真偽1元硬幣識別檢測器

于春和,黃 川,張 超,白 瑩

(沈陽航空航天大學,沈陽 110136)

自動售貨機、投幣電話和投幣搖擺機等都有1元硬幣投入口。為解決投擲假幣或游戲幣所造成的經濟損失,需要在投幣口處安裝硬幣真偽識別裝置。目前針對硬幣真偽檢測的方法主要有渦流法[1-4],它通常通過檢測硬幣材質、厚度等[1]參數以鑒別其真偽。實現的方法多采用差動線圈測量方法[2],以克服溫漂帶來的影響。但這種電路較復雜,易受到電源電壓波動的影響,因此檢測效果不理想。此外,還有采用硬幣圖像方法進行真偽檢測[5-6],但檢測成本高,對于高仿真度的硬幣檢測無能為力。

渦流傳感器已經在各個領域中有所發展,如對車輛泊位檢測[7-8]等,它具有檢測速度快、精度高、性價比高等優點。筆者擬采用渦流檢測原理,對硬幣的材料及表面特征進行檢測,以鑒別1元硬幣真偽。介紹了硬幣渦流檢測原理和檢測系統的設計(包括硬件及軟件算法設計),在不同勵磁頻率下進行了硬幣檢測試驗,驗證了所設計檢測器的有效性。

1 硬幣渦流檢測原理

硬幣真偽識別主要根據其材質及表面圖案的特征,為此硬幣真偽檢測器可依據渦流檢測原理進行設計。傳感器電路采用電容三點式LC振蕩電路,其中L為硬幣檢測線圈。電路工作時,檢測線圈周圍將產生一個與LC振蕩電路頻率相同的交變磁場。當有硬幣進入線圈時,硬幣表面因渦流效應而感生出渦流,此渦流繼而產生新的磁場,其方向與原磁場方向相反。兩者產生的磁場相互作用,將使電路中振蕩電流的頻率發生改變。產生渦流的大小與硬幣線圈距離、材質及表面圖案等因素有關,為此只要檢測電路中振蕩頻率的改變量,就可獲得硬幣的相關信息,其檢測等效電路如圖1所示。圖中L0為線圈電感,決定于其幾何尺寸及匝數;R0為線圈電阻;r為硬幣渦流回路中的等效電阻;L為硬幣渦流回路中的等效電感;M為互感系數,取決于硬幣與線圈靠近程度。

圖1 渦流檢測器等效電路圖

設電路中的電流頻率為ω時,根據基爾霍夫定律,存在如下關系：

由式(1)和(2)可得：

由式(3)可得線圈阻抗為：

可知線圈等效電感Leq為：

由式(6)可知電路參數Leq為r,L,M及ω的函數,其中r,L與硬幣的材質及表面圖案有關,若M及ω保持不變,可以通過Leq進行硬幣真偽檢測。LC振蕩電路頻率為當C為常數時,頻率f只取決于Leq。為此只要檢測頻率f,就可獲取硬幣的真偽信息。當檢測線圈沒有硬幣通過時,其頻率表示為

2 硬幣檢測系統設計

2.1 硬件電路組成

硬幣檢測器由LC振蕩電路、信號處理電路、微處理器及外圍電路四個模塊組成,系統硬件結構框圖如圖2所示。LC振蕩電路采用并聯電容三點式結構,為檢測線圈提供勵磁電流,同時拾取硬幣材料及表面圖案信息;信號處理電路完成正弦波到方波的變換及分頻任務,為微處理器測頻提供合適信號;微處理器控制整個檢測器的運行,負責實現系統的初始化、信號采集、實時數據處理及外圍電路控制等功能;外圍電路由紅外傳感器及繼電器電路等構成,負責完成硬幣進入及離開檢測槽的檢測,并對真偽硬幣進行分選等功能。

圖2 渦流硬幣檢測器硬件結構框圖

2.2 LC振蕩電路

傳感器電路采用并聯電容三點式振蕩器,電路原理如圖3所示。該電路具有波形好,頻率穩定等優點,振蕩頻率為其中,設計選取C1/C2=1/2～1/8。電感L作為拾取硬幣信息的重要部件,采用兩個線圈并聯制作而成,它們分別位于硬幣檢測槽的兩側,以克服硬幣兩面圖案不同對電路測量帶來的影響,并可利用檢測槽固定硬幣與線圈之間的檢測距離。

圖3 并聯電容三點式LC振蕩電路原理圖

2.3 硬幣檢測算法

算法根據硬幣對振蕩頻率改變量的大小進行真偽識別。因為真幣材質及圖案大致相同(不同版本差別不大),其改變頻率量應在某個范圍內,而假幣或游戲幣在此范圍之外。由公式(6)可知,當沒有硬幣進入時,f0作為背景頻率應為常數,但檢測器全天候工作,會受到來自外界溫度、電路元件老化及瞬時干擾等因素影響,將導致f0發生改變,為此需要及時進行背景頻率的更新。算法采用中值濾波方法[9],對5s內無硬幣投入時的頻率進行中值濾波,作為當前背景頻率。為消除瞬間干擾對電路的影響,在錢幣進入檢測槽時連續采樣三個數據b1,b2,b3,設真幣檢測閾值范圍為T,檢測算法如下(F=0表示真幣,F=1表示偽幣)：

if(cov(b1,b2,b3)＞T1)

F=1,goto false_process;

(如果數據b1,b2,b3方差大于閾值T1,則認為有干擾存在,//判斷硬幣為偽幣,并轉到偽幣處理程序)

a=med(b1,b2,b3);

(對數據b1,b2,b3進行中值濾波,以選取一個最佳數據)

if|a-f0|＜T;thenF=0,goto true_process;(轉到真幣處理程序)

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

(轉到偽幣處理程序)

end

3 硬幣勵磁頻率試驗

為了檢驗渦流檢測器性能,進行了3組勵磁頻率下真偽硬幣的檢測,試驗結果如圖4所示。第一組在21.185 k Hz勵磁頻率下,有3個偽幣落入真幣檢測的范圍內,其中1個偽幣處于真幣檢測范圍邊緣,沒能對硬幣真偽進行準確識別。

第二組試驗在247.68 k Hz勵磁頻率下,真幣基本能夠與偽幣區分開,但是效果不是很明顯。第三組試驗258.88 k Hz勵磁頻率下,信號波形經過8分頻后測得硬幣與頻率之間的關系如圖4(c)所示。由圖可以看出,在該勵磁頻率下,真幣完全能夠與偽幣區分開,且效果明顯。

試驗表明,電路勵磁頻率越高,檢測的效果越明顯。這是因為部分偽幣的材料可能與真幣相同,但表面圖案有所區別。由于渦流集膚效應,勵磁頻率越高,渦流越集中在硬幣表面,越能將硬幣的表面特征量反映出來。

4 結論

設計了1元硬幣渦流檢測器,在適合的勵磁頻率下,該裝置可以很好地判別硬幣的真偽。算法采用背景頻率更新及中值濾波方法,對測量數據進行實時分析處理。試驗證明,該硬幣檢測器具有良好的溫度穩定性及抗干擾特性,且檢測準確率高。目前該檢測器已在兒童搖擺機等自動投幣玩具中使用,效果良好,有望應用在更多的自動投幣場合。

[1]楊浩,劉洋.硬幣檢測傳感器[J].電子測量技術,2004(6)：25-26.

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[3]王春芳,林金表,鄭子武,等.基于 AT89C51單片機的硬幣高速檢偽機[J].機電工程技術,2006,35(4)：29.

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