真伪1元硬币识别检测器

于春和,黄 川,张 超,白 莹

(沈阳航空航天大学,沈阳 110136)

自动售货机、投币电话和投币摇摆机等都有1元硬币投入口。为解决投掷假币或游戏币所造成的经济损失,需要在投币口处安装硬币真伪识别装置。目前针对硬币真伪检测的方法主要有涡流法[1-4],它通常通过检测硬币材质、厚度等[1]参数以鉴别其真伪。实现的方法多采用差动线圈测量方法[2],以克服温漂带来的影响。但这种电路较复杂,易受到电源电压波动的影响,因此检测效果不理想。此外,还有采用硬币图像方法进行真伪检测[5-6],但检测成本高,对于高仿真度的硬币检测无能为力。

涡流传感器已经在各个领域中有所发展,如对车辆泊位检测[7-8]等,它具有检测速度快、精度高、性价比高等优点。笔者拟采用涡流检测原理,对硬币的材料及表面特征进行检测,以鉴别1元硬币真伪。介绍了硬币涡流检测原理和检测系统的设计(包括硬件及软件算法设计),在不同励磁频率下进行了硬币检测试验,验证了所设计检测器的有效性。

1 硬币涡流检测原理

硬币真伪识别主要根据其材质及表面图案的特征,为此硬币真伪检测器可依据涡流检测原理进行设计。传感器电路采用电容三点式LC振荡电路,其中L为硬币检测线圈。电路工作时,检测线圈周围将产生一个与LC振荡电路频率相同的交变磁场。当有硬币进入线圈时,硬币表面因涡流效应而感生出涡流,此涡流继而产生新的磁场,其方向与原磁场方向相反。两者产生的磁场相互作用,将使电路中振荡电流的频率发生改变。产生涡流的大小与硬币线圈距离、材质及表面图案等因素有关,为此只要检测电路中振荡频率的改变量,就可获得硬币的相关信息,其检测等效电路如图1所示。图中L0为线圈电感,决定于其几何尺寸及匝数;R0为线圈电阻;r为硬币涡流回路中的等效电阻;L为硬币涡流回路中的等效电感;M为互感系数,取决于硬币与线圈靠近程度。

图1 涡流检测器等效电路图

设电路中的电流频率为ω时,根据基尔霍夫定律,存在如下关系：

由式(1)和(2)可得：

由式(3)可得线圈阻抗为：

可知线圈等效电感Leq为：

由式(6)可知电路参数Leq为r,L,M及ω的函数,其中r,L与硬币的材质及表面图案有关,若M及ω保持不变,可以通过Leq进行硬币真伪检测。LC振荡电路频率为当C为常数时,频率f只取决于Leq。为此只要检测频率f,就可获取硬币的真伪信息。当检测线圈没有硬币通过时,其频率表示为

2 硬币检测系统设计

2.1 硬件电路组成

硬币检测器由LC振荡电路、信号处理电路、微处理器及外围电路四个模块组成,系统硬件结构框图如图2所示。LC振荡电路采用并联电容三点式结构,为检测线圈提供励磁电流,同时拾取硬币材料及表面图案信息;信号处理电路完成正弦波到方波的变换及分频任务,为微处理器测频提供合适信号;微处理器控制整个检测器的运行,负责实现系统的初始化、信号采集、实时数据处理及外围电路控制等功能;外围电路由红外传感器及继电器电路等构成,负责完成硬币进入及离开检测槽的检测,并对真伪硬币进行分选等功能。

图2 涡流硬币检测器硬件结构框图

2.2 LC振荡电路

传感器电路采用并联电容三点式振荡器,电路原理如图3所示。该电路具有波形好,频率稳定等优点,振荡频率为其中,设计选取C1/C2=1/2～1/8。电感L作为拾取硬币信息的重要部件,采用两个线圈并联制作而成,它们分别位于硬币检测槽的两侧,以克服硬币两面图案不同对电路测量带来的影响,并可利用检测槽固定硬币与线圈之间的检测距离。

图3 并联电容三点式LC振荡电路原理图

2.3 硬币检测算法

算法根据硬币对振荡频率改变量的大小进行真伪识别。因为真币材质及图案大致相同(不同版本差别不大),其改变频率量应在某个范围内,而假币或游戏币在此范围之外。由公式(6)可知,当没有硬币进入时,f0作为背景频率应为常数,但检测器全天候工作,会受到来自外界温度、电路元件老化及瞬时干扰等因素影响,将导致f0发生改变,为此需要及时进行背景频率的更新。算法采用中值滤波方法[9],对5s内无硬币投入时的频率进行中值滤波,作为当前背景频率。为消除瞬间干扰对电路的影响,在钱币进入检测槽时连续采样三个数据b1,b2,b3,设真币检测阈值范围为T,检测算法如下(F=0表示真币,F=1表示伪币)：

if(cov(b1,b2,b3)＞T1)

F=1,goto false_process;

(如果数据b1,b2,b3方差大于阈值T1,则认为有干扰存在,//判断硬币为伪币,并转到伪币处理程序)

a=med(b1,b2,b3);

(对数据b1,b2,b3进行中值滤波,以选取一个最佳数据)

if|a-f0|＜T;thenF=0,goto true_process;(转到真币处理程序)

if|a-f0|≥T;thenF=1,goto false_process;

(转到伪币处理程序)

end

3 硬币励磁频率试验

为了检验涡流检测器性能,进行了3组励磁频率下真伪硬币的检测,试验结果如图4所示。第一组在21.185 k Hz励磁频率下,有3个伪币落入真币检测的范围内,其中1个伪币处于真币检测范围边缘,没能对硬币真伪进行准确识别。

第二组试验在247.68 k Hz励磁频率下,真币基本能够与伪币区分开,但是效果不是很明显。第三组试验258.88 k Hz励磁频率下,信号波形经过8分频后测得硬币与频率之间的关系如图4(c)所示。由图可以看出,在该励磁频率下,真币完全能够与伪币区分开,且效果明显。

试验表明,电路励磁频率越高,检测的效果越明显。这是因为部分伪币的材料可能与真币相同,但表面图案有所区别。由于涡流集肤效应,励磁频率越高,涡流越集中在硬币表面,越能将硬币的表面特征量反映出来。

4 结论

设计了1元硬币涡流检测器,在适合的励磁频率下,该装置可以很好地判别硬币的真伪。算法采用背景频率更新及中值滤波方法,对测量数据进行实时分析处理。试验证明,该硬币检测器具有良好的温度稳定性及抗干扰特性,且检测准确率高。目前该检测器已在儿童摇摆机等自动投币玩具中使用,效果良好,有望应用在更多的自动投币场合。

[1]杨浩,刘洋.硬币检测传感器[J].电子测量技术,2004(6)：25-26.

[2]赵以强.公交车投币箱硬币鉴伪及币值识别系统设计[J].农业装备与车辆工程,2009,211(2)：34-36.

[3]王春芳,林金表,郑子武,等.基于 AT89C51单片机的硬币高速检伪机[J].机电工程技术,2006,35(4)：29.

[4]武斌,龙在云,张一哲.用于硬币鉴伪的固频涡流传感方法[J].无损检测,2008,30(8)：491-493.

[5]毕晓君,孙晓霞.基于蚁群算法的硬币识别研究[J].哈尔滨工程大学学报,2006,27(6)：883-885.

[6]刘美佳,张迅航,王岩.基于神经网络的硬币识别研究技术[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2007,21(2)：58-60.

[7]于春和,刘济林.一种新型车辆泊位检测器[J].传感技术学报,2004(4)：693-695.

[8]Yu C H,Zhang D P,Guo R.Occupancy Sensors in Carpark Based on Wireless Network[C].The 9th Inernatiol Conference on SignalProcessing,2008,Beijing：2808-2811.

[9]Yang X H,Toh PS.Adaptive fuzzy multilevel median filter[J].IEEE Trans On Image Processing,1995,4(5)：680-682.