬幣因其便攜與不易磨損，是日常生活中經(jīng)常使用的貨幣.然而隨著偽造技術(shù)的發(fā)展，假硬幣也越來越多，越來越難以辨識.因此，開發(fā)一種高效率對硬幣進(jìn)行辨別和整理的系統(tǒng)具有很實(shí)際的意義.2016年成都大學(xué)的張建偉等針對硬幣鏡面部分的檢測提出了一種基于形態(tài)學(xué)配準(zhǔn)的算法；2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王青松對硬幣的檢測方法做了詳細(xì)研究；2019年湘潭大學(xué)的郭雪峰等提出基于Faster-RCNN（faster-region convolutional neural network）模型的數(shù)字檢測方法[1].

1 硬幣檢偽技術(shù)

1.1 電渦流檢測法

1.1.1 電渦流傳感器工作原理

電渦流傳感器的原理如圖1所示.

圖1電渦流傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of eddy current sensor

用于測量一元硬幣真?zhèn)蔚慕饘侔宸胖迷谂c線圈間隔為D的位置附近.磁性材料渦流磁場和磁路氣息的影響，線圈的等效阻抗受磁性材料的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ、線圈與被測體間的距離d和線圈的激勵(lì)頻率f等一因素影響[2]，其數(shù)學(xué)關(guān)系是

當(dāng)硬件設(shè)計(jì)上完成投幣箱材料的選擇和距離限定后，后三個(gè)因素為恒定值，所以式（1）變?yōu)樽杩箖H與第一個(gè)因素磁性材料的電導(dǎo)率σ有關(guān)[3]，即

根據(jù)真幣、偽幣材質(zhì)的不同，由式（2）可以辨識一元硬幣的真?zhèn)?

1.1.2 電渦流傳感器的等效電路

一元硬幣進(jìn)入智能檢測系統(tǒng)中后，硬幣上形成會產(chǎn)生渦流，該渦流等效于短路環(huán)中的電流[4].被檢測的導(dǎo)體金屬硬幣和檢測系統(tǒng)中的線圈等效于兩個(gè)相互耦合的線圈，如圖2所示.

圖2電渦流感應(yīng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of eddy current

根據(jù)電路分析理論，可以得到以下公式

解得

求得其等效阻抗為

式中實(shí)數(shù)部分為

虛數(shù)部分為

R是等效消耗電阻，與M相關(guān)的關(guān)系式.根據(jù)公式（2），傳感器線圈的阻抗的實(shí)部的變化量ΔR為

虛數(shù)部分的增量ωΔL為

將式（3）除以式（4），可得

式（5）的物理意義是，對于不同的材料，因其化學(xué)成分具有不同的材質(zhì)比例，會產(chǎn)生不同的渦流電阻和電感增量.因此，不同材質(zhì)的一元硬幣，其檢測結(jié)果存在差異，這就是本設(shè)計(jì)所分辨真假幣的理論依據(jù)[6].

2 智能投幣箱硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 智能投幣箱的組成

智能投幣箱的主要功能主要是辨識并剔除假幣，再對真幣進(jìn)行計(jì)數(shù)并將其排列在堆幣筒中，移動硬幣和用紙將硬幣包裝.機(jī)械系統(tǒng)的主要由5個(gè)基本模塊組成，如圖3所示.智能投幣箱中的硬幣也是自上而下的流動，以便進(jìn)行一元硬幣的轉(zhuǎn)移，排列，輸送和包卷等一系列功能[7].

圖3硬幣包裝機(jī)各功能機(jī)構(gòu)Fig.3 Functional mechanism of coin packing machine

2.2 硬幣轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)

將該裝置做成錐形，在智能投幣箱內(nèi)部的適當(dāng)位置進(jìn)行工作，使硬幣不會掉下來，同時(shí)使用定位的底部的錐形孔，而且在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行開孔固定，使硬幣可以成功滑入智能投幣箱的內(nèi)部套筒，結(jié)構(gòu)如圖4所示.同時(shí)，為了防止智能投幣箱內(nèi)部的套筒反生變形，為套筒設(shè)計(jì)一個(gè)支撐裝置來把套筒支撐住，根據(jù)套筒的尺寸，使用錐形套筒.

圖4轉(zhuǎn)盤示意圖Fig.4 Schematic diagram of rotary table

2.3 硬幣滑道的設(shè)計(jì)

一元硬幣通過檢測區(qū)域，當(dāng)確定該一元硬幣是真幣時(shí)，繼續(xù)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)智能投幣箱的堆幣裝置；反之，若檢測到為假幣，則電磁鐵驅(qū)動假幣下移，并且送至假幣回收箱.

2.4 堆幣套筒機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1）堆幣套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).智能投幣箱的內(nèi)部設(shè)計(jì)的套筒可以將50枚人民幣一元硬幣卷成一卷.人民幣一元硬幣的盛幣筒設(shè)計(jì)尺寸為堆疊高度為92.5 mm，內(nèi)徑26 mm，硬幣高度98 mm.為了提高智能投幣箱的工作效率，智能投幣箱的內(nèi)部堆幣機(jī)構(gòu)需要不間斷工作.

2）智能檢測系統(tǒng)筒蓋的設(shè)計(jì).在硬幣的堆幣過程中，若一個(gè)套筒內(nèi)硬幣已堆滿，在套筒上設(shè)計(jì)了可以打開和閉合的部件.當(dāng)一元硬幣堆滿時(shí)，上面的頂桿將套筒下面的開關(guān)打開，然后把門打開.該機(jī)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)輪中的門機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)體接合，因此當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)輪的主體中的移動機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)輪和嚙合機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)門機(jī)構(gòu)動作，使門打開.

3）堆幣底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).堆放一元硬幣的部件在智能投幣箱的中間層，與下層的包卷部分和上層輸送部分直接相關(guān).但是，一元硬幣從2部分下降到1部分，2個(gè)部分就是堆幣部分，一元硬幣的下降垂直高度偏高，所以垂直距離高.影響智能投幣箱對一元硬幣包卷效率的原因有下落的人民幣一元硬幣與硬幣板會發(fā)生摩擦，碰撞，這將導(dǎo)致人民幣一元硬幣在下落的過程中，發(fā)生位置的變化.例如人民幣一元硬幣會翻轉(zhuǎn)甚至站立，造成這樣的情形，定會影響智能投幣箱的工作效率.從硬幣傳送帶滑到硬幣堆放托盤，一些一元硬幣可能會站立，因?yàn)樗械挠矌诺南侣渚嚯x都比較長，下落的時(shí)間也比較差，碰撞和堆硬幣板摩擦?xí)啵杂矌畔陆禃斐珊芏嗟牟环€(wěn)定.如圖5所示，下面的貨幣支撐硬幣升高到硬幣，貨幣支撐件和底板通過四個(gè)彈簧連接在同一個(gè)水平面上[8].彈簧勁度系數(shù)：

圖5堆幣機(jī)構(gòu)Fig.5 Coin stacking mechanism

式中，m為硬幣質(zhì)量；b為硬幣厚度.

3 智能投幣箱軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能投幣箱軟件設(shè)計(jì)

智能投幣箱整體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示.

圖6整體程序流程圖Fig.6 Overall program flow chart

當(dāng)計(jì)算出測量結(jié)果確定硬幣為假幣時(shí)，將快速驅(qū)動電磁鐵，電磁鐵動作將把假幣剔除；相反，電磁鐵不動，包卷正常.

3.2 智能投幣箱檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路來對檢測到的信號進(jìn)行放大，放大后的信號會發(fā)生數(shù)模上的轉(zhuǎn)變，因此我們需要再次對對放大后的信號進(jìn)行解調(diào)和濾波[9].經(jīng)過這樣處理后的信號才能輸入智能投幣箱內(nèi)部的單片機(jī)中.智能投幣箱檢測系統(tǒng)的框圖如圖7所示.

圖7檢測系統(tǒng)組成Fig.7 Composition of detection system

智能投幣箱內(nèi)部的RLC系列諧振電路由線圈，電阻和串聯(lián)電容組成，如圖8所示.當(dāng)人民幣一元硬幣檢測體靠近線圈時(shí)，會導(dǎo)致智能投幣箱內(nèi)部的線圈的等效電感發(fā)生變化[10].線圈的等效電感的變化導(dǎo)致串聯(lián)諧振電路的諧振頻率相應(yīng)變化，非電測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成電壓或電流，然后傳送到下一階段.電感線圈下方放置一枚真的人民幣一元硬幣，然后來調(diào)整電路參數(shù)，這一過程中要保證電路F的固有振蕩頻率不變.然后繼續(xù)下一階段，用一枚一元假幣來替換掉這枚針對人民幣一元硬幣，這將會導(dǎo)致等效阻抗的電感發(fā)生變化，載波頻率仍然保持不變，幅度會降低.

圖8串聯(lián)諧振電路Fig.8 Series resonant circuit

3.3 智能投幣箱抗干擾電路

由于系統(tǒng)存在很多電信號，而各信號之間會有相互的干擾和耦合，從而影響控制效果.為了減少這些因素，需要對控制信號進(jìn)行隔離[11].本智能硬幣檢測系統(tǒng)使用光電耦合器信號作為檢測信號，以達(dá)到隔離的作用.硬幣通過管道到達(dá)光電耦合器，從而阻擋光束，三極管被切斷，光電耦合器輸出高電平，下降沿由逆變器產(chǎn)生，與AT89C2051連接，如圖9所示.

圖9繼電器的驅(qū)動電路Fig.9 Drive circuit of relay

4 實(shí)驗(yàn)

通過對系統(tǒng)的硬軟件的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，每次隨機(jī)分別放入數(shù)量不等的真幣和假幣，如表1.

表1智能投幣箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of intelligent coin box

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)的分析了電渦流檢測法的可行性，并按有整體到部分的設(shè)計(jì)思路，完成了各模塊的設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)控制效果較好.