基于ARM的硬币鉴别系统设计
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摘 要： 为减少市面上假硬币的的流通，提出一种基于arm的硬币鉴别系统设计。这个测试系统是一个复合测试系统，使用4个传感器，包括电容传感器、电磁传感器、涡流传感器、光学传感器检测检测硬币的材质，厚度，直径信息。系统的信号采集电路以AD9480为主，实现硬币特征量的高速高效采集处理。采集处理后的硬币特征数据送入STM32，通过与其真币特征值的比较来实现硬币的鉴别。实践表明，该系统达到了预期目标。
关键词： 硬币鉴别； ARM； 传感器； AD9480
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0114?03
Design of coin identification system based on ARM
WANG Juan， WU Hao， FU Cheng?wei， JING Ya
（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）
Abstract： In order to reduce the false coin circulation， a design of coin identification system based on ARM is presented in this paper. This is a composite testing system， in which capacitive sensor， electromagnetic sensor， eddy current sensor and optical sensor are used， to detect the material， thickness and diameter of coins. The signal acquisition circuit system is based on AD9480 to realize high?speed and efficient acquisition and processing of coin features. The processed feature data of coins is sent to STM32 to compare the data with true coin values to identify the detected coins. This system has a great market prospect.
Keywords： coin identification； ARM； sensor； AD9480
0 引 言
人民币硬币是由多种金属材料合成而成，以一元硬币为例，其中含铁、碳、镍等不同金属，其中各种材料的比例多少是国家的机密。由于造假者并不了解真币的各种材质比例及制造工艺，只是在材质、尺寸、质量、图案上进行模仿，目前，对假硬币进行的鉴别方法主要有图像对比法、称质量法和涡流传感器检测法。图像法硬件成本高，不易做到实时性，称重法片面，涡流传感器对一些特定硬币检测的限制性等等。所以，设计出一种对国内外多种硬币材质有效鉴别的系统，以电磁感应原理，电容器原理及电子技术为硬件技术支持，以STM32单片机为核心的系统。文中介绍了系统具体设计和实现。
1 系统总体设计
本系统是基于ARM 的硬币鉴别系统，单片机采用ST公司的STM32F103VE型号，其负责系统控制和对数据的采集和处理，并且提供报警等服务。由线性CCD组成的光学传感器，硬币经过时，可以检测其直径。由两个极板构成的电容极板，硬币的厚度会影响两极板上的电容，进而影响电压的变化，电压信号在经过滤波和放大，通过AD9480采集到表征硬币厚度的电压值。电磁传感器和涡流传感器，因金属材质的不同会对传感器的电感量大小产生影响，然后分别经过频率计和电压比较器后，单片机采集其表征金属材质的频率值。将AD9480和单片机采集所得到的4组值与存储在单片机内的真硬币的特征值相比较，即可确定硬币真假和种类。系统框图如图1所示。
2 硬件检测原理及方法
本文设计的硬币鉴别系统有硬币真伪鉴别、假币报警、学习功能。以下将对此系统的工作原理，总体结构进行阐述。
2.1 电磁传感器
电磁传感器结构图如图2所示。
将线圈（图2中红色部分）接入谐振电路，当硬币（图1中灰色部分）从线圈中间通过时，由于电磁感应，影响线圈是Q值和L，公式如下：
[f=12πLC] （1）
[Q=ωLR] （2）
根据式（1）、式（2）可知，电感系数改变会改变自身的[Q]值和[L]值，由此得出频率[f]，通过用单片机采集频率，计算，对比即可通过材质辨别硬币的真假。电磁感应原理如图3所示。
图1 系统框架
图2 电磁传感器结构图
图3 电磁感应原理图
2.2 涡流传感器测
使用两侧线圈产生特定高频率电磁波，硬币经过时会产生涡流效应，可以检测包络覆盖以及内外圈不同金属的硬币。两侧线圈（图4中两端黑色部分）产生特定频率的电磁波，硬币经过时会产生涡流效应，进而影响线圈的的质量因子，电感，阻抗等。原理如上，然后根据频率的变化，经过单片机采集，计算，对比即可通过材质经行真假硬币和币种的辨别。
2.3 电容传感器测量厚度
利用平行板电容原理检测硬币厚度。图5中硬币两侧红色部分为平行板金属电极。
当硬币通过硬币口进人平行电容传感器时（如图5所示）会引起传感器电容[Δd]的变化，由式（3）、式（4）可得相应电容C1与C2的变化（C1为硬币与上电容板的电容，C2为硬币与下电容板的电容，d为间距），通过电容传感器配用的交流电桥将电容的变化转换成电压信号。
[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）
[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）
[图4 涡流传感器结构图 图5 电容传感器结构图]
其中变间隙式平行电容传感器通过检验硬币的尺寸、厚度来辨别真伪，硬币经过电容传感器会引起电容的变化，经交流电桥转换成电压信号见图6。经过信号放大，可用单片机的A/D来采集，经单片机的处理，在单片机中进行真假币判断。
图6 平行电容传感器
2.4 光学传感器
用光学传感器测量直径，直径测量使用线阵CCD，使用高速AD9480采集数据。根据相关文献基本可以实现0.1 mm精度测量，测量速度50 ms左右。
图7中左侧黑色部分为线阵CCD传感器，右侧为线性光源。
图7 光学传感器结构图
3 控制部分及数据分析
3.1 控制部分
单片机在初始化之后，系统选择运行模式（如图8所示），若为学习模式，则进入学习模式子程序（见图9）。首先要判断是否有硬币进入通道，如若没有，继续等待，若有真币，则通过A/D采集传感器转换过来的数值，经过单片机处理后，将真币特征值存入E2PROM，作为硬币鉴别的标准特征值。
图8 系统总体模式
图9 单片机学习模式
若是工作模式，则进入工作模式子程序，把经过传感器转换，A/D采集，单片机处理后的待测硬币特征值与E2PROM中的标准特征值进行比较，来判定硬币的真伪。如果待测硬币特征值的差值在预设的误差范围内，则可认定待测硬币为真，真币数量加1。若待测硬币特征值在预设的误差范围之外，继续与E2PROM中的其他真币特征值相比较，若果得到的特征值差值都在范围外，则可断定该币为假币，发出声音报警，剔除假币，等待新的硬币检测。如图10所示。
3.2 检测数据及分析
不同面值的硬币和同一面值得真假币直径、厚度、材质等都有很大差别。利用本文所述的的硬币鉴别系统对真币进行检测，然后把表征硬币特征的值存入E2PROM，应用本系统进行鉴别真假币时，只需把待测硬币的特征值与E2PROM中的真币特征值比较即可。实验测试值如表1所示。
图10 单片机工作模式
表1 几种硬币的检测范围及分析表
4 结 论
本文是以电磁传感器和涡流传感器为基础，对硬币进行材质检测，两种传感器可保证能够对假币的材质如包络，覆盖等的形式进行有效鉴别。本文应用光学传感器和电容传感器有效检测硬币的直径和厚度，可以进一步鉴别硬币和区分币种。本文基于ARM的硬币鉴别系统实现了快速采集数据、数据处理、控制等功能，通过测试，运行良好，有很大的市场应用前景。
注：本文通讯作者为付成伟。
参考文献
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