基于STM32點(diǎn)鈔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程 鋼，劉白楊，李 穎，李柏林，梁 葉，陳嘉偉

（邵陽(yáng)學(xué)院，湖南邵陽(yáng)，422000）

基于STM32點(diǎn)鈔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程 鋼，劉白楊，李 穎，李柏林，梁 葉，陳嘉偉

（邵陽(yáng)學(xué)院，湖南邵陽(yáng)，422000）

針對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)鈔機(jī)智能化程度低的問(wèn)題，提出了基于STM32的智能點(diǎn)鈔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種紙幣計(jì)數(shù)、找零和長(zhǎng)期不間斷滿負(fù)荷工作等功能，系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了電機(jī)長(zhǎng)期不間斷可靠控制，并且提出并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)了多種紙幣鑒別和找零算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于STM32點(diǎn)鈔機(jī)控制系統(tǒng)控制性能穩(wěn)定、精度高、工作時(shí)間長(zhǎng)和損耗小等特點(diǎn)。滿足了大量多種紙幣長(zhǎng)期不間斷計(jì)數(shù)工作的要求，有效地提高了紙幣清點(diǎn)工作效率。

STM32；點(diǎn)鈔機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；多紙幣識(shí)別

0　引言

點(diǎn)鈔機(jī)是一種用來(lái)統(tǒng)計(jì)紙幣數(shù)量和金額并進(jìn)行鑒別的機(jī)器。隨著時(shí)代的發(fā)展，點(diǎn)鈔機(jī)的研究步伐也在加快，有多種多樣的更加方便點(diǎn)鈔機(jī)被開(kāi)發(fā)者們研制出來(lái)。并且更加精確的驗(yàn)鈔方案也體現(xiàn)在點(diǎn)鈔機(jī)中，使得鑒偽更加精準(zhǔn)。由于體會(huì)到現(xiàn)在社會(huì)中銀行工作人員以及各大商店職員面對(duì)眾多混合在一起的不同類型的紙幣難于快速計(jì)算清楚金額，長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度工作導(dǎo)致人工疲勞，降低工作效率，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成單位過(guò)個(gè)人財(cái)產(chǎn)的損失。為了能減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率并減少錯(cuò)誤率，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款操作簡(jiǎn)便的多種紙幣點(diǎn)鈔機(jī)，從而解決工作中零散紙幣清點(diǎn)困難的問(wèn)題。

1　工作原理

本設(shè)計(jì)采用了ST意法半導(dǎo)體的STM32芯片，STM32采用了專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，比較廣泛的運(yùn)用在平衡小車、四軸飛行器等控制系統(tǒng)。STM32CPU處理速度快，處理效率高，保證了點(diǎn)鈔的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)的情況，提高了點(diǎn)鈔機(jī)的可靠性，并且STM32功耗較低，功能齊全，包含3個(gè)12位的ADC，運(yùn)用它齊全的功能可以減少很多其它的外圍模塊的使用，提高了可靠性，并且擁有定時(shí)器中斷和外部中斷等豐富的中斷系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32作為控制與計(jì)算模塊，檢測(cè)部分運(yùn)用紅外對(duì)射傳感器，運(yùn)用外部中斷檢測(cè)紙幣的存在，有紙幣經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)立即進(jìn)入外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，杜絕了漏檢的現(xiàn)象。接近開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)啟動(dòng)電機(jī)點(diǎn)數(shù)的時(shí)機(jī)。顯示部分運(yùn)用了一塊TFT液晶，可以顯示豐富的內(nèi)容，包括點(diǎn)鈔詳細(xì)信息和報(bào)警信息。傳動(dòng)模塊通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止，紙幣的出口與入口之間有紅外對(duì)射管、磁檢測(cè)傳感器、熒光檢測(cè)。紙幣經(jīng)過(guò)送鈔板的時(shí)候會(huì)遮住紅外對(duì)射管發(fā)出的紅外線，當(dāng)檢測(cè)到的信息與真幣相符合的時(shí)候點(diǎn)鈔機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，否則就會(huì)報(bào)警。

圖1.1　整體框圖

圖2.1　紅外對(duì)管

2　模塊設(shè)計(jì)

2.1計(jì)數(shù)部分

計(jì)數(shù)模塊通過(guò)單片機(jī)ADC通道1采集紅外對(duì)管的電壓變化判斷紙幣是否經(jīng)過(guò)，單片機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和檢測(cè)功能，可以簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)紙幣的計(jì)數(shù)以及總額的計(jì)算。電路圖如圖所示

紙幣經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)射管發(fā)出的紅外光被紙幣遮擋之后反射被接收管接收，此時(shí)紅外接收管導(dǎo)通，三級(jí)管導(dǎo)通，OUT端被接地輸出低電平，檢測(cè)到OUT端為低電平時(shí)即說(shuō)明有紙幣經(jīng)過(guò)。此時(shí)若磁檢測(cè)與熒光檢測(cè)信息與真鈔相匹配，則計(jì)數(shù)。

2.2顯示部分

采用TFT屏，將不同面值的紙幣分開(kāi)顯示 ，并顯示出總額，方便工作人員清點(diǎn)零散紙幣。檢測(cè)到假鈔或出現(xiàn)卡鈔故障時(shí)會(huì)顯示相應(yīng)的警報(bào)信息。顯示效果如圖：

圖2.2　TFT顯示

2.3傳動(dòng)與啟動(dòng)部分

傳動(dòng)部分由一個(gè)交流電機(jī)和一個(gè)直流電機(jī)組成，通過(guò)接近光耦檢測(cè)紙幣的存在與否啟動(dòng)與停止。

啟動(dòng)部分由接近光耦組成。接近光耦由一個(gè)發(fā)光二極管、一個(gè)光敏二極管和一個(gè)三極管組成，輸出端經(jīng)過(guò)電阻連接STM32的ADC模塊引腳PA3，發(fā)射管和接收管與單片機(jī)之間需要接一個(gè)400歐姆的上拉電阻限流，當(dāng)二極管發(fā)出的光經(jīng)過(guò)物體反射使光敏二極管導(dǎo)通，同時(shí)三極管也被導(dǎo)通，當(dāng)有紙幣放入時(shí)，由于紙幣的反射，光敏二極管導(dǎo)通，OUT端輸出低電平，說(shuō)明已放入紙幣，啟動(dòng)電機(jī)。反之停止電機(jī)。

交流電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶、傳動(dòng)輪，將動(dòng)力輸送給各傳動(dòng)軸，將紙幣從進(jìn)鈔擋板上逐張捻走。直流電機(jī)負(fù)責(zé)接鈔爪輪。

通過(guò)交流電機(jī)控制電路控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止。當(dāng)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有紙幣放到進(jìn)鈔擋板上時(shí)，接近開(kāi)關(guān)輸出給單片機(jī)低電平，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電平變化的時(shí)候通過(guò)單片機(jī)的PB0和PB2口控制交流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，PB0閉合的時(shí)候通過(guò)電阻R3給D2雙向晶閘管門(mén)級(jí)一個(gè)電壓，使雙向晶閘管導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)。若PB2閉合，則D1雙向晶閘管導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。檢測(cè)到有紙幣的時(shí)候閉合PB0使電機(jī)正轉(zhuǎn)，開(kāi)始點(diǎn)鈔。需要將紙幣退出的時(shí)候閉合PB2使電機(jī)反轉(zhuǎn)，沒(méi)有紙幣的時(shí)候交流電機(jī)停止。交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖所示：

直流電機(jī)通過(guò)降壓整流電路將220V的交流電降壓后整流為9V的直流電。用于帶動(dòng)接鈔爪輪的直流電機(jī)，直流電機(jī)的速度不能太快，也不能太慢，太快會(huì)出現(xiàn)飛鈔現(xiàn)象，太慢了與交流電機(jī)進(jìn)鈔的速度不匹配會(huì)導(dǎo)致紙幣出鈔時(shí)幾張紙幣重疊在一個(gè)爪上，并且紙幣會(huì)撞擊到接鈔爪的底部，不利于對(duì)紙幣的保護(hù)，可以通過(guò)單片機(jī)PWM調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。鏈接單片機(jī)的PB1口。當(dāng)檢測(cè)到有紙幣的時(shí)候啟動(dòng)直流電機(jī)，沒(méi)有紙幣的時(shí)候停止。

圖2.3　交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1計(jì)數(shù)與驗(yàn)鈔部分

計(jì)數(shù)函數(shù)分為預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)函數(shù)和非預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)函數(shù)，在計(jì)數(shù)函數(shù)中完成紙幣張數(shù)的計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)總面額的計(jì)算以及紙幣真?zhèn)蔚臋z驗(yàn)。使用STNM32的外部中斷提高紙幣的檢測(cè)速度，紅外傳感器檢測(cè)到紙幣經(jīng)過(guò)時(shí)，輸出高電平，此時(shí)立即進(jìn)入中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)以及真?zhèn)螜z測(cè)，減少漏檢的幾率，即使是一毛的紙幣也不會(huì)出現(xiàn)漏檢，以達(dá)到可以清點(diǎn)十元以下的紙幣的目的（清點(diǎn)十元以下的紙幣的時(shí)候會(huì)自動(dòng)關(guān)閉驗(yàn)鈔功能）。

由于預(yù)置數(shù)和非預(yù)置數(shù)的時(shí)候條件會(huì)不一樣，所以不能放在一起。

紅外檢測(cè)：通過(guò)對(duì)紅外對(duì)管信號(hào)的采集判斷時(shí)候有紙幣經(jīng)過(guò)，并且采集紅外線的透射率，人民幣與普通紙張對(duì)紅外線不同波長(zhǎng)的吸收能力是不一樣的，1999年版的100元對(duì)300nm波長(zhǎng)的平均透射率大概為17%，然而假幣的平均透射率只有5%左右。假設(shè)有一束光強(qiáng)為I0的入射光，透過(guò)一反射率為K，介質(zhì)吸收系數(shù)為α，厚度為d的介質(zhì)后透射光強(qiáng)為I，則I=I0（1-K）exp（-αd）。利用這個(gè)特性通過(guò)ADC采集信號(hào)判斷水印部分對(duì)紅外線的透光率，透光率與真鈔對(duì)比作為辨別真?zhèn)蔚呐袚?jù)之一。

熒光檢測(cè)：人民幣使用專業(yè)紙張，含棉成分較高，紫外線照射只會(huì)產(chǎn)生微弱的熒光。而假鈔一般使用的是通過(guò)漂白處理的普通紙張，在紫外線的照射下會(huì)產(chǎn)生熒光反應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)熒光的強(qiáng)度來(lái)辨別真鈔與假鈔，假鈔的熒光強(qiáng)度會(huì)比真鈔強(qiáng)。熒光強(qiáng)度作為真?zhèn)闻袚?jù)之一。

磁性檢測(cè)：人民幣印刷油墨中含有磁性物質(zhì)，并且油墨的分布有一定的規(guī)律，以油墨的分布情況作為辨別真?zhèn)蔚囊罁?jù)，通過(guò)在送鈔板上放置5個(gè)磁性傳感器對(duì)人民幣的左、左中、中間、右中、右五個(gè)部分的磁分布情況進(jìn)行檢測(cè)，把檢測(cè)的信號(hào)通過(guò)放大濾波之后送給單片機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

當(dāng)上面的數(shù)據(jù)都與真鈔的相符合，單片機(jī)會(huì)計(jì)數(shù)并計(jì)算面值，否則會(huì)報(bào)警停止點(diǎn)鈔。

3.2電機(jī)控制部分

電機(jī)控制分為預(yù)置數(shù)控制和默認(rèn)控制。

停止電機(jī)：1、接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到紙幣清點(diǎn)完的時(shí)候停止電機(jī)。2、預(yù)置數(shù)模式下點(diǎn)鈔數(shù)目達(dá)到預(yù)置數(shù)的時(shí)候停止電機(jī)。

啟動(dòng)電機(jī)：1、接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到紙幣放入的時(shí)候啟動(dòng)電機(jī)。2、預(yù)置數(shù)模式下達(dá)到預(yù)置數(shù)時(shí)停止電機(jī)后從出鈔擋板取出紙幣的時(shí)候啟動(dòng)電機(jī)（條件是進(jìn)鈔擋板上還有紙幣沒(méi)點(diǎn)完）。

3.3按鍵部分

將按鍵掃描放在循環(huán)里面，每執(zhí)行一次程序就會(huì)執(zhí)行一次按鍵掃描。當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)的按鍵則執(zhí)行相應(yīng)的功能，包括設(shè)置預(yù)置數(shù)、復(fù)位、清零。

圖3.1　程序流程圖

4　功能簡(jiǎn)介

4.1預(yù)置點(diǎn)鈔

放置紙幣前，可以通過(guò)按鍵啟動(dòng)預(yù)置數(shù)模式，并設(shè)置張數(shù)，清點(diǎn)到預(yù)置張數(shù)，點(diǎn)鈔機(jī)會(huì)自動(dòng)停止，取走出鈔的時(shí)候點(diǎn)鈔機(jī)會(huì)自動(dòng)清零上次計(jì)數(shù)并繼續(xù)點(diǎn)鈔，直到計(jì)數(shù)再次達(dá)到預(yù)置數(shù)或者紙幣清點(diǎn)完的時(shí)候停止。按下預(yù)置數(shù)清零按鈕可以清零預(yù)置數(shù)，這時(shí)可以重新設(shè)置預(yù)置張數(shù)。

4.2延時(shí)數(shù)鈔

當(dāng)紙幣放入點(diǎn)鈔機(jī)的時(shí)候，點(diǎn)鈔機(jī)不會(huì)馬上啟動(dòng)電機(jī)，延時(shí)一秒以保證已準(zhǔn)備好，一秒之后開(kāi)始點(diǎn)鈔，有助于保護(hù)紙幣，保證紙幣不會(huì)在沒(méi)有放正的時(shí)候就被捻鈔膠圈捻走。

4.3豐富顯示

利用TFT可以顯示更加豐富的內(nèi)容，包括每次點(diǎn)鈔的總額、當(dāng)前點(diǎn)鈔面值、每種面值的張數(shù)。預(yù)置數(shù)模式下會(huì)顯示當(dāng)前設(shè)置的預(yù)置張數(shù)。顯示多種警報(bào)信息，檢測(cè)到假鈔會(huì)顯示當(dāng)前假鈔的面值，發(fā)生警報(bào)會(huì)顯示發(fā)生警報(bào)的原因。

4.4點(diǎn)多種面額

可以點(diǎn)任意的面額，最小的可以點(diǎn)一毛的紙幣，點(diǎn)小于10元的人民幣關(guān)閉驗(yàn)鈔功能。方便零錢(qián)的清點(diǎn)。

4.5卡鈔保護(hù)

驗(yàn)鈔的時(shí)候難免出現(xiàn)驗(yàn)鈔機(jī)故障導(dǎo)致錢(qián)幣卡在驗(yàn)鈔機(jī)里面的情況，為了不損壞紙幣，卡鈔的時(shí)候立即停止電機(jī)并顯示警報(bào)。

4.6自動(dòng)點(diǎn)鈔

每次將紙幣放入進(jìn)鈔擋板上時(shí)，點(diǎn)鈔機(jī)會(huì)自動(dòng)清零上次計(jì)數(shù)并開(kāi)始點(diǎn)鈔，不用人員手動(dòng)復(fù)位清零。

5　功能實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)

5.1預(yù)置點(diǎn)鈔

預(yù)置點(diǎn)鈔主要實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到預(yù)置的數(shù)目點(diǎn)鈔機(jī)自動(dòng)停止，當(dāng)取走出鈔口的紙幣時(shí)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)點(diǎn)鈔機(jī)并且清零計(jì)數(shù)后點(diǎn)鈔。其中遇到的問(wèn)題在于：⑴預(yù)置數(shù)模式下的條件比正常模式復(fù)雜。因此將預(yù)置數(shù)的函數(shù)與非預(yù)置數(shù)函數(shù)分開(kāi)寫(xiě)，啟動(dòng)預(yù)置數(shù)模式的時(shí)候調(diào)用預(yù)置數(shù)函數(shù)，默認(rèn)為正常模式。（2）當(dāng)點(diǎn)鈔達(dá)到預(yù)置數(shù)停止電機(jī)的時(shí)候往往會(huì)還有一張紙幣會(huì)

留在送鈔板上，這時(shí)程序會(huì)卡在在計(jì)數(shù)與檢測(cè)函數(shù)的while（PA1）循環(huán)中無(wú)限循環(huán)，直到紙幣被送出來(lái)，但是循環(huán)不會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，導(dǎo)致程序沒(méi)有辦法繼續(xù)啟動(dòng)電機(jī)，所以可以加一句if（yzs==num） PA1=0；（yzs為預(yù)置數(shù)，num為點(diǎn)鈔機(jī)計(jì)數(shù)，PA1判斷是否有紙幣），在達(dá)到預(yù)置數(shù)的時(shí)候通過(guò)這條指令跳出循環(huán)。

5.2延時(shí)數(shù)鈔與自動(dòng)點(diǎn)鈔

為了保證紙幣不會(huì)在還沒(méi)有放好的時(shí)候就被捻走，在檢測(cè)到有紙幣放入之后延時(shí)一秒再啟動(dòng)電機(jī)。并且每次放入紙幣的時(shí)候都會(huì)自動(dòng)清零計(jì)數(shù)。由于程序每執(zhí)行一次循環(huán)都會(huì)檢測(cè)是否有紙幣存在，為了避免每次循環(huán)都會(huì)執(zhí)行延時(shí)和清零，需要給延時(shí)和清零加一個(gè)條件。if（PA2&&（delay_flag＜3）&&（CLR_flag＜3））

｛CLR_flag=CLR_flag+1；delay_flag=delay_flag+1； ｝，（PA2為判斷是否有紙幣放入進(jìn)鈔擋板）只有在delay_flag==1和CLR_flag==1的時(shí)候才延時(shí)和清零，執(zhí)行一次后下一次循環(huán)flag等于2，就不會(huì)再延時(shí)清零了。Flag加到3的時(shí)候不再進(jìn)入if，這樣保證了flag不會(huì)因?yàn)榧拥阶兞康纳舷拗刀蛔詣?dòng)清零，也可以少執(zhí)行幾個(gè)語(yǔ)句。然后在數(shù)完取走紙幣之后再將delay_flag與CLR_flag清零，以保證下次放入紙幣的時(shí)候延時(shí)和清零函數(shù)會(huì)再次被執(zhí)行。

圖6.1　點(diǎn)鈔機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

6　作品測(cè)試

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后需要通過(guò)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行調(diào)試以及功能的進(jìn)一步完善。

經(jīng)測(cè)試，本點(diǎn)鈔機(jī)可以很好地完成零散紙幣的清點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)漏檢的情況，可以完整地記錄下當(dāng)前清點(diǎn)的紙幣的總額以及每種金額的張數(shù)，這正是我們想要實(shí)現(xiàn)的功能，為零散紙幣的清點(diǎn)提供方便。

7　結(jié)束語(yǔ)

該智能多種紙幣點(diǎn)鈔機(jī)以STM32作為控制芯片，通過(guò)ADC采集數(shù)據(jù)。以解決零錢(qián)清點(diǎn)困難的問(wèn)題，降低工作人員工作強(qiáng)度以及降低成本為核心，對(duì)零錢(qián)進(jìn)行分類計(jì)數(shù)。完成了對(duì)零散紙幣進(jìn)行清點(diǎn)計(jì)數(shù)功能，更加適合超市、商店等需要對(duì)零錢(qián)進(jìn)行清點(diǎn)的場(chǎng)所。

制作過(guò)程中也遇到了多種困難，最初因?yàn)閱纹瑱C(jī)檢測(cè)紙幣頻率過(guò)慢導(dǎo)致紙幣漏檢，后來(lái)通過(guò)外部中斷提高了紙幣檢測(cè)效率，杜絕了紙幣漏檢現(xiàn)象。傳感器的穩(wěn)定性也為點(diǎn)鈔機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，設(shè)計(jì)新的電路之后解決了傳感器穩(wěn)定的問(wèn)題。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分也花了不少功夫。目前點(diǎn)鈔機(jī)還不能很好地分辨每種紙幣的面值，以后還將繼續(xù)完善。

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程鋼，（1994年3月-）男，漢族，四川省瀘州市，本科生，研究方向：電器自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

劉白楊（通訊作者），（1987年3月-）男，漢族，河北省邢臺(tái)市，碩士，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

Design of Currency Counter Control System Based on STM32

Cheng Gang，Liu Baiyang，Li Ying，Li Bolin，Liang Ye，Chen Jiawei
（Shaoyang University，Shaoyang，422000，China）

Aimed at the traditional currency counter score badly on control performance，a method of currency counter control system design based on STM32 is proposed.This system can run in over load.The simple motor driver circuit is improved to meet motor performance in continue term working.the experimental results show that control performance of control system is stable，high precision，long hours and low dissipation. The improved currency counter system meets long term operation， uninterrupted work counting and currency counting efficiency is improved effectively.

STM32； currency counter； motor driver； currency notes detection

校企合作電氣類專業(yè)人才培養(yǎng)省級(jí)示范基地建設(shè)項(xiàng)目（湘教通〔2015〕274號(hào)）；2015年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（湘教通［2015］269號(hào)）