基于ARM的硬幣鑒別系統設計

王娟+吳昊+付成偉+荊亞

摘 要： 為減少市面上假硬幣的的流通，提出一種基于ARM的硬幣鑒別系統設計。這個測試系統是一個復合測試系統，使用4個傳感器，包括電容傳感器、電磁傳感器、渦流傳感器、光學傳感器檢測檢測硬幣的材質，厚度，直徑信息。系統的信號采集電路以AD9480為主，實現硬幣特征量的高速高效采集處理。采集處理后的硬幣特征數據送入STM32，通過與其真幣特征值的比較來實現硬幣的鑒別。實踐表明，該系統達到了預期目標。

關鍵詞： 硬幣鑒別； ARM； 傳感器； AD9480

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

人民幣硬幣是由多種金屬材料合成而成，以一元硬幣為例，其中含鐵、碳、鎳等不同金屬，其中各種材料的比例多少是國家的機密。由于造假者并不了解真幣的各種材質比例及制造工藝，只是在材質、尺寸、質量、圖案上進行模仿，目前，對假硬幣進行的鑒別方法主要有圖像對比法、稱質量法和渦流傳感器檢測法。圖像法硬件成本高，不易做到實時性，稱重法片面，渦流傳感器對一些特定硬幣檢測的限制性等等。所以，設計出一種對國內外多種硬幣材質有效鑒別的系統，以電磁感應原理，電容器原理及電子技術為硬件技術支持，以STM32單片機為核心的系統。文中介紹了系統具體設計和實現。

1 系統總體設計

本系統是基于ARM 的硬幣鑒別系統，單片機采用ST公司的STM32F103VE型號，其負責系統控制和對數據的采集和處理，并且提供報警等服務。由線性CCD組成的光學傳感器，硬幣經過時，可以檢測其直徑。由兩個極板構成的電容極板，硬幣的厚度會影響兩極板上的電容，進而影響電壓的變化，電壓信號在經過濾波和放大，通過AD9480采集到表征硬幣厚度的電壓值。電磁傳感器和渦流傳感器，因金屬材質的不同會對傳感器的電感量大小產生影響，然后分別經過頻率計和電壓比較器后，單片機采集其表征金屬材質的頻率值。將AD9480和單片機采集所得到的4組值與存儲在單片機內的真硬幣的特征值相比較，即可確定硬幣真假和種類。系統框圖如圖1所示。

2 硬件檢測原理及方法

本文設計的硬幣鑒別系統有硬幣真偽鑒別、假幣報警、學習功能。以下將對此系統的工作原理，總體結構進行闡述。

2.1 電磁傳感器

電磁傳感器結構圖如圖2所示。

將線圈（圖2中紅色部分）接入諧振電路，當硬幣（圖1中灰色部分）從線圈中間通過時，由于電磁感應，影響線圈是Q值和L，公式如下：

[f=12πLC] （1）

[Q=ωLR] （2）

根據式（1）、式（2）可知，電感系數改變會改變自身的[Q]值和[L]值，由此得出頻率[f]，通過用單片機采集頻率，計算，對比即可通過材質辨別硬幣的真假。電磁感應原理如圖3所示。

圖1 系統框架

圖2 電磁傳感器結構圖

圖3 電磁感應原理圖

2.2 渦流傳感器測

使用兩側線圈產生特定高頻率電磁波，硬幣經過時會產生渦流效應，可以檢測包絡覆蓋以及內外圈不同金屬的硬幣。兩側線圈（圖4中兩端黑色部分）產生特定頻率的電磁波，硬幣經過時會產生渦流效應，進而影響線圈的的質量因子，電感，阻抗等。原理如上，然后根據頻率的變化，經過單片機采集，計算，對比即可通過材質經行真假硬幣和幣種的辨別。

2.3 電容傳感器測量厚度

利用平行板電容原理檢測硬幣厚度。圖5中硬幣兩側紅色部分為平行板金屬電極。

當硬幣通過硬幣口進人平行電容傳感器時（如圖5所示）會引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過電容傳感器配用的交流電橋將電容的變化轉換成電壓信號。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[圖4 渦流傳感器結構圖 圖5 電容傳感器結構圖]

其中變間隙式平行電容傳感器通過檢驗硬幣的尺寸、厚度來辨別真偽，硬幣經過電容傳感器會引起電容的變化，經交流電橋轉換成電壓信號見圖6。經過信號放大，可用單片機的A/D來采集，經單片機的處理，在單片機中進行真假幣判斷。

圖6 平行電容傳感器

2.4 光學傳感器

用光學傳感器測量直徑，直徑測量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數據。根據相關文獻基本可以實現0.1 mm精度測量，測量速度50 ms左右。

圖7中左側黑色部分為線陣CCD傳感器，右側為線性光源。

圖7 光學傳感器結構圖

3 控制部分及數據分析

3.1 控制部分

單片機在初始化之后，系統選擇運行模式（如圖8所示），若為學習模式，則進入學習模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進入通道，如若沒有，繼續等待，若有真幣，則通過A/D采集傳感器轉換過來的數值，經過單片機處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標準特征值。

圖8 系統總體模式

圖9 單片機學習模式

若是工作模式，則進入工作模式子程序，把經過傳感器轉換，A/D采集，單片機處理后的待測硬幣特征值與E2PROM中的標準特征值進行比較，來判定硬幣的真偽。如果待測硬幣特征值的差值在預設的誤差范圍內，則可認定待測硬幣為真，真幣數量加1。若待測硬幣特征值在預設的誤差范圍之外，繼續與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發出聲音報警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測。如圖10所示。

3.2 檢測數據及分析

不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統對真幣進行檢測，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應用本系統進行鑒別真假幣時，只需把待測硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實驗測試值如表1所示。

圖10 單片機工作模式

表1 幾種硬幣的檢測范圍及分析表

4 結 論

本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎，對硬幣進行材質檢測，兩種傳感器可保證能夠對假幣的材質如包絡，覆蓋等的形式進行有效鑒別。本文應用光學傳感器和電容傳感器有效檢測硬幣的直徑和厚度，可以進一步鑒別硬幣和區分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統實現了快速采集數據、數據處理、控制等功能，通過測試，運行良好，有很大的市場應用前景。

注：本文通訊作者為付成偉。

參考文獻

[1] 黃祥龍，李中會.一種基于solidworks的新型硬幣鑒偽分揀機設計[J].中國新技術新產品，2010（11）：60?63.

[2] 劉藝柱，郭素娜.基于電渦流傳感器的硬幣識別系統的設計[J].河南理工大學學報，2010（4）：29?30.

[3] 趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 呂冰，葉婷婷，趙劍鋒.基于電磁檢測技術的硬幣檢偽裝置[J].儀表技術與傳感器，2010（12）：80?82.

[5] 張宇珩，宋楊，王薏霖，等.基于應變傳感器的硬幣識別裝置的設計[J].數字技術與應用，2013（1）：124?125.

[6] 周杰，張德均，陳庭勛.基于電渦流的銅膜測厚研究[J].現代電子技術，2010，33（7）：179?182.

利用平行板電容原理檢測硬幣厚度。圖5中硬幣兩側紅色部分為平行板金屬電極。

當硬幣通過硬幣口進人平行電容傳感器時（如圖5所示）會引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過電容傳感器配用的交流電橋將電容的變化轉換成電壓信號。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[圖4 渦流傳感器結構圖 圖5 電容傳感器結構圖]

其中變間隙式平行電容傳感器通過檢驗硬幣的尺寸、厚度來辨別真偽，硬幣經過電容傳感器會引起電容的變化，經交流電橋轉換成電壓信號見圖6。經過信號放大，可用單片機的A/D來采集，經單片機的處理，在單片機中進行真假幣判斷。

圖6 平行電容傳感器

2.4 光學傳感器

用光學傳感器測量直徑，直徑測量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數據。根據相關文獻基本可以實現0.1 mm精度測量，測量速度50 ms左右。

圖7中左側黑色部分為線陣CCD傳感器，右側為線性光源。

圖7 光學傳感器結構圖

3 控制部分及數據分析

3.1 控制部分

單片機在初始化之后，系統選擇運行模式（如圖8所示），若為學習模式，則進入學習模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進入通道，如若沒有，繼續等待，若有真幣，則通過A/D采集傳感器轉換過來的數值，經過單片機處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標準特征值。

圖8 系統總體模式

圖9 單片機學習模式

若是工作模式，則進入工作模式子程序，把經過傳感器轉換，A/D采集，單片機處理后的待測硬幣特征值與E2PROM中的標準特征值進行比較，來判定硬幣的真偽。如果待測硬幣特征值的差值在預設的誤差范圍內，則可認定待測硬幣為真，真幣數量加1。若待測硬幣特征值在預設的誤差范圍之外，繼續與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發出聲音報警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測。如圖10所示。

3.2 檢測數據及分析

不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統對真幣進行檢測，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應用本系統進行鑒別真假幣時，只需把待測硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實驗測試值如表1所示。

圖10 單片機工作模式

表1 幾種硬幣的檢測范圍及分析表

4 結 論

本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎，對硬幣進行材質檢測，兩種傳感器可保證能夠對假幣的材質如包絡，覆蓋等的形式進行有效鑒別。本文應用光學傳感器和電容傳感器有效檢測硬幣的直徑和厚度，可以進一步鑒別硬幣和區分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統實現了快速采集數據、數據處理、控制等功能，通過測試，運行良好，有很大的市場應用前景。

注：本文通訊作者為付成偉。

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[6] 周杰，張德均，陳庭勛.基于電渦流的銅膜測厚研究[J].現代電子技術，2010，33（7）：179?182.

利用平行板電容原理檢測硬幣厚度。圖5中硬幣兩側紅色部分為平行板金屬電極。

當硬幣通過硬幣口進人平行電容傳感器時（如圖5所示）會引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過電容傳感器配用的交流電橋將電容的變化轉換成電壓信號。

[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）

[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）

[圖4 渦流傳感器結構圖 圖5 電容傳感器結構圖]

其中變間隙式平行電容傳感器通過檢驗硬幣的尺寸、厚度來辨別真偽，硬幣經過電容傳感器會引起電容的變化，經交流電橋轉換成電壓信號見圖6。經過信號放大，可用單片機的A/D來采集，經單片機的處理，在單片機中進行真假幣判斷。

圖6 平行電容傳感器

2.4 光學傳感器

用光學傳感器測量直徑，直徑測量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數據。根據相關文獻基本可以實現0.1 mm精度測量，測量速度50 ms左右。

圖7中左側黑色部分為線陣CCD傳感器，右側為線性光源。

圖7 光學傳感器結構圖

3 控制部分及數據分析

3.1 控制部分

單片機在初始化之后，系統選擇運行模式（如圖8所示），若為學習模式，則進入學習模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進入通道，如若沒有，繼續等待，若有真幣，則通過A/D采集傳感器轉換過來的數值，經過單片機處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標準特征值。

圖8 系統總體模式

圖9 單片機學習模式

若是工作模式，則進入工作模式子程序，把經過傳感器轉換，A/D采集，單片機處理后的待測硬幣特征值與E2PROM中的標準特征值進行比較，來判定硬幣的真偽。如果待測硬幣特征值的差值在預設的誤差范圍內，則可認定待測硬幣為真，真幣數量加1。若待測硬幣特征值在預設的誤差范圍之外，繼續與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發出聲音報警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測。如圖10所示。

3.2 檢測數據及分析

不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統對真幣進行檢測，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應用本系統進行鑒別真假幣時，只需把待測硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實驗測試值如表1所示。

圖10 單片機工作模式

表1 幾種硬幣的檢測范圍及分析表

4 結 論

本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎，對硬幣進行材質檢測，兩種傳感器可保證能夠對假幣的材質如包絡，覆蓋等的形式進行有效鑒別。本文應用光學傳感器和電容傳感器有效檢測硬幣的直徑和厚度，可以進一步鑒別硬幣和區分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統實現了快速采集數據、數據處理、控制等功能，通過測試，運行良好，有很大的市場應用前景。

注：本文通訊作者為付成偉。

參考文獻

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