電子式金屬硬幣分揀裝置

李晶，翟艷男，金美善，陳大川

（空軍航空大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130021）

0 引言

本文研究?jī)?nèi)容為簡(jiǎn)易電子硬幣設(shè)別裝置，本系統(tǒng)采用多高度滑軌連通的方法進(jìn)行硬幣的識(shí)別。滑軌以及上方不同高度的金屬片在硬幣劃過(guò)時(shí)接通電路，使得不同的二極管發(fā)光，來(lái)達(dá)到識(shí)別不同硬幣的目的：由于各種硬幣的重量不同，因此，本系統(tǒng)采用稱重的方法進(jìn)行硬幣計(jì)數(shù)，由此可知稱重系統(tǒng)以及A/D轉(zhuǎn)換器是本次課題的主要核心，只有達(dá)到足夠準(zhǔn)確的精度才能正確實(shí)現(xiàn)人民幣硬幣識(shí)別和計(jì)算功能。本系統(tǒng)主要由電源供電部分、硬幣識(shí)別部分、硬幣分離部分、電阻應(yīng)變式傳感器組成的稱重部分、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換部分、外部按鍵控制部分、單片機(jī)以及LCD液晶顯示部分組成。用A/D轉(zhuǎn)換器讀取由電阻應(yīng)變式傳感器傳出的模擬量，再由單片機(jī)讀取經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，CPU進(jìn)行運(yùn)算和處理就可達(dá)到要求。

1 系統(tǒng)方案

1.1 硬幣識(shí)別方案選擇與論證

方案一：多道金屬片并行式識(shí)別裝置

多道并行是指在特定的一段導(dǎo)軌的上方安裝多條不同高度的金屬片，當(dāng)硬幣劃過(guò)時(shí)，在硬幣直徑高度一下的電路全部接通，二極管發(fā)光，通過(guò)判斷發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)來(lái)識(shí)別為何種硬幣。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果直觀，識(shí)別速度快。缺點(diǎn)：加工難度大，在硬幣的滑行過(guò)程中容易發(fā)生接觸不良使結(jié)果出現(xiàn)誤差。

方案二：?jiǎn)诬壙v向分布式識(shí)別裝置

單軌縱向是指在不同段的導(dǎo)軌的上方各安裝一條高度不同的金屬片，當(dāng)硬幣劃過(guò)時(shí)，只有一條硬幣直徑高度下的電路接通，二極管發(fā)光，通過(guò)判斷哪個(gè)發(fā)光二極管的來(lái)識(shí)別為何種硬幣。優(yōu)點(diǎn)：加工簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)加工不良的問(wèn)題。

綜合兩種方案的分析比較，單軌縱向分布式識(shí)別裝置能較好的完成實(shí)驗(yàn)所需的目標(biāo)，故使用方案二。

1.2 硬幣分揀方案選擇與論證

方案一：孔篩式硬幣分揀裝置

孔篩式硬幣分揀是指在滑軌上安裝不同高度的擋片，使得其只允許低于它高度的硬幣通過(guò)，高于其高度的硬幣被導(dǎo)向另一邊收集。優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)易，加工簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，不易出錯(cuò)。

方案二：撥片式硬幣分揀裝置

撥片式硬幣分揀是指在滑軌上不同地方安裝不同高度的撥片，當(dāng)硬幣碰到撥片時(shí)，硬幣的一端會(huì)沿著撥片的上揚(yáng)而翹起，從而打亂硬幣的平衡使其從側(cè)面滾落下來(lái)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)精巧，創(chuàng)新性高。缺點(diǎn)：安裝、加工不易，容易出現(xiàn)誤差。

1.3 重量檢測(cè)方案選擇與論證

方案一：壓電效應(yīng)的重力傳感器

基于壓電效應(yīng)的傳感器的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路的放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差。

方案二：電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體受外力（拉力或壓力）作用產(chǎn)生形變時(shí)，傳感器將該形變轉(zhuǎn)化成電量輸出，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表檢測(cè)出這個(gè)與外加重量成一定比例關(guān)系的電量，從而測(cè)出質(zhì)量。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，測(cè)量范圍廣壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。

綜合兩種方案的分析與比較，電阻應(yīng)變式傳感器可以達(dá)到精確測(cè)量，搭建電路簡(jiǎn)單，容易掌握與使用，價(jià)格相對(duì)便宜等等，所以選擇方案二。

1.4 A/D轉(zhuǎn)換方案選擇與論證

方案一：外搭A(yù)/D電路

A/D轉(zhuǎn)換可以選用A/D合成芯片或是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理自行搭建A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。自搭A(yù)/D轉(zhuǎn)換電路難度較高，不易搭建。且焊接時(shí)占用電路板面積大，不美觀。需要的人為操作過(guò)多，更加容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

方案二：集成A/D轉(zhuǎn)換器

使用集成的A/D轉(zhuǎn)換器，可以大量減少人為操作，不易損壞，搭建方便。集成A/D轉(zhuǎn)換器HX711是一款專為高精度電子稱而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，分辨率大，精度高，響應(yīng)速度快，抗干擾性能高。HX711自帶低噪聲可編程放大器，通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為+-20mV或+-40mV。通道B則為固定的32增益，減少了對(duì)信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)，對(duì)本次設(shè)計(jì)更為有利。

綜合兩種方案的分析與比較，集成A/D轉(zhuǎn)換器更加貼合我們的需求，因此選用集成A/D轉(zhuǎn)換器HX711作為本設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 電阻應(yīng)變式重量檢測(cè)原理

圖中R1、R2、R3、R4為4個(gè)應(yīng)變片電阻，組成了橋式測(cè)量電路，e為電源電壓，V為信號(hào)電壓。當(dāng)應(yīng)變片受到力的變化時(shí)，電阻R1、R2、R3、R4變成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4，電橋的輸出電壓變?yōu)椋篤=kF。其中V為電橋的輸出電壓，k為系數(shù)，F(xiàn)為力的大小。

2.2 A/D轉(zhuǎn)化器原理

由于設(shè)計(jì)的要求，我們選擇設(shè)計(jì)的增益倍數(shù)為128倍。HX711有32、64、128三種增益可供選擇，但是由于傳感器的輸出信號(hào)較小，若選擇較小的增益可能最后精度達(dá)不到要求。雖然增益越高帶來(lái)的噪聲比越大，但是HX711的特點(diǎn)有低噪聲，影響不大。因此選用128倍的增益。HX711的輸出數(shù)據(jù)速率有10Hz和80Hz。由于10Hz速率的精度要高于80Hz，且本設(shè)計(jì)需要較高的精度，所以選用10Hz的數(shù)據(jù)輸出速率。同時(shí)HX711是一款專為高精度電子稱而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，其分辨率可以達(dá)到224=16777216，完全可以完成本次設(shè)計(jì)。

圖2 電阻應(yīng)變式傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

3.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

以單片機(jī)作為主要的控制器件進(jìn)行任務(wù)分配。當(dāng)滑軌與金屬板連通后，電路接通，二極管發(fā)光，蜂鳴器報(bào)警。硬幣通過(guò)撥片裝置后滑落到相應(yīng)的電橋上，當(dāng)所有硬幣分離后，開始稱重。當(dāng)電阻應(yīng)變式傳感器檢測(cè)到力的變化時(shí)，將微弱的電信號(hào)傳到A/D轉(zhuǎn)化器HX711，HX711通過(guò)信號(hào)放大等一系列動(dòng)作，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量送往單片機(jī)。芯片的串口數(shù)據(jù)輸出端接在單片機(jī)的外部中斷0即P3.2口。單片機(jī)的1,2,3引腳，即P1.0,P1.1,P1.2口，控制LCD液晶顯示屏，分別與12864的片選信號(hào)輸入，串行數(shù)據(jù)輸入，使能信號(hào)相連。單片機(jī)P2口的第四位接四個(gè)按鍵，用來(lái)控制模式的選擇，上下移動(dòng)以及確認(rèn)。

圖3 識(shí)別分揀流程圖

3.2 主程序流程圖

如圖3所示。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

在本此設(shè)計(jì)完成后，我們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，對(duì)基本要求和發(fā)揮部分內(nèi)的各項(xiàng)進(jìn)行了逐一實(shí)驗(yàn)，并達(dá)到了滿意的要求。

表1 具體測(cè)試結(jié)果