一种硬币存储装置控制系统的设计与实现

宋珂，徐骏善，刘殿金

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

1 系统控制框图

单个的硬币存储装置主要由外壳、出入币口、带栅格的转盘等部分组成，其中出入币口共用1个出口，单个的硬币存储装置可以被设定接受1种面额的硬币。上位机通过RS232串口向单片机发送命令实现通讯，控制系统采用STM32F103ZE芯片作为控制核心，用来检测6个光电传感器信号和驱动1个二相混合式步进电机及3个电磁铁来实现硬币存储装置接受硬币和找零。其中出入币口装有4个传感器和2个电磁铁，传感器1、2用来检测入币口硬币，两者是或的关系；传感器3用来检测硬币是否入栅格；传感器4用来检测硬币是否出栅格；电磁铁1用来驱动挡片1挡住硬币；电磁铁2驱动挡片2打开让硬币进入栅格。另外传感器5用来检测转盘是否转动，传感器6用来检测转盘初始位置，转动1圈时消除步进电机在转动时的累计误差，电磁铁3用来驱动硬币推板推出硬币，步进电机用来驱动转盘逆时针和顺时针转动。控制系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图

2 硬币存储装置电路设计

硬币存储装置的控制电路由STM32F103ZE的最小系统电路、RS232串口电路、电源转换电路、光电传感器检测电路、电磁铁驱动电路和步进电机驱动电路组成。其中STM32F103ZE最小系统主要由电源电路、复位电路、外部时钟电路、JLINK下载电路及启动模式电路组成；电源转换电路主要使用LM2576芯片实现24 V转5 V及24 V转12 V和LM1117芯片实现5 V转3.3 V；RS232串口电路则主要使用MAX3232电平转换芯片以实现与上位机的数据的传输。

1) 光电传感器检测电路设计

光电传感器检测电路如图2所示,主要使用比较器LM393，正向输入端电压固定，反向输入端接红外接收二极管阴极，输出端上拉输出，如图2所示有两路检测信号Output A、Output B，分别接到STM32的IO口，由这2个口读取输出信号状态。当接收二极管导通时，输出高电平，同时发光二极管不亮；当接收二极管断开，即有物体挡住时，输出低电平，同时发光二极管亮。

图2 光电传感器检测电路原理图

2) 电磁铁驱动电路设计

选择的电磁铁额定电压为24 V，驱动电路如图3所示，J5、J6网络和电磁铁两端相连，整流二极管D3对电路起保护作用，STM32输出IO口通过光耦、开关三极管来控制电磁铁的导通和断开。当单片机输出口为低电平时，光耦的接收端导通，三极管导通，电磁铁有电流通过动作；当输出口为高电平时，光耦接收端断开，三极管断开，电磁铁没有电流通过也没有动作。

图3 电磁铁驱动电路原理图

3) 二相混合式步进电机驱动电路设计

L6208是ST公司推出的步进电机驱动芯片，工作电压范围广(8～52 V),平均输出电流可达2.8 A,峰值达5.6 A，可驱动绝大部分二相步进电机[5]。选用的步进电机驱动电压是12 V，驱动电路如图4所示。

(4)与水域面积最相关的因素是人口密度(X2)、固定资产总投资(X11)。人口密度每增加1人/km2，水域面积就增加3.817×104hm2。说明随着城市化的发展，人们的生活水平提高，对环境质量的需求提高。

图4 步进电机驱动电路原理图

其中OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B与两相步进电机相连，驱动芯片L6008D由CLOCK、CW/CCW、HALF/FULL、CONTROL、ENABLE、RESET信号控制,而这些端口的电平高低分别由主控芯片的各个IO口通过光耦控制。CLOCK信号通过定时器产生的PWM波并控制其频率和个数，从而控制电机转动的速度和角度大小；CW/CCW控制电机转动方向，高电平为顺时针方向，低电平为逆时针方向；HALF/FULL控制电机半步和全步模式，高电平为半步，低电平为全步；CONTROL控制电机衰减模式，高电平为慢速衰减模式，低电平为快速衰减模式；ENABLE控制使能信号，高电平使能；RESET控制复位信号，低电平复位。

3 系统软件设计

系统程序采用STM32的固件库函数在MDK环境采用C语言编写、模块化设计，主要使用到STM32调用库函数设置GPIO口高低电平，系统SYSTICK时钟精确延时，定时器PWM波配置产生一定频率的PWM波控制步进电机转速及定时器中断计数控制PWM波的个数来控制步进电机转动的角度以及向STM32移植多任务实时操作系统UCOS-II来调度多任务的运行等技术来实现对各个器件间的协调配合的控制。

1) 硬币接收流程

上位机向下位机发送硬币接收命令后，硬币通过投币口通道，再经过硬币识别器识别为真币后选择一个硬币存储装置开始接收硬币。单个硬币存储装置接收硬币的流程如图5所示，其中传感器1、2检测入币口是否有硬币，传感器3检测硬币是否入栅格。

图5 硬币接收流程

2) 硬币找零流程

上位机向下位机发送找零命令后，选择一个硬币存储装置开始找零。单个硬币存储装置的找零流程如图6所示，传感器3检测硬币是否被推动，传感器4检测硬币是否出栅格。

图6 硬币找零流程

3) 通讯协议

本控制系统上位机和STM32的通讯距离在2 m以内，使用RS232串口电路实现数据传输，通讯方式采用异步串行通讯、全双工模式，波特率为9 600 bps，每个字节传输过程中有1位起始位、8位数据位、无校验、1位停止位。控制系统中设计的通讯帧有2种类型，1种控制帧，1种数据帧。控制帧被用来在通信设备之间交换信息，比如，建立初始连接，控制传输流，进行请求纠错等；数据帧用来传输信息，一帧中有报文数据自身的部分或全部信息，也可以包含应用到该信息上的控制信息[6]。设计的控制帧只包含报头，无报文，有ACK(接收帧后的正确响应)、NAK(接收帧后的错误响应)、XOFF(拒绝接收帧)、XON(允许接收帧) 、ENQ(请求建立通信帧)5种类型，都为单帧；数据帧则既有报头也有报文，有单帧也有多帧。

4 结语

本文控制系统的设计和程序的编写已在实际运行中，根据上位机发送的命令很好地控制住了一个硬币存储装置的硬币的接收和找零，整个控制流程顺利，能够达到收币2枚/s，找零4枚/s的性能指标。由于STM32F10ZE的硬件资源很丰富、实时性强，拥有112个GPIO口，8个定时器，能产生30路PWM波，顺利控制1个硬币存储装置后，能拓展控制多达6个硬币存储装置的组合使用，从而也可以实现多种硬币接收和找零的控制。

参考文献:

[1] 江宇浩,徐骏善. 自动售票机纸币处理模块的设计与实现[J]. 计算机应用,2014,34(S2)：230-233，257.

[2] 谢程祥. 城市轨道交通自动售票机硬币处理模式探讨[J]. 机电工程技术,2014,43(9): 131-134.

[3] 黄斐,陈栋. 轨道交通AFC系统硬币处理模块的研究[J]. 铁路计算机应用,2012,21(7):40-43.

[4] 吴爱明,易力. 一种多币种硬币处理模块的设计与实现[J]. 机电工程技术，2015,44(8):23-25.

[5] 李文广,汤清华,吴国安. 基于AVR单片机和L6208的步进电机控制系统设计[J]. 电机与控制应用,2011,38(1):43-45,51.

[6] Behrouz A. Forouzan. 数据通信与网络[M]. 吴时霖, 周正康, 吴永辉,等,译. 第2版,北京：机械工业出版社,2002:257-260.