于春和,黃 川,張 超,白 瑩

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng) 110136)

自動(dòng)售貨機(jī)、投幣電話和投幣搖擺機(jī)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(jīng)濟(jì)損失,需要在投幣口處安裝硬幣真?zhèn)巫R(shí)別裝置。目前針對(duì)硬幣真?zhèn)螜z測(cè)的方法主要有渦流法[1-4],它通常通過(guò)檢測(cè)硬幣材質(zhì)、厚度等[1]參數(shù)以鑒別其真?zhèn)?。?shí)現(xiàn)的方法多采用差動(dòng)線圈測(cè)量方法[2],以克服溫漂帶來(lái)的影響。但這種電路較復(fù)雜,易受到電源電壓波動(dòng)的影響,因此檢測(cè)效果不理想。此外,還有采用硬幣圖像方法進(jìn)行真?zhèn)螜z測(cè)[5-6],但檢測(cè)成本高,對(duì)于高仿真度的硬幣檢測(cè)無(wú)能為力。

渦流傳感器已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中有所發(fā)展,如對(duì)車(chē)輛泊位檢測(cè)[7-8]等,它具有檢測(cè)速度快、精度高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。筆者擬采用渦流檢測(cè)原理,對(duì)硬幣的材料及表面特征進(jìn)行檢測(cè),以鑒別1元硬幣真?zhèn)?。介紹了硬幣渦流檢測(cè)原理和檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(包括硬件及軟件算法設(shè)計(jì)),在不同勵(lì)磁頻率下進(jìn)行了硬幣檢測(cè)試驗(yàn),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)檢測(cè)器的有效性。

1 硬幣渦流檢測(cè)原理

硬幣真?zhèn)巫R(shí)別主要根據(jù)其材質(zhì)及表面圖案的特征,為此硬幣真?zhèn)螜z測(cè)器可依據(jù)渦流檢測(cè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳感器電路采用電容三點(diǎn)式LC振蕩電路,其中L為硬幣檢測(cè)線圈。電路工作時(shí),檢測(cè)線圈周?chē)鷮a(chǎn)生一個(gè)與LC振蕩電路頻率相同的交變磁場(chǎng)。當(dāng)有硬幣進(jìn)入線圈時(shí),硬幣表面因渦流效應(yīng)而感生出渦流,此渦流繼而產(chǎn)生新的磁場(chǎng),其方向與原磁場(chǎng)方向相反。兩者產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用,將使電路中振蕩電流的頻率發(fā)生改變。產(chǎn)生渦流的大小與硬幣線圈距離、材質(zhì)及表面圖案等因素有關(guān),為此只要檢測(cè)電路中振蕩頻率的改變量,就可獲得硬幣的相關(guān)信息,其檢測(cè)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(shù);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(shù),取決于硬幣與線圈靠近程度。

圖1 渦流檢測(cè)器等效電路圖

設(shè)電路中的電流頻率為ω時(shí),根據(jù)基爾霍夫定律,存在如下關(guān)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(shù)Leq為r,L,M及ω的函數(shù),其中r,L與硬幣的材質(zhì)及表面圖案有關(guān),若M及ω保持不變,可以通過(guò)Leq進(jìn)行硬幣真?zhèn)螜z測(cè)。LC振蕩電路頻率為當(dāng)C為常數(shù)時(shí),頻率f只取決于Leq。為此只要檢測(cè)頻率f,就可獲取硬幣的真?zhèn)涡畔ⅰ．?dāng)檢測(cè)線圈沒(méi)有硬幣通過(guò)時(shí),其頻率表示為

2 硬幣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路組成

硬幣檢測(cè)器由LC振蕩電路、信號(hào)處理電路、微處理器及外圍電路四個(gè)模塊組成,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。LC振蕩電路采用并聯(lián)電容三點(diǎn)式結(jié)構(gòu),為檢測(cè)線圈提供勵(lì)磁電流,同時(shí)拾取硬幣材料及表面圖案信息;信號(hào)處理電路完成正弦波到方波的變換及分頻任務(wù),為微處理器測(cè)頻提供合適信號(hào);微處理器控制整個(gè)檢測(cè)器的運(yùn)行,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、信號(hào)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(gòu)成,負(fù)責(zé)完成硬幣進(jìn)入及離開(kāi)檢測(cè)槽的檢測(cè),并對(duì)真?zhèn)斡矌胚M(jìn)行分選等功能。

圖2 渦流硬幣檢測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 LC振蕩電路

傳感器電路采用并聯(lián)電容三點(diǎn)式振蕩器,電路原理如圖3所示。該電路具有波形好,頻率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),振蕩頻率為其中,設(shè)計(jì)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(gè)線圈并聯(lián)制作而成,它們分別位于硬幣檢測(cè)槽的兩側(cè),以克服硬幣兩面圖案不同對(duì)電路測(cè)量帶來(lái)的影響,并可利用檢測(cè)槽固定硬幣與線圈之間的檢測(cè)距離。

圖3 并聯(lián)電容三點(diǎn)式LC振蕩電路原理圖

2.3 硬幣檢測(cè)算法

算法根據(jù)硬幣對(duì)振蕩頻率改變量的大小進(jìn)行真?zhèn)巫R(shí)別。因?yàn)檎鎺挪馁|(zhì)及圖案大致相同(不同版本差別不大),其改變頻率量應(yīng)在某個(gè)范圍內(nèi),而假幣或游戲幣在此范圍之外。由公式(6)可知,當(dāng)沒(méi)有硬幣進(jìn)入時(shí),f0作為背景頻率應(yīng)為常數(shù),但檢測(cè)器全天候工作,會(huì)受到來(lái)自外界溫度、電路元件老化及瞬時(shí)干擾等因素影響,將導(dǎo)致f0發(fā)生改變,為此需要及時(shí)進(jìn)行背景頻率的更新。算法采用中值濾波方法[9],對(duì)5s內(nèi)無(wú)硬幣投入時(shí)的頻率進(jìn)行中值濾波,作為當(dāng)前背景頻率。為消除瞬間干擾對(duì)電路的影響,在錢(qián)幣進(jìn)入檢測(cè)槽時(shí)連續(xù)采樣三個(gè)數(shù)據(jù)b1,b2,b3,設(shè)真幣檢測(cè)閾值范圍為T(mén),檢測(cè)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(shù)據(jù)b1,b2,b3方差大于閾值T1,則認(rèn)為有干擾存在,//判斷硬幣為偽幣,并轉(zhuǎn)到偽幣處理程序)

a=med(b1,b2,b3);

(對(duì)數(shù)據(jù)b1,b2,b3進(jìn)行中值濾波,以選取一個(gè)最佳數(shù)據(jù))

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

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

(轉(zhuǎn)到偽幣處理程序)

end

3 硬幣勵(lì)磁頻率試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)渦流檢測(cè)器性能,進(jìn)行了3組勵(lì)磁頻率下真?zhèn)斡矌诺臋z測(cè),試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。第一組在21.185 k Hz勵(lì)磁頻率下,有3個(gè)偽幣落入真幣檢測(cè)的范圍內(nèi),其中1個(gè)偽幣處于真幣檢測(cè)范圍邊緣,沒(méi)能對(duì)硬幣真?zhèn)芜M(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

第二組試驗(yàn)在247.68 k Hz勵(lì)磁頻率下,真幣基本能夠與偽幣區(qū)分開(kāi),但是效果不是很明顯。第三組試驗(yàn)258.88 k Hz勵(lì)磁頻率下,信號(hào)波形經(jīng)過(guò)8分頻后測(cè)得硬幣與頻率之間的關(guān)系如圖4(c)所示。由圖可以看出,在該勵(lì)磁頻率下,真幣完全能夠與偽幣區(qū)分開(kāi),且效果明顯。

試驗(yàn)表明,電路勵(lì)磁頻率越高,檢測(cè)的效果越明顯。這是因?yàn)椴糠謧螏诺牟牧峡赡芘c真幣相同,但表面圖案有所區(qū)別。由于渦流集膚效應(yīng),勵(lì)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(lái)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了1元硬幣渦流檢測(cè)器,在適合的勵(lì)磁頻率下,該裝置可以很好地判別硬幣的真?zhèn)巍Ｋ惴ú捎帽尘邦l率更新及中值濾波方法,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。試驗(yàn)證明,該硬幣檢測(cè)器具有良好的溫度穩(wěn)定性及抗干擾特性,且檢測(cè)準(zhǔn)確率高。目前該檢測(cè)器已在兒童搖擺機(jī)等自動(dòng)投幣玩具中使用,效果良好,有望應(yīng)用在更多的自動(dòng)投幣場(chǎng)合。

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

[2]趙以強(qiáng).公交車(chē)投幣箱硬幣鑒偽及幣值識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2009,211(2)：34-36.

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

[4]武斌,龍?jiān)谠?張一哲.用于硬幣鑒偽的固頻渦流傳感方法[J].無(wú)損檢測(cè),2008,30(8)：491-493.

[5]畢曉君,孫曉霞.基于蟻群算法的硬幣識(shí)別研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(6)：883-885.

[6]劉美佳,張迅航,王巖.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬幣識(shí)別研究技術(shù)[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,21(2)：58-60.

[7]于春和,劉濟(jì)林.一種新型車(chē)輛泊位檢測(cè)器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2004(4)：693-695.

[8]Yu C H,Zhang D P,Guo R.Occupancy Sensors in Carpark Based on Wireless Network[C].The 9th Inernatiol Conference on SignalProcessing,2008,Beijing：2808-2811.

[9]Yang X H,Toh PS.Adaptive fuzzy multilevel median filter[J].IEEE Trans On Image Processing,1995,4(5)：680-682.