一种硬币鉴别系统的设计与实现

于春晓 李艳英 祝 根

（青岛工学院机电工程学院 山东 266300）

0 引言

现代生活中，无人售票车、自动售货机、投币式电话等许多行业都涉及到硬币的大量使用，对硬币的高效识别和辨伪显得尤为重要。本文介绍了一种硬币鉴别系统的设计与实现，该系统集成化程度高，稳定性强，精度高，成本低，可实现对我国现行流通的硬币面值识别及辨伪。主要功能如下：1）无损检测硬币真伪；2）币值的识别及实时显示；3）对伪币进行清退及报警；4）币值的累计、清零及显示；5）“防钓鱼”功能。

1 系统结构及工作原理

本系统的设计思路是利用电涡流传感器将硬币检测信号经CD4060BM 芯片分频后，送入LM3S1138微控制器中，经数据比较处理后，将识别信息通过LCD显示，并对伪币实现蜂鸣报警及清退。光电传感器用于检测硬币的出入，作为开启电涡流传感器及金额统计处理的信号，同时具有“防钓鱼”功能。系统框图如图1所示。

图1 硬币鉴别系统框图

1.1 电涡流传感器检测原理

系统采用电涡流传感器进行硬币检测，电涡流传感器是利用电涡流效应引起的传感线圈阻抗的变化（或电感的变化，或品质因数的变化），进行位移、厚度、材质等非电量的检测[1]。当传感器线圈通以交变电流i1时，由法拉第电磁感应定律，线圈周围空间产生交变磁场H1，使置于此磁场中的被测金属导体（硬币）产生感应电流i2，即电涡流[2]。电涡流i2又产生反向的交变磁场H2；H2与H1互相作用，从而导致传感器线圈的阻抗、电感量及品质因数相应地发生变化。其变化程度与被测金属导体（硬币）的几何形状、电阻率、磁导率以及线圈激励电流的频率等参数有关。以交变振荡电路为激励，不同硬币对应不同的电导率、磁导率，将引起振荡频率的不同变化，可以通过频率值的测量来实现硬币币值及真伪的识别。

1.2 传感器工作原理

系统采用双侧对称式电涡流传感器，两个电感线圈置于硬币通道两侧，用于检测硬币通过时的频率信号，如图2。两线圈中间装有一组光电传感器的发射管与接收管，用于检测通道中是否有硬币通过。当有硬币通过时，控制器接收到光电传感器产生的脉冲信号，将此刻电涡流传感器检测到的频率信号读取并与控制器中保存的数据进行匹配，数据匹配则显示相对应的币值信息，反之则识别为伪币。配合出口处的光电传感器，还实现了“防钓鱼”功能。

图2 传感器布局示意图

图3为检测输出电路。CD4060BM是14位二进制串行计数器/分频器，它由两部分组成，一部分是 14级分频器，输出二进制分频信号；另一部分是振荡器，由内含两个串接的反相器和外接电阻电容构成[3]。采用该芯片可以直接实现振荡和分频的功能。

其中10、11引脚为CD4060BM的内部振荡器端口，7引脚为CD4060BM四分频输出端口。经测试在没有硬币通过时，10、11引脚输出峰峰值为5V，频率为328KHz左右的正弦波信号，经CD4060BM内部分频，在4分频端口Q4输出峰峰值为5V，频率为23KHz的方波信号。不同面值的硬币通过电涡流传感器时 Q4端口输出的方波信号频率均不相同，通过对该信号的采集处理，即可实现对硬币种类的识别。本设计方案采用LM3S1138作为主控制器，可以对频率信号实现准确、高效的采集处理，且其内设资源与外部端口丰富[4]，可增强本硬币识别系统的可扩展性。

1.3 退币控制电路

为了实现对伪币的清退功能，系统采用电磁铁为退币执行器，通过其控制拨片的摆动来改变硬币滚动通道，从而实现硬币的存入与清退。图4为退币通道的结构示意图。

图4 退币通道结构示意图

2 系统软件设计

系统的工作流程为：硬币自投币口投入，检测硬币投入的光电传感器产生触发信号后，控制器将此时电涡流传感器检测到的频率信号与已存的币值信息进行匹配，如果匹配成功则控制电磁铁动作改变硬币通道，使其滚入收集器，并将面值等信息通过低功耗LCD液晶显示；若是假币，蜂鸣器发出报警信息，电磁铁不动作，使假币滚入退币通道，同时LCD显示假币提醒。

软件设计主要子程序包括：系统初始化程序、液晶显示程序、按键处理程序、三个中断处理程序。三个中断程序包括：一个为定时/计数器中断，主要用于测量识别信号的频率；另外两个为通用输入/输出口中断，由两个光电传感器检测信号触发，用于实现硬币输入的检测，币值数据的处理及蜂鸣器、电磁铁的控制。

3 系统测试与分析

为了建立真币数据的标准参数，作为与检测信号的基准对比数据，本设计进行了一次数据采样测试。使用投放年份不同的各面值硬币进行随机测试，其中1角硬币采用第五版“小”硬币，测试共进行七组，每组投掷5次，记录平均值，最终将每组平均值再取平均，得出相对准确的采样数据。表1为采样数据统计表，单位：Hz。

表1 采样数据统计表

为了测试本设计的硬币识别系统的硬币识别准确性、稳定性和辨伪能力。使用投放年份不同的各面值硬币四枚进行模拟使用实验，每种面值硬币进行3组实验，每组实验随机投掷50次，记录下每组实验识别准确的次数，测试中着重测试了系统对伪币的鉴别准确度。表3为测试结果。

表2 系统测试对照表

从表中数据可以看出，本硬币鉴别系统对普通硬币的识别率较好，平均准确率在 98.2%以上。对伪币检测的准确率同样达到了98%，实现了很好的辨伪效果。

4 结束语

本设计系统性能稳定，识别精度高，抗干扰能力强，成本低，扩展性强，不仅可以对我国现行流通硬币的进行快速面值识别和统计，还可以区分游戏币和伪币，同时具有显示、清分的功能。

[1] 肖圣兵.电涡流传感器在人民币硬币识别系统中的应用[J]．苏州大学学报：自然科学版，1996（1）：60-63．

[2] 廖雅琴．电涡流传感器的仿真与设计[D]．成都：电子科技大学，2007．

[3] 潘荣辉．数字电路 CD4060 的应用[J]．电子制作，2007（7）：43-43

[4] 李佳．ARM 系列处理器应用技术完全手册[M]．人民邮电出版社，2006．