基于单片机的智能投币箱设计与实现

刘 娟，胡徐胜，夏兴国

（1．马鞍山职业技术学院，马鞍山243030；2.马鞍山市无线传感网与智能感知工程技术研究中心，马鞍山243031）

一元硬币因其便携与不易磨损，是日常生活中经常使用的货币.然而随着伪造技术的发展，假硬币也越来越多，越来越难以辨识.因此，开发一种高效率对硬币进行辨别和整理的系统具有很实际的意义.2016年成都大学的张建伟等针对硬币镜面部分的检测提出了一种基于形态学配准的算法；2017年，哈尔滨工业大学的王青松对硬币的检测方法做了详细研究；2019年湘潭大学的郭雪峰等提出基于Faster-RCNN（faster-region convolutional neural network）模型的数字检测方法[1].

1 硬币检伪技术

1.1 电涡流检测法

1.1.1 电涡流传感器工作原理

电涡流传感器的原理如图1所示.

图1电涡流传感器原理图Fig.1 Schematic diagram of eddy current sensor

用于测量一元硬币真伪的金属板放置在与线圈间隔为D的位置附近.磁性材料涡流磁场和磁路气息的影响，线圈的等效阻抗受磁性材料的电导率σ、磁导率μ、线圈与被测体间的距离d和线圈的激励频率f等一因素影响[2]，其数学关系是

当硬件设计上完成投币箱材料的选择和距离限定后，后三个因素为恒定值，所以式（1）变为阻抗仅与第一个因素磁性材料的电导率σ有关[3]，即

根据真币、伪币材质的不同，由式（2）可以辨识一元硬币的真伪.

1.1.2 电涡流传感器的等效电路

一元硬币进入智能检测系统中后，硬币上形成会产生涡流，该涡流等效于短路环中的电流[4].被检测的导体金属硬币和检测系统中的线圈等效于两个相互耦合的线圈，如图2所示.

图2电涡流感应等效电路Fig.2 Equivalent circuit of eddy current

根据电路分析理论，可以得到以下公式

解得

求得其等效阻抗为

式中实数部分为

虚数部分为

R是等效消耗电阻，与M相关的关系式.根据公式（2），传感器线圈的阻抗的实部的变化量ΔR为

虚数部分的增量ωΔL为

将式（3）除以式（4），可得

式（5）的物理意义是，对于不同的材料，因其化学成分具有不同的材质比例，会产生不同的涡流电阻和电感增量.因此，不同材质的一元硬币，其检测结果存在差异，这就是本设计所分辨真假币的理论依据[6].

2 智能投币箱硬件部分设计

2.1 智能投币箱的组成

智能投币箱的主要功能主要是辨识并剔除假币，再对真币进行计数并将其排列在堆币筒中，移动硬币和用纸将硬币包装.机械系统的主要由5个基本模块组成，如图3所示.智能投币箱中的硬币也是自上而下的流动，以便进行一元硬币的转移，排列，输送和包卷等一系列功能[7].

图3硬币包装机各功能机构Fig.3 Functional mechanism of coin packing machine

2.2 硬币转盘的设计

将该装置做成锥形，在智能投币箱内部的适当位置进行工作，使硬币不会掉下来，同时使用定位的底部的锥形孔，而且在适当的位置进行开孔固定，使硬币可以成功滑入智能投币箱的内部套筒，结构如图4所示.同时，为了防止智能投币箱内部的套筒反生变形，为套筒设计一个支撑装置来把套筒支撑住，根据套筒的尺寸，使用锥形套筒.

图4转盘示意图Fig.4 Schematic diagram of rotary table

2.3 硬币滑道的设计

一元硬币通过检测区域，当确定该一元硬币是真币时，继续运输到达智能投币箱的堆币装置；反之，若检测到为假币，则电磁铁驱动假币下移，并且送至假币回收箱.

2.4 堆币套筒机构的设计

1）堆币套筒的结构设计.智能投币箱的内部设计的套筒可以将50枚人民币一元硬币卷成一卷.人民币一元硬币的盛币筒设计尺寸为堆叠高度为92.5 mm，内径26 mm，硬币高度98 mm.为了提高智能投币箱的工作效率，智能投币箱的内部堆币机构需要不间断工作.

2）智能检测系统筒盖的设计.在硬币的堆币过程中，若一个套筒内硬币已堆满，在套筒上设计了可以打开和闭合的部件.当一元硬币堆满时，上面的顶杆将套筒下面的开关打开，然后把门打开.该机构的另一个特点是旋转轮中的门机构，旋转轮的旋转体接合，因此当转盘旋转轮的主体中的移动机构使旋转轮和啮合机构旋转时，旋转门机构动作，使门打开.

3）堆币底板的结构设计.堆放一元硬币的部件在智能投币箱的中间层，与下层的包卷部分和上层输送部分直接相关.但是，一元硬币从2部分下降到1部分，2个部分就是堆币部分，一元硬币的下降垂直高度偏高，所以垂直距离高.影响智能投币箱对一元硬币包卷效率的原因有下落的人民币一元硬币与硬币板会发生摩擦，碰撞，这将导致人民币一元硬币在下落的过程中，发生位置的变化.例如人民币一元硬币会翻转甚至站立，造成这样的情形，定会影响智能投币箱的工作效率.从硬币传送带滑到硬币堆放托盘，一些一元硬币可能会站立，因为所有的硬币的下落距离都比较长，下落的时间也比较差，碰撞和堆硬币板摩擦会更多，所以硬币下降会造成很多的不稳定.如图5所示，下面的货币支撑硬币升高到硬币，货币支撑件和底板通过四个弹簧连接在同一个水平面上[8].弹簧劲度系数：

图5堆币机构Fig.5 Coin stacking mechanism

式中，m为硬币质量；b为硬币厚度.

3 智能投币箱软件设计

3.1 智能投币箱软件设计

智能投币箱整体软件设计流程图如图6所示.

图6整体程序流程图Fig.6 Overall program flow chart

当计算出测量结果确定硬币为假币时，将快速驱动电磁铁，电磁铁动作将把假币剔除；相反，电磁铁不动，包卷正常.

3.2 智能投币箱检测系统设计

设计一个放大电路来对检测到的信号进行放大，放大后的信号会发生数模上的转变，因此我们需要再次对对放大后的信号进行解调和滤波[9].经过这样处理后的信号才能输入智能投币箱内部的单片机中.智能投币箱检测系统的框图如图7所示.

图7检测系统组成Fig.7 Composition of detection system

智能投币箱内部的RLC系列谐振电路由线圈，电阻和串联电容组成，如图8所示.当人民币一元硬币检测体靠近线圈时，会导致智能投币箱内部的线圈的等效电感发生变化[10].线圈的等效电感的变化导致串联谐振电路的谐振频率相应变化，非电测量数据转变成电压或电流，然后传送到下一阶段.电感线圈下方放置一枚真的人民币一元硬币，然后来调整电路参数，这一过程中要保证电路F的固有振荡频率不变.然后继续下一阶段，用一枚一元假币来替换掉这枚针对人民币一元硬币，这将会导致等效阻抗的电感发生变化，载波频率仍然保持不变，幅度会降低.

图8串联谐振电路Fig.8 Series resonant circuit

3.3 智能投币箱抗干扰电路

由于系统存在很多电信号，而各信号之间会有相互的干扰和耦合，从而影响控制效果.为了减少这些因素，需要对控制信号进行隔离[11].本智能硬币检测系统使用光电耦合器信号作为检测信号，以达到隔离的作用.硬币通过管道到达光电耦合器，从而阻挡光束，三极管被切断，光电耦合器输出高电平，下降沿由逆变器产生，与AT89C2051连接，如图9所示.

图9继电器的驱动电路Fig.9 Drive circuit of relay

4 实验

通过对系统的硬软件的实现，进行6次实验，每次随机分别放入数量不等的真币和假币，如表1.

表1智能投币箱实验数据Tab.1 Experimental data of intelligent coin box

5 结论

本文系统的分析了电涡流检测法的可行性，并按有整体到部分的设计思路，完成了各模块的设计.实验数据表明，该设计控制效果较好.