真?zhèn)?元硬幣識別檢測器

于春和,黃 川,張 超,白 瑩

(沈陽航空航天大學(xué),沈陽 110136)

自動售貨機、投幣電話和投幣搖擺機等都有1元硬幣投入口。為解決投擲假幣或游戲幣所造成的經(jīng)濟損失,需要在投幣口處安裝硬幣真?zhèn)巫R別裝置。目前針對硬幣真?zhèn)螜z測的方法主要有渦流法[1-4],它通常通過檢測硬幣材質(zhì)、厚度等[1]參數(shù)以鑒別其真?zhèn)?。實現(xiàn)的方法多采用差動線圈測量方法[2],以克服溫漂帶來的影響。但這種電路較復(fù)雜,易受到電源電壓波動的影響,因此檢測效果不理想。此外,還有采用硬幣圖像方法進(jìn)行真?zhèn)螜z測[5-6],但檢測成本高,對于高仿真度的硬幣檢測無能為力。

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

1 硬幣渦流檢測原理

硬幣真?zhèn)巫R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測器可依據(jù)渦流檢測原理進(jìn)行設(shè)計。傳感器電路采用電容三點式LC振蕩電路,其中L為硬幣檢測線圈。電路工作時,檢測線圈周圍將產(chǎn)生一個與LC振蕩電路頻率相同的交變磁場。當(dāng)有硬幣進(jìn)入線圈時,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,其方向與原磁場方向相反。兩者產(chǎn)生的磁場相互作用,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 渦流檢測器等效電路圖

設(shè)電路中的電流頻率為ω時,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Leq進(jìn)行硬幣真?zhèn)螜z測。LC振蕩電路頻率為當(dāng)C為常數(shù)時,頻率f只取決于Leq。為此只要檢測頻率f,就可獲取硬幣的真?zhèn)涡畔?。?dāng)檢測線圈沒有硬幣通過時,其頻率表示為

2 硬幣檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路組成

硬幣檢測器由LC振蕩電路、信號處理電路、微處理器及外圍電路四個模塊組成,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)電容三點式結(jié)構(gòu),為檢測線圈提供勵磁電流,同時拾取硬幣材料及表面圖案信息;信號處理電路完成正弦波到方波的變換及分頻任務(wù),為微處理器測頻提供合適信號;微處理器控制整個檢測器的運行,負(fù)責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、信號采集、實時數(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)入及離開檢測槽的檢測,并對真?zhèn)斡矌胚M(jìn)行分選等功能。

圖2 渦流硬幣檢測器硬件結(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,振蕩頻率為其中,設(shè)計選取C1/C2=1/2～1/8。電感L作為拾取硬幣信息的重要部件,采用兩個線圈并聯(lián)制作而成,它們分別位于硬幣檢測槽的兩側(cè),以克服硬幣兩面圖案不同對電路測量帶來的影響,并可利用檢測槽固定硬幣與線圈之間的檢測距離。

圖3 并聯(lián)電容三點式LC振蕩電路原理圖

2.3 硬幣檢測算法

算法根據(jù)硬幣對振蕩頻率改變量的大小進(jìn)行真?zhèn)巫R別。因為真幣材質(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)沒有硬幣進(jìn)入時,f0作為背景頻率應(yīng)為常數(shù),但檢測器全天候工作,會受到來自外界溫度、電路元件老化及瞬時干擾等因素影響,將導(dǎo)致f0發(fā)生改變,為此需要及時進(jìn)行背景頻率的更新。算法采用中值濾波方法[9],對5s內(nèi)無硬幣投入時的頻率進(jìn)行中值濾波,作為當(dāng)前背景頻率。為消除瞬間干擾對電路的影響,在錢幣進(jìn)入檢測槽時連續(xù)采樣三個數(shù)據(jù)b1,b2,b3,設(shè)真幣檢測閾值范圍為T,檢測算法如下(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);

(對數(shù)據(jù)b1,b2,b3進(jìn)行中值濾波,以選取一個最佳數(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 硬幣勵磁頻率試驗

為了檢驗渦流檢測器性能,進(jìn)行了3組勵磁頻率下真?zhèn)斡矌诺臋z測,試驗結(jié)果如圖4所示。第一組在21.185 k Hz勵磁頻率下,有3個偽幣落入真幣檢測的范圍內(nèi),其中1個偽幣處于真幣檢測范圍邊緣,沒能對硬幣真?zhèn)芜M(jìn)行準(zhǔn)確識別。

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

試驗表明,電路勵磁頻率越高,檢測的效果越明顯。這是因為部分偽幣的材料可能與真幣相同,但表面圖案有所區(qū)別。由于渦流集膚效應(yīng),勵磁頻率越高,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。

4 結(jié)論

設(shè)計了1元硬幣渦流檢測器,在適合的勵磁頻率下,該裝置可以很好地判別硬幣的真?zhèn)?。算法采用背景頻率更新及中值濾波方法,對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析處理。試驗證明,該硬幣檢測器具有良好的溫度穩(wěn)定性及抗干擾特性,且檢測準(zhǔn)確率高。目前該檢測器已在兒童搖擺機等自動投幣玩具中使用,效果良好,有望應(yīng)用在更多的自動投幣場合。

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