孫學(xué)智

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林　132000）

1 設(shè)計要求

現(xiàn)代社會硬幣的應(yīng)用無處不在，比如公交無人售票車、自動售貨機、娛樂游戲機等。這些行業(yè)和設(shè)備由于采用無人售貨的形式大大降低人工成本，但是大量的假幣、殘幣出現(xiàn)，損害了經(jīng)營者的利益。硬幣自動識別與鑒偽系統(tǒng)可以大大降低殘幣和假幣的出現(xiàn)，保護經(jīng)營者的利益。在我國市場上流通的硬幣面值是一角、五角、一元，材質(zhì)主要是鋁合金、鋼芯鍍銅合金、鋼芯鍍鎳等。由于硬幣材質(zhì)和規(guī)格差異很大[1]，對硬幣實現(xiàn)快速檢測有一定困難，一般有雙渦流式、高頻反射式、CCD成像的方法。本系統(tǒng)的設(shè)計要求是在6×6的方格中，分別放有一角、五角、一元三種面值硬幣和三角形銅片、方塊形鋁片。上面遮蓋KT板，探頭自動的檢測每個方格，判斷KT板下是否有金屬，如果有金屬在判斷是硬幣還是銅鋁片，如果是硬幣在判斷是多大面值的硬幣。系統(tǒng)測試圖如圖1所示。

2 檢測原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[2]，將金屬導(dǎo)體放置于變化的磁場中或者在磁場做切割磁感線運動，導(dǎo)體將產(chǎn)生呈現(xiàn)旋渦式流動的感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫電渦流效應(yīng)。電渦流的大小與金屬本身的磁導(dǎo)率ρ、磁導(dǎo)率μ、金屬板的厚度L以及產(chǎn)生變化磁場的線圈與金屬導(dǎo)體的距離x、線圈的勵磁電流頻率f等參數(shù)有關(guān)。若固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測量出另外的參數(shù)。

傳感器線圈通入頻率較高的電流，產(chǎn)生高頻變化的磁場H。金屬導(dǎo)體內(nèi)磁場方向與H相反，起到部分抵消作用，導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)測試圖

圖2 電渦流測量原理

本系統(tǒng)采用電渦流測量原理，特點是采用非接觸式測量并且無需耦合介質(zhì)，測量速度較快，便于實現(xiàn)自動檢測。實際測量中線圈可以自制，降低成本，測量相應(yīng)從零到幾百千赫，靈敏度較高。電渦流傳感器內(nèi)部增加了磁芯設(shè)計[3]，其靈敏度得到了很大提高，對磁場信號的感應(yīng)增強，大大提高了檢測效果。但是由于環(huán)境中存在的電磁干擾，溫度的影響及被測金屬體的不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響，測量結(jié)果存在一定的誤差。為避免環(huán)境等干擾，盡量使傳感器工作在諧振頻率。

電渦流傳感器在諧振頻率工作狀態(tài)時感應(yīng)信號最強，測量效果最好。感應(yīng)線圈的諧振頻率計算公式為：

線圈電感計算：

電感量(mH)=阻抗÷（2×3.14159）÷F（工作頻率）

線圈的電容計算：

C=K×介電常數(shù)×10-6/[36ln(2a×有金屬護層時的修正系數(shù)/d]。a為回路兩導(dǎo)線中心間的距離mm；K為總的絞入系數(shù)；d為導(dǎo)線直徑mm;自制的電渦流傳感器夫人諧振頻率根據(jù)公式計算得：Fc=98KHz；當激勵信號頻率為此信號時，傳感器對金屬及硬幣的靈敏度最高[4]，幅值變化越明顯。

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)控制器采用STC12C5A60S2做主控芯片,傳感器采用接近開關(guān)和電渦流傳感器結(jié)合，搭配相應(yīng)的測量電路。傳感器探頭運動采用直流電機驅(qū)動，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

控制器采用STC12C5A60S2做主控芯片，此單片機為高速/低功耗/超強干擾的新一代單片機，此單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有的單元模塊，可稱的上是一個片上系統(tǒng)。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，在工作中在內(nèi)部R/C振蕩器頻率，針對電機控制[5]，避免強干擾場合。指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的8051系列單片機指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度，電路設(shè)計簡單、價格低廉。單片機控制電路如圖4所示：

傳感器采用接近開關(guān)和電渦流傳感器結(jié)合。接近開關(guān)對金屬的反應(yīng)非常靈敏，但是無法區(qū)別不同的金屬。而電渦流傳感器對金屬的反應(yīng)不是很靈敏，但是對不同金屬和不同金屬質(zhì)量，面積的輸出信號有所不同，可以區(qū)別不同金屬，所以兩者可以相結(jié)合使用，接近開關(guān)快速掃描，確定編號位置內(nèi)是否有金屬，電渦流傳感器用了細致掃描有金屬的編號位置用來區(qū)分幣和金屬片。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 單片機控制電路

主體檢測電路如圖6所示：電渦流的探頭相當于電感接入電路，通過后級二極管D1，電感L2，電阻R5、R8，電容C4，C5等組成的檢波電路可以得到波形的幅度，通過射極放大器即可輸出。此電壓通過簡單5：1分壓和正負轉(zhuǎn)換后接入單片機。60S2單片機內(nèi)置10位A/D，將微小的電壓差值放大，再經(jīng)過查表[6]，可探出金屬，電路如圖6所示。

4 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示查找出隱蔽在PK板下隨機擺放的硬幣和金屬片的檢測，程序流程圖如圖7所示。

上電后，利用TFT彩屏上的軟鍵盤進行設(shè)置初始狀態(tài)。利用電機帶動軸橫向轉(zhuǎn)動x距離和縱向轉(zhuǎn)動y距離，帶動傳感器到達目標位置（x，y）。對PK板進行6×6行列順序掃描，首先使用接近開關(guān)掃描確定哪個方格內(nèi)有金屬片[7]。若掃描到金屬片，則利用電渦流傳感器進行局部精細掃描，確定硬幣面值或者金屬片種類，信息顯示在TFT屏幕上。若超出掃描范圍，停止工作。

液晶屏顯示部分程序設(shè)計主要顯示：①系統(tǒng)名稱；②顯示是否有金屬；③顯示檢測物體是硬幣還是銅鋁片；④顯示為硬幣后，在顯示是多大面值的硬幣；⑤顯示探測器當前狀態(tài)，例如“正在掃描”，“**號方格發(fā)現(xiàn)目標”，“正在識別目標，請稍后”，“識別完畢，目標體為**，繼續(xù)掃描請觸摸屏幕”等。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件測試

傳感器測試電路工作電壓為12V，自制漆包線纏繞線圈為傳感器，采用雙層雙滑道結(jié)構(gòu)檢測工作區(qū)域為6×6方格（邊長10厘米）。通過萬用表，對電路進行分析，各種硬幣值進行比較，進而完成對硬件的測試。

圖6 測量電路圖

圖7 程序流程圖

5.2 軟件仿真測試

在沒有焊接電路的時候，需要對已經(jīng)設(shè)計好的電路，在Multism軟件中進行調(diào)試，在與預(yù)想現(xiàn)象符合一致，進行硬件的焊接[8]。

5.3 軟硬件聯(lián)調(diào)

把編制好的程序下載到單片機中，搭建完成測試電路。用萬用表記錄A/D轉(zhuǎn)換值，反復(fù)對程序進行調(diào)試，最后達到預(yù)想的效果。

表1 硬幣檢測測量電壓輸出數(shù)據(jù)表（單位：V）

6 結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：①可以區(qū)分一角、五角、一元硬幣；②可以區(qū)分鋁片和銅片；③能夠存儲并顯示位置和硬幣種類，能夠進行回放；④電渦流傳感器很敏感，非常容易受干擾。

綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。

參考文獻：

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