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摘要：本文对研制一套智能人民币硬币币值与假币识别系统进行了讨论。首先，分析了各型硬币、假币的材质组成和识别机理。其次，应用磁芯互感技术,设计了识别系统所需各部分的硬件电路和相应的软件。最后，通过整体电路的设计与调试，测试了研制的实际系统，准确地识别了各型币值和相关的假币。
关键词：硬币，智能识别，假币
0. 引言
在我国，小面额的现钞逐步实现了硬币化，硬币的流通越来越普遍，硬币检伪与分拣、统计币值工作量大且效率低下。
国内现有的各类硬币鉴别装置，普遍存在原理简单、检测手段单一、鉴别伪币能力差，且只能鉴别一二种硬币的弊端。而国外的鉴币装置则采用多种检测手段、鉴别可靠、动作迅速、且能自动找零、重新设置币值等多种功能，但设计制造复杂、价格昂贵。为此，本文探讨并研制了一种新的硬币鉴别装置，其主要的技术要求为:能正确鉴别目前国内流通的四种面值的硬币，并有较强的防伪的能力。
对于目前国内流通的四种硬币,要区别它们,主要依靠硬币的以下特征:材质、直径、厚度、重量、图形图案等。本文将采用一种单通道双回路磁芯材质互感技术，分析统计出各型真假硬币的特征参数，应用单片机技术，采用互感幅值检测的方法，设计出硬币智能识别系统的软硬件电路以及相应的装置。
1設计原理
我国人民币现有的硬币币值共四种，分别为一元，材质为镍钢；五角，材质为铜；一角有两种，材质都为铝，只是大小和厚度不同。一般的假币由于制造成本的缘故，市场上常见的为一元普通钢质假硬币。
由磁路的基本性质知道，为了使较小的激励电流产生足够大的磁通，在铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的磁芯。铁心的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高的多，因此磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路。这种人为造成的磁通的路径，称为磁路。
对于磁路，如果一个给定的线圈，其磁通量由磁阻的大小决定，而磁阻将由固定线圈的磁导率μ决定。因此，通过线圈的电流一定时，变化的磁导率μ决定线圈的磁通量。磁导率μ是用来衡量物质导磁能力的物理量，就根据这一点，在磁路中不同材质的物资，其导磁能力也不同，相应的磁通量大小也不相同。
另外，由变压器原理，在原绕组(一次绕组)上通以交流电时，原绕组的磁通势产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而，在副绕组(二次绕组)中感应出电动势，而有电流通过，这样也在副绕组上也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁通势共同产生的合成磁通，称为主磁通φ。当有不同的金属物体通过线圈时，由于磁导率不同，感应出来的电动势也不相同。
根据上述原理，如图1所示，在原绕组加以一定频率的信号，在线圈中间通过不同材质的金属物，则在副绕组端感应出不同幅值大小的电动势，如图2所示。通过单片机和AD转换，检测电动势的大小来判断出不同材质的金属物，进而判断其币值或是假币。
2电路设计
2.1 总设计图
由上述的判断机理，系统的总的设计原理框架主要由以下几部分电路组成：
稳压电源电路。主要提供5V、+12V和-12V的直流电源，驱动整个系统各个模块的各种电路。
激励信号电路。主要产生一稳定标准的激励信号，并放大后输入到磁芯部件。
红外管电路。磁芯部件附近同时装有红外管，可以检测硬币是否通过，以低电平信号输入到单片机的一个外部中断口，单片机中有对应的处理程序。
滤波电路。电感器部件输出的信号含有许多噪音，经过滤波后，再经过两个模块的处理电路和一次放大后输出。
放大电路。激励信号和感应信号通过不同的放大电路，以达到不同的幅值。
AD采集电路。经A/D转换成数字信号，输入到单片机，单片机运行各种处理程序，包括币值的分别和硬币的真假辨别。
显示模块。在每个硬币通过之后，程序将对各个数码管对应的显示值进行刷新，以便显示正确的结果。
2.2激励信号电路
设计中必须使用一较为标准的激励信号，加入到电感部件。电路采用的是一块专用的信号产生芯片IC8038，使用同一块IC8038集成芯片可同时产生正弦波、方波和三角波信号，同时使用了两个可调电阻配合起来调节输出的波形，比如信号的左右对称度等。
2.3 红外管发送接收电路
在本次设计中用到了一对红外管,一个作为发送红外光,一个作为接收红外光。红外管安装在硬币通道的两侧，用以检测硬币是否已通过。当硬币通过时，遮住红外接收管，接收管对应的电路将产生一个低电平信号，输入到单片机的一个中断口，单片机内部程序设有对应的中断处理程序。
2.4 滤波电路
滤波电路是一种选频电路。能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使得一定频率的信号顺利通过，并且衰减很小，而在这频率之外的信号因衰减很大而不能通过。滤波电路可分低通、高通、带通、带阻滤波电路。如果把低通滤波电路和高通滤波电路串接起来，就成为一带通滤波电路。串接时，如果是低通电路在前，则高通滤波的截止频率应该小于前面低通滤波的截止频率。为了提取一定频率f的信号，则应使低通和高通的截止频率接近f，其中f=1/2RC。
如图3所示的电路中，通带放大倍数值越大，频带越窄，选频特性就越好，因此需要调整电路中的通带放大倍数。通带放大倍数与放大器的放大倍数有关，放大器的放大倍数越接近数值3，通带放大倍数越大。
2.5 放大电路
本次设计中使用到了运算放大器搭成的放大电路，如图4所示，是一反相放大电路。信号从运算放大器的反相输入端引入。其放大倍数由电阻R1和 Ra决定，放大倍数为比值R1/Ra，图中的R6是一平衡电阻，R6=R1//Ra，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。图中使用的Ra是可调电阻，用于在调试中方便的调节放大倍数，以至调出满意的输出信号。
2.6 AD采集电路
AD采集采用ADC0838芯片，ADC0838是带有串行接口,8位逐次逼近比较型的模/数转换器(ADC)。在芯片内包含了一个跟踪、保持电路,一个参考电源和具有8个通道的多路转换器。由于是串行输出，占用的I/O口少，只需要三个I/O管脚，电路简单，编程也非常方便，其转换速度也对本系统来说是合适的。
2.7显示电路
在本设计中，采用串行接口输出、动态显示，总共使用了16位LED共阴极数码管，这16位数码管是由4片集成数码管组成的。
系统采用单片机的一个并行I/O口实现16个LED的串行接口动态显示。其中 ,74LS138是3-8线译码器 ,由于在设计中共使用16位数码管，所以需要两片。74LS146是８位并行输出门控串行输入移位寄存器 , LED为共阴极数码管。显示时 ,其显示数据以串行方式从单片机TXD口输出送往移位寄存器74LS146的A、B端 ,然后将变成的并行数据从输出端Q0-Q7输出 ,输入到74LS07反相驱动器，反相器即输出对应的段选码同时送往数码管LED1-LED16。位选码由单片机的P1.0-P1.3口输出并经两片译码器74LS138送往开关管Y1-Y16的基极 ,以对数码管LED1-LED16进行位选控制，图5为电路原理图
3 测试结果
整个币值与假币智能识别电路由很多个电路功能模块组成,整个系统的可靠性由各个模块的可靠性构成,所以必须对每个子模块都进行了严格的设计调试，研制出一套系统。
在软件设计中，首先通过检测一定数量的各型币值硬币，统计出各型真币的特征参数，然后用统计的特征参数验证其他一定数量的硬币，用以验证系统的可靠性与准确性。对于假币的处理，系统认为只要不是在真币的特征参数内都认为是假币。
系统测试了一定数量的多个不同币值的硬币，不同币值的特征参数相差大，同币值硬币的特征参数一致性较好，经测试系统是成功的。当然，即使是这样，由于是统计验证，不能说系统辨认硬币能100%的成功，特别是假币，需要通过不断的统计加以完善。
4 结论
本系统通过采用单通道双回路磁芯材质互感技术，应用不同硬币和假币的材质特性的不同，提取它们相应的特征参数，应用单片机技术，设计出了一套硬币假币智能识别系统，通过实际的验证，能够准确快速地测出所通过的硬币币值和真假，在技术上证明是可行的，通过适当的改进设计，将在自动售货机、自动电话、硬币分拣等方面有广泛的用处。
注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看
关键词：硬币，智能识别，假币
0. 引言
在我国，小面额的现钞逐步实现了硬币化，硬币的流通越来越普遍，硬币检伪与分拣、统计币值工作量大且效率低下。
国内现有的各类硬币鉴别装置，普遍存在原理简单、检测手段单一、鉴别伪币能力差，且只能鉴别一二种硬币的弊端。而国外的鉴币装置则采用多种检测手段、鉴别可靠、动作迅速、且能自动找零、重新设置币值等多种功能，但设计制造复杂、价格昂贵。为此，本文探讨并研制了一种新的硬币鉴别装置，其主要的技术要求为:能正确鉴别目前国内流通的四种面值的硬币，并有较强的防伪的能力。
对于目前国内流通的四种硬币,要区别它们,主要依靠硬币的以下特征:材质、直径、厚度、重量、图形图案等。本文将采用一种单通道双回路磁芯材质互感技术，分析统计出各型真假硬币的特征参数，应用单片机技术，采用互感幅值检测的方法，设计出硬币智能识别系统的软硬件电路以及相应的装置。
1設计原理
我国人民币现有的硬币币值共四种，分别为一元，材质为镍钢；五角，材质为铜；一角有两种，材质都为铝，只是大小和厚度不同。一般的假币由于制造成本的缘故，市场上常见的为一元普通钢质假硬币。
由磁路的基本性质知道，为了使较小的激励电流产生足够大的磁通，在铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的磁芯。铁心的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高的多，因此磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路。这种人为造成的磁通的路径，称为磁路。
对于磁路，如果一个给定的线圈，其磁通量由磁阻的大小决定，而磁阻将由固定线圈的磁导率μ决定。因此，通过线圈的电流一定时，变化的磁导率μ决定线圈的磁通量。磁导率μ是用来衡量物质导磁能力的物理量，就根据这一点，在磁路中不同材质的物资，其导磁能力也不同，相应的磁通量大小也不相同。
另外，由变压器原理，在原绕组(一次绕组)上通以交流电时，原绕组的磁通势产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而，在副绕组(二次绕组)中感应出电动势，而有电流通过，这样也在副绕组上也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁通势共同产生的合成磁通，称为主磁通φ。当有不同的金属物体通过线圈时，由于磁导率不同，感应出来的电动势也不相同。
根据上述原理，如图1所示，在原绕组加以一定频率的信号，在线圈中间通过不同材质的金属物，则在副绕组端感应出不同幅值大小的电动势，如图2所示。通过单片机和AD转换，检测电动势的大小来判断出不同材质的金属物，进而判断其币值或是假币。
2电路设计
2.1 总设计图
由上述的判断机理，系统的总的设计原理框架主要由以下几部分电路组成：
稳压电源电路。主要提供5V、+12V和-12V的直流电源，驱动整个系统各个模块的各种电路。
激励信号电路。主要产生一稳定标准的激励信号，并放大后输入到磁芯部件。
红外管电路。磁芯部件附近同时装有红外管，可以检测硬币是否通过，以低电平信号输入到单片机的一个外部中断口，单片机中有对应的处理程序。
滤波电路。电感器部件输出的信号含有许多噪音，经过滤波后，再经过两个模块的处理电路和一次放大后输出。
放大电路。激励信号和感应信号通过不同的放大电路，以达到不同的幅值。
AD采集电路。经A/D转换成数字信号，输入到单片机，单片机运行各种处理程序，包括币值的分别和硬币的真假辨别。
显示模块。在每个硬币通过之后，程序将对各个数码管对应的显示值进行刷新，以便显示正确的结果。
2.2激励信号电路
设计中必须使用一较为标准的激励信号，加入到电感部件。电路采用的是一块专用的信号产生芯片IC8038，使用同一块IC8038集成芯片可同时产生正弦波、方波和三角波信号，同时使用了两个可调电阻配合起来调节输出的波形，比如信号的左右对称度等。
2.3 红外管发送接收电路
在本次设计中用到了一对红外管,一个作为发送红外光,一个作为接收红外光。红外管安装在硬币通道的两侧，用以检测硬币是否已通过。当硬币通过时，遮住红外接收管，接收管对应的电路将产生一个低电平信号，输入到单片机的一个中断口，单片机内部程序设有对应的中断处理程序。
2.4 滤波电路
滤波电路是一种选频电路。能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使得一定频率的信号顺利通过，并且衰减很小，而在这频率之外的信号因衰减很大而不能通过。滤波电路可分低通、高通、带通、带阻滤波电路。如果把低通滤波电路和高通滤波电路串接起来，就成为一带通滤波电路。串接时，如果是低通电路在前，则高通滤波的截止频率应该小于前面低通滤波的截止频率。为了提取一定频率f的信号，则应使低通和高通的截止频率接近f，其中f=1/2RC。
如图3所示的电路中，通带放大倍数值越大，频带越窄，选频特性就越好，因此需要调整电路中的通带放大倍数。通带放大倍数与放大器的放大倍数有关，放大器的放大倍数越接近数值3，通带放大倍数越大。
2.5 放大电路
本次设计中使用到了运算放大器搭成的放大电路，如图4所示，是一反相放大电路。信号从运算放大器的反相输入端引入。其放大倍数由电阻R1和 Ra决定，放大倍数为比值R1/Ra，图中的R6是一平衡电阻，R6=R1//Ra，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。图中使用的Ra是可调电阻，用于在调试中方便的调节放大倍数，以至调出满意的输出信号。
2.6 AD采集电路
AD采集采用ADC0838芯片，ADC0838是带有串行接口,8位逐次逼近比较型的模/数转换器(ADC)。在芯片内包含了一个跟踪、保持电路,一个参考电源和具有8个通道的多路转换器。由于是串行输出，占用的I/O口少，只需要三个I/O管脚，电路简单，编程也非常方便，其转换速度也对本系统来说是合适的。
2.7显示电路
在本设计中，采用串行接口输出、动态显示，总共使用了16位LED共阴极数码管，这16位数码管是由4片集成数码管组成的。
系统采用单片机的一个并行I/O口实现16个LED的串行接口动态显示。其中 ,74LS138是3-8线译码器 ,由于在设计中共使用16位数码管，所以需要两片。74LS146是８位并行输出门控串行输入移位寄存器 , LED为共阴极数码管。显示时 ,其显示数据以串行方式从单片机TXD口输出送往移位寄存器74LS146的A、B端 ,然后将变成的并行数据从输出端Q0-Q7输出 ,输入到74LS07反相驱动器，反相器即输出对应的段选码同时送往数码管LED1-LED16。位选码由单片机的P1.0-P1.3口输出并经两片译码器74LS138送往开关管Y1-Y16的基极 ,以对数码管LED1-LED16进行位选控制，图5为电路原理图
3 测试结果
整个币值与假币智能识别电路由很多个电路功能模块组成,整个系统的可靠性由各个模块的可靠性构成,所以必须对每个子模块都进行了严格的设计调试，研制出一套系统。
在软件设计中，首先通过检测一定数量的各型币值硬币，统计出各型真币的特征参数，然后用统计的特征参数验证其他一定数量的硬币，用以验证系统的可靠性与准确性。对于假币的处理，系统认为只要不是在真币的特征参数内都认为是假币。
系统测试了一定数量的多个不同币值的硬币，不同币值的特征参数相差大，同币值硬币的特征参数一致性较好，经测试系统是成功的。当然，即使是这样，由于是统计验证，不能说系统辨认硬币能100%的成功，特别是假币，需要通过不断的统计加以完善。
4 结论
本系统通过采用单通道双回路磁芯材质互感技术，应用不同硬币和假币的材质特性的不同，提取它们相应的特征参数，应用单片机技术，设计出了一套硬币假币智能识别系统，通过实际的验证，能够准确快速地测出所通过的硬币币值和真假，在技术上证明是可行的，通过适当的改进设计，将在自动售货机、自动电话、硬币分拣等方面有广泛的用处。
注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看