基于AVR單片機紙幣消毒機系統(tǒng)的設計

余威明, 趙喜林

（浙江工貿職業(yè)技術學院 a.電子工程系；b.金融設備研發(fā)中心，浙江 溫州 325003）

基于AVR單片機紙幣消毒機系統(tǒng)的設計

余威明a, 趙喜林b

（浙江工貿職業(yè)技術學院 a.電子工程系；b.金融設備研發(fā)中心，浙江 溫州 325003）

對紙幣消毒的需求進行分析，設計了一款具有紙幣進入自動檢測、消毒液自動加液、烘干溫度檢測與控制、電機驅動與控制等功能的紙幣消毒機。對消毒液的液位檢測及加液控制，紙幣烘干溫度檢測及控制的軟硬件設計方法進行分析。通過實驗及樣機運行證明系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和實用性。

Atmega8；PT100；SPI；紙幣消毒；溫度控制

隨著環(huán)境的污染與惡化，傳染性病毒傳播日益嚴重，近年的非典和甲流病毒就給人民群眾的健康及生命帶來極大的危害。作為日常生活必須用到的紙幣，由于在人與人之間的流通，表面附著大量細菌及病毒，紙幣的使用是傳播傳染病的重要途徑，據(jù)有關部門對流通中的紙幣票面沾染細菌和病毒的情況調查發(fā)現(xiàn)：紙幣表面沾染細菌和病毒高達十幾種之多，紙幣上如此多的細菌和病毒對人們的健康是極大的隱患。對紙幣進行有效地消毒成為一個重要的課題，目前市場上存在著一些對紙幣消毒的方法，如紫外線消毒，遠紅外線消毒等，但效果均不太理想[1]，本文設計了一款能夠自動涂抹消毒液，并能對紙幣進行烘干和整平的消毒機。

1 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)紙幣消毒需求的分析，設計了一款以ATMEGA8單片機作為主控芯片的紙幣消毒機，系統(tǒng)包括紙幣進入檢測、烘干溫度檢測、液位檢測等檢測環(huán)節(jié)，還包括運行狀態(tài)指示、烘干溫度顯示、自動加液控制、電機控制以及烘干溫度控制等輸出控制環(huán)節(jié)。系統(tǒng)組成框圖如圖 1所示。

2 ATMEGA8單片機

ATMEGA8單片機是ATMEL公司推出的AVR單片機，AVR系統(tǒng)單片機拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法，采用精簡指令集(RISC)，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令，可達1MIPS/MHZ。2～3個PWM通道，可實現(xiàn)任意小于16位、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出。有18個不同的獨立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統(tǒng)的安全性。片內集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器，存儲空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴展提供了必要保證。23個可編程I/0口，可任意定義I/0的輸入/輸出方向；驅動能力強，可直接驅動LED等大電流負載，且多數(shù)的I/O口為復用口，除作為通用數(shù)字I/O使用外，其第二功能可作為芯片內部其他外圍電路的接口。具有三個定時/計數(shù)器，除了能夠實現(xiàn)通常的定時和計數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調制輸出、實時時鐘計數(shù)等更為強大的功能。ADC和DAC轉換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量。有看門狗電路，一旦程序進入死循環(huán)能自動復位，保證系統(tǒng)工作的可靠性。有空閑、省電、掉電三種低功耗方式，很適合低功耗系統(tǒng)的要求[2]。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 消毒液液位檢測與控制

本系統(tǒng)在設計中利用探針檢測消毒液的液位，并根據(jù)檢測的狀態(tài)控制儲液罐的電池閥的動作，從而實現(xiàn)自動加液的功能。消毒液的液位檢測采用了探針的檢測原理，將三根探針安裝成不同的高度，當兩根之間全浸泡在液體當中時，兩者之間的電阻較小，當兩者之間沒有液體浸泡時，電阻較大。在電路實現(xiàn)中，采用了LM324運放組成的比較電路將液位變化造成電阻變化的信息轉換成電壓的變化，液位檢測與控制電路如圖 2所示。進水的控制是由單片機的I/O口通過三極管驅動電磁閥進行控制。

如果高液位端檢測到信號，則停止加液，如果低液位端檢測到信號時，開啟加液。加液和停止加液之間設置了一個回差值，避免液位在某一點附近來回波動造成液位控制的頻繁動作。

圖2 液位檢測與控制電路圖

4 溫度檢測與控制

4.1 溫度檢測電路設計

溫度檢測部分是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)之一，直接影響到系統(tǒng)溫度測量的精度，因而選擇一款合適的溫度傳感器和設計一個優(yōu)良的溫度檢測電路非常重要。常見的溫度傳感器有電阻式溫度傳感器、熱電偶傳感器和集成溫度傳感器。集成溫度傳感器如DS18B20測量的精度較高，但測量的過程占用較多的CPU資源，測量溫度的范圍并不是很寬；對于電阻式溫度傳感器，有普通的熱敏電阻傳感器，也有精度較高的鉑電阻傳感器，從測量的精度和測量的范圍分析，鉑電阻傳感器具有較好的線性度和較寬的溫度測量范圍，故在本系統(tǒng)選用PT100鉑電阻溫度傳感器。

在0～100℃范圍內，PT100鉑熱電阻的阻值和溫度關系近似為線性，其溫度阻值關系可近似為：

Rt是溫度為t℃時PT100的阻值。

檢測電路的設計在傳感器檢測中也是非常重要，在鉑熱電阻傳感器測量中，采用了電橋加運放的信號檢測放大電路，溫度檢測控制電路如圖3所示[4]。

圖3 溫度檢測控制電路圖

運放的輸出的電壓的表達式為：

由于溫度基本上時在0～100℃之間，2k+Rpt100≈2100,為了簡化單片機軟件的設計，對可對表達式作近似處理，近似后的表達式為：

4.2 溫度采集與控制

在本系統(tǒng)中，通過PT100溫度傳感器檢測溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)信號放大電路放大后的電壓送入單片機，系統(tǒng)沒有采用外接A/D轉換器的方式，而是采用了ATMEGA8單片機內部的A/D轉換器，ATMEGA8單片機內置了8路10位的A/D轉換器，通過PC口進行復用[3]，通過對內部A/D轉換器的相關設置，在AD轉換的中斷處理程序中讀取采集的溫度數(shù)據(jù)，并對采集的溫度個數(shù)進行計數(shù)，采集的溫度個數(shù)達到十個時設置溫度采集完成標志。采用軟件濾波的方法，去掉10個數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，對中間的8個數(shù)據(jù)求平均值，并由此數(shù)據(jù)回算出溫度值。

圖4 溫度控制的程序流程圖

本系統(tǒng)溫度控制中通過比較檢測到溫度值與設置溫度值以決定是否要進行加溫控制，同時也決定是否要進行紙幣進入的檢測。當檢測到的溫度值低于設定的溫度值時，烘干燈管進行加溫控制，紅色指示燈亮，綠色指示燈滅代表系統(tǒng)還在加溫狀態(tài)，同時關閉紙幣進入的檢測，此時即使有紙幣送入輸入口，電機也不轉動。當加熱溫度超過設置的溫度值時，烘干燈管停止加熱，綠色指示燈亮，紅色指示燈滅，代表已到達合適溫度，置溫度到達標志，并開紙幣允許進入的檢測，此時若有紙幣進入，驅動電機將會運行。根據(jù)加熱燈管的加熱性質，系統(tǒng)采用了比例控制算法，根據(jù)設定的溫度值與當前溫度值的差值，設置對應的加熱時間。溫度控制的程序流程圖如圖 4所示。

在本溫控系統(tǒng)中，以10秒作為加熱的控制周期，加熱的時間與溫差成正比。當前溫度低于設置的溫度20℃以上時采用100%全速加熱，當溫差在20℃以內時，采用比例加熱方式，如溫差為10℃時采用50%占空比進行加熱，即加熱5秒，停5秒，溫差愈小，加熱的占空比越小。經(jīng)過比例控制算法，系統(tǒng)的工作溫度雖然在第一次啟動時有一定的過沖現(xiàn)象，經(jīng)過70秒左右的控制過程，烘干溫度即可穩(wěn)定在設置溫度±1%范圍之內上下波動，較好的實現(xiàn)了溫度的控制效果，工作溫度的變化曲線圖如圖 5所示。

經(jīng)過試驗和樣機的運行證明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)紙幣進入檢測，消毒液自動加液控制，烘干溫度自動控制等功能，系統(tǒng)運行具有較高的穩(wěn)定性。在設計中充分利用了AVR單片機內部資源，具有較高的性價比。

圖 5 工作溫度的變化曲線圖

[1]陳 寧.多用途醫(yī)用儀器消毒機的研制[J]醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,(3):11-12

[2]馬 潮.ATmega8原理及應用手冊[M]. 北京: 清華大學出版社,2005:2-3

[3]張 軍，宋 濤.AVR單片機C語言程序設計實例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009:45-47

[4]陳德龍.基于Pt100的電子溫度表設計[J]. 杭州電子科技大學學報 2005,(4):42-45

The Design of Banknote-Disinfector system Based on AVR MCU

YU Weiming, ZHAO Xilin
(Zhejiang Industry & Trade Vocational College Wenzhou Zhejiang 325003 )

The paper first makes an analysis of the requirements of banknotes disinfection, and designs a notes disinfection machine which have the functions of bank paper input auto-detection, liquid antiseptic auto add, drying temperature detection and control, motor drive and control etc. The paper analyses the hardware and software design method of the liquid antiseptic height detect and control and drying temperature detect and control. The system is to be proved stable and practical through the experiment and running.

Atmega8; PT100; SPI; Banknote-Disinfector; Temperature control

TP368.1

A

1672-0105（2010）01-0063-04

2010-3-1

余威明（1979- ），男，浙江臺州人，講師，碩士，主要研究方向：單片機及嵌入式系統(tǒng)應用。

[責任編輯：王本軼]