基于電渦流傳感器的智能公交投幣機(jī)性能改進(jìn)

顧玉萍 尤曉露

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南通 226010;2.南通農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南通 226007)

0 引言

無人售票公交車已日漸成為城市公共交通的主流，給市民的出行帶來了極大的方便。隨之帶來的假硬幣問題使公交公司蒙受了巨大損失。為解決這一問題，在無人售票公交車上安裝智能公交投幣機(jī)日漸成為趨勢。智能公交投幣機(jī)的作用是當(dāng)探測到投入的是假幣時，發(fā)出報警聲并退出假幣。在實(shí)際使用中，因?yàn)楝F(xiàn)有的智能公交投幣機(jī)其存在著某些不足，影響了它的推廣和使用。

1 現(xiàn)有智能公交投幣機(jī)的工作原理及存在的不足

智能公交投幣機(jī)辨別硬幣真假的核心部件是硬幣識別器，其工作原理大多是在硬幣通道兩側(cè)設(shè)置1個或2個電磁傳感器，在傳感器線圈產(chǎn)生的電磁場作用下，檢測出硬幣通過時傳感器線圈電感的變化，再通過相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)化成頻率的變化，以此確定硬幣的真假。投幣機(jī)計算頻率判斷硬幣真假的基本方法:單片機(jī)中一個計時器T0用于中斷開始后脈沖計數(shù)的定時，計數(shù)器T1記錄這段時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，根據(jù)脈沖總數(shù)與預(yù)設(shè)值比較，判斷硬幣的真假［1］。

當(dāng)投幣初始速度不一樣時，硬幣識別器有時會誤判。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得知，投幣時的高度不同和對硬幣施加的外力不一樣都會對硬幣識別器的判斷產(chǎn)生影響，而投幣的高度不同和對硬幣施加的外力不一樣都可以折算成硬幣的初始速度不同。

由于幣道是一個斜坡，硬幣在幣道中滾動時有一個加速度，如圖1所示。

圖1 硬幣在幣道中滾動示意圖

根據(jù)加速度位移公式其中，g為重力加速度，α是幣道阻礙硬幣運(yùn)動的摩擦力f引起的加速度，對于同種硬幣來說，α是定值，跟幣道和硬幣材質(zhì)有關(guān)，δ是g和－α之間的夾角，t是累計頻率的時間，在單片機(jī)程序中設(shè)定，是定值，硬幣在時間t內(nèi)滾過的路程設(shè)為S。因此S只與v0的大小有關(guān)，不同的初速，同樣的時間硬幣到達(dá)的相對傳感器線圈的位置不一樣［2］。

對于傳感器線圈，它利用電渦流效應(yīng)工作。在傳感器線圈中通以交變電流，在線圈周圍產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)有金屬導(dǎo)體放入時，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電渦流，電渦流又產(chǎn)生一個反向的磁場來阻礙原磁場的變化，而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。金屬導(dǎo)體帶來的這種變化跟金屬導(dǎo)體本身的物理性質(zhì)、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率都有關(guān)，因此可通過測量傳感器線圈的阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)的變化來反映金屬導(dǎo)體的特征［3］。

用正弦振蕩電路來激勵傳感器線圈，當(dāng)磁場中放入金屬導(dǎo)體時，傳感器線圈的電感發(fā)生變化，相應(yīng)的振蕩電路的正弦波頻率也發(fā)生變化，因此通過測量振蕩電路的頻率變化就能反映出金屬導(dǎo)體的特征。

在實(shí)際應(yīng)用中，以一元硬幣為例，它是一個直徑25 mm的金屬圓片，不同的部分它的物理性質(zhì)、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率都不一樣。在初速不同時，同樣的時間硬幣相對于傳感器線圈的位置不一樣，即硬幣的特征不一樣，反映到傳感器線圈上電感就不一樣，振蕩電路的頻率的變化就不一樣。因此，在硬幣的不同位置傳感器得到的特征脈沖數(shù)是不一樣的，這就導(dǎo)致了硬幣識別器的誤判。

2 具體改進(jìn)措施

為解決投幣初始速度不一樣導(dǎo)致的誤判，在原有硬幣識別部分前面增加了硬幣預(yù)處理部分。

硬幣預(yù)處理部分由直流電機(jī)及兩個橡膠輥組成。在幣道的軌道壁上開有安裝橡膠輥的長方形槽，一個橡膠輥與直流電機(jī)相連，隨直流電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。另一個起從動作用。兩橡膠輥之間距離小于一元硬幣厚度，硬幣從投幣口掉落后，沿幣道內(nèi)側(cè)軌道壁下滑，至兩橡膠輥處被夾住，并從直流電機(jī)帶動的橡膠輥上得到恒定的速度。硬幣預(yù)處理部分可確保所有硬幣經(jīng)過硬幣識別部分時的速度一致。

2.1 130 微型電機(jī)

由于直流電機(jī)只是帶動一個橡膠輥，橡膠輥稍稍擠壓硬幣傳遞速度，負(fù)載很小，采用130微型直流電機(jī)。

要使硬幣從橡膠輥獲得的速度一致，根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式:

n=(U－IR)/Kφ (2)

其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由于130微型直流電機(jī)的磁場由不可調(diào)的永磁體產(chǎn)生，是固定的。而電樞電流與電樞端電壓有關(guān)，因此只要保證電機(jī)的電壓恒定，就可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速一定。可以通過LM317來控制直流電機(jī)穩(wěn)速。

2.2 LM317

LM317是一種可調(diào)節(jié)的3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時能夠提供5毫安至1.5安的電流，非常易于使用，具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。

LM317有三個管腳，IN腳接輸入電壓 Vin+，OUT腳接一個電阻R1后為恒流輸出，ADJ腳直接接到電阻R1的另一端。如圖2所示:

因?yàn)長M317里面有基準(zhǔn)的1.25 V電壓在電阻R1的兩端，一直保持不變。R1電阻是定值，電壓也是定值，流過電阻的電流就是恒定不變的。LM317的輸出電壓，由第3腳(電壓輸出)至第1腳(電壓調(diào)節(jié)腳)之間的外接電阻R1和第1腳至地的外接電阻R2的比例來決定，R2的比例越大，輸出電壓越高。計算公式為:

圖2 LM317電路圖

Vout=Vref×(1+R2/R1)+Iadj×R2(3)式中 Vout是輸出電壓，Vref為 1.25 伏，Iadj很小通?？梢院雎圆挥?。

在應(yīng)用中，將輸入電壓接至單片機(jī)電源端，調(diào)整R2至一定值，輸出穩(wěn)定在3伏，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，從而使硬幣獲取的速度一致。

2.3 啟動開關(guān)

為使電機(jī)能夠啟動運(yùn)行，在整個電路中增加公交車前門開關(guān)信號開關(guān)。當(dāng)公交車到達(dá)站點(diǎn)，停車打開前門時，前門開關(guān)信號開關(guān)上升沿信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)輸出電機(jī)開指令給電機(jī)，使它穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)乘客全部上車，前門關(guān)上時，下降沿信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)延時3分鐘關(guān)閉電機(jī)，保證關(guān)門后未投幣的乘客有時間投幣。

在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)有乘客未投幣就直接到車廂后面，司機(jī)多次喊后才來投幣，為防止延時3分鐘后還有未投幣的和其它特殊情況，增加司機(jī)強(qiáng)制開啟開關(guān)，與公交車前門開關(guān)信號開關(guān)并連，同接于單片機(jī)的一個通用I/O引腳。

2.4 改進(jìn)后的電路

改動后電路如圖3:

圖3 公交車投幣機(jī)電路框圖

門開關(guān)信號開關(guān)和強(qiáng)制開關(guān)信號開關(guān)任一按下都能啟動直流電機(jī)。光電開關(guān)獲取硬幣投入信號，啟動中斷。渦流傳感器采集硬幣的特征參數(shù)，與振蕩及處理電路一起生成可供單片機(jī)接受的方波信號，單片機(jī)采用51系列單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部通過比較頻率值，判斷硬幣的真假。如果硬幣為真，則硬幣個數(shù)寄存器加1，顯示電路顯示硬幣個數(shù)也加1，如果硬幣為假，則電磁閥開啟，退出假幣，同時聲音報警電路發(fā)出報警聲提醒注意，顯示電路不變。

2.5 軟件程序

內(nèi)部程序主要分成兩部分，主程序和中斷程序。主程序主要是啟動直流電機(jī)，設(shè)定中斷和顯示投幣個數(shù);中斷程序來判斷投幣硬幣的真假并作出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖4 程序流程圖

3 結(jié)束語

通過上面的改進(jìn)，大大提升了硬幣識別的準(zhǔn)確率，達(dá)到了預(yù)期的效果。充分考慮了實(shí)際應(yīng)用中的突發(fā)問題，起到了良好的效果。

［1］ 郭玉，李彥梅，王鵬.基于電渦流傳感器的硬幣辨?zhèn)蜗到y(tǒng)的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012(4):557-559.

［2］ 朱曉乾.高準(zhǔn)確率硬幣鑒別裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008:41.

［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(4):29-31.