基于步進(jìn)電機(jī)控制的智能投幣機(jī)改進(jìn)研究

顧玉萍，王 慧

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理信息系，江蘇 南通 226010）

0 引言

隨著物質(zhì)條件的豐富和生活水平的提高，智能投幣機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，在自動(dòng)售貨機(jī)、地鐵售票機(jī)、無人售票公交車、玩具搖擺車、投幣洗衣機(jī)等領(lǐng)域，都有著非常重要的作用。目前，我國(guó)市場(chǎng)上使用比較多的智能投幣機(jī)是電磁式智能投幣機(jī)。它根據(jù)電磁學(xué)原理，當(dāng)幣道一側(cè)或兩側(cè)的傳感器線圈探測(cè)到硬幣通過時(shí)，與之相連的LC振蕩電路相應(yīng)地產(chǎn)生反映硬幣特征參數(shù)的信號(hào)傳給單片機(jī)，根據(jù)該信號(hào)與單片機(jī)中存儲(chǔ)的信號(hào)比較來判別真?zhèn)?。但現(xiàn)有智能投幣機(jī)存在難以分辨真假幣等不足之處。本文利用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和啟停與控制脈沖有關(guān)的特性對(duì)現(xiàn)有投幣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，利用與步進(jìn)電機(jī)相連的五角葉輪使投入的硬幣相對(duì)電渦流傳感器的速度為零，投幣機(jī)智能采集反映硬幣特征的參數(shù)進(jìn)行分析，繼而控制步進(jìn)電機(jī)和電磁閥分離真假幣。

1 現(xiàn)有智能投幣機(jī)的工作原理及存在的不足

智能投幣機(jī)辨別硬幣真假的工作原理大多是在硬幣通道兩側(cè)設(shè)置1個(gè)或2個(gè)電磁傳感器，在傳感器線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)作用下，檢測(cè)出硬幣通過時(shí)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(jì)算頻率判斷硬幣真假的基本方法是：?jiǎn)纹瑱C(jī)中一個(gè)計(jì)時(shí)器T0用于中斷開始后脈沖計(jì)數(shù)的定時(shí)，計(jì)數(shù)器T1記錄這段時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)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。在實(shí)際使用中，硬幣投入初始速度的快慢對(duì)投幣機(jī)的硬幣判別有很大的影響。

為了便于分析，假定以投幣口所在平面為基準(zhǔn)面，硬幣從進(jìn)入投幣口開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器T0用于計(jì)時(shí)開始后脈沖計(jì)數(shù)的定時(shí)t，進(jìn)入投幣口前硬幣不受外力作用，除了自重，第一次距離投幣口高度為0，第二次距離投幣口高度為10mm。

根據(jù)重力公式，可得到第一次初速v0=0，第二次初速v0′=0.014m/s。

假定幣道是δ為60°的斜坡，硬幣因受摩擦阻力引起的加速度a取值為2m/s2，重力加速度g取值10m/s2，定時(shí)t為0.1s，以投幣口為基準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)公式，可計(jì)算硬幣在斜坡上滾動(dòng)的位移S，可得第一次在斜坡上滾動(dòng)的位移S=15mm，第二次位移S=16.4mm。

假定傳感器線圈安裝的位置以投幣口為基準(zhǔn)在斜坡距離S=15mm處，則兩次對(duì)應(yīng)的傳感器線圈的位置不一樣，如圖1所示。

圖1硬幣滾動(dòng)示意圖

從圖中可以看出，在初速不同時(shí)，同樣的時(shí)間硬幣相對(duì)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)致了智能投幣機(jī)的誤判。

2 具體改進(jìn)措施

為了解決投幣初始速度對(duì)硬幣判別的影響，一般從以下兩個(gè)方面考慮。

第一，采用加權(quán)算法。系統(tǒng)通過中斷的方式將統(tǒng)計(jì)脈沖的時(shí)間細(xì)分成很多個(gè)時(shí)間段，對(duì)每個(gè)時(shí)間段都計(jì)算權(quán)值，算出經(jīng)過速度加權(quán)的脈沖數(shù)，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到加權(quán)平均頻率，再和存儲(chǔ)的各特征頻率比較，判斷硬幣的真?zhèn)?。該方法增加了程序的?fù)雜程度、閱讀難度和內(nèi)存的使用。[1]

第二，修改幣道或通過外部承載體攜帶硬幣使硬幣獲得恒定的速度，盡力使硬幣通過傳感器時(shí)的速度都保持一致。如某設(shè)計(jì)一套能帶動(dòng)所有硬幣以相同速度經(jīng)過硬幣識(shí)別模塊的硬幣傳動(dòng)裝置，它由支撐板、滾筒和驅(qū)動(dòng)裝置組成，支撐板上設(shè)置弧形的硬幣軌道，滾筒上設(shè)有繞滾筒圓周均勻間隔設(shè)置的凸起，相鄰?fù)蛊饦?gòu)成硬幣容納槽，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。

3 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述分析，本設(shè)計(jì)采用設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，硬幣相對(duì)傳感器線圈的位置保持不變的方法來測(cè)量，即使硬幣通過傳感器線圈時(shí)速度為0。與上述方法相比，測(cè)量結(jié)果更加精確。具體實(shí)施方案為：當(dāng)光眼電路探測(cè)到投入到閉式五角葉輪中的硬幣時(shí)啟動(dòng)探測(cè)，電感測(cè)量電路檢測(cè)反映硬幣特征的信號(hào)并轉(zhuǎn)換成頻率的變化，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)，并與設(shè)定值比較判斷硬幣真假；步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閉式五角葉輪和電磁閥分離真假幣。

3.1 電感測(cè)量電路

對(duì)于電感測(cè)量電路，探測(cè)硬幣的關(guān)鍵部件是傳感器線圈。它利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)影響，并能進(jìn)行非接觸測(cè)量，得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，或者在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生路徑在金屬導(dǎo)體內(nèi)閉合的感應(yīng)電流，這就是渦流或電渦流。電渦流又產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)阻礙外磁場(chǎng)的變化。傳感器線圈與被測(cè)導(dǎo)體相互作用，可以等效為一對(duì)互感，互感系數(shù)用M表示。其等效電路圖如圖2所示。

圖2 電渦流傳感器等效電路

設(shè)R1和L1為傳感器線圈的損耗電阻和電感，R2和L2為金屬導(dǎo)體的等效損耗電阻和電感。根據(jù)基爾霍夫定律，可知等效阻抗和等效電感，分辨如式（1）、式（2）所示。

具體應(yīng)用中，一般將被測(cè)量變換成傳感器線圈的電感量L的變化來進(jìn)行測(cè)量。通過對(duì)等效電感L進(jìn)行分析：L1與靜磁效應(yīng)有關(guān)，即與被測(cè)導(dǎo)體是否是磁性材料有關(guān)，如果是磁性材料，則同種材料L1隨傳感器線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的距離增大而減小，如果是非磁性材料，則L1不變；L2與電渦流效應(yīng)有關(guān)，即電渦流的反射感抗，它與金屬導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。[2]采用電容反饋式振蕩電路作振蕩電路，如圖3所示。

圖3 電容三點(diǎn)式振蕩電路

它的工作頻率可從幾百千赫到幾百兆赫。當(dāng)由L、C1和C2構(gòu)成的諧振回路品質(zhì)因數(shù)Q遠(yuǎn)大于1的時(shí)，電路的振蕩頻率如式（3）所示，式中，C=C1C2/（C1+C2）。

將傳感器線圈作為電感接在電容三點(diǎn)式振蕩電路中，在沒有被測(cè)導(dǎo)體通過時(shí)，設(shè)回路諧振頻率為f0，電壓幅值為U0。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，由于電渦流效應(yīng)，電感L發(fā)生變化，電路的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線根據(jù)材料的不同向左或者右移動(dòng)，且電壓幅值也降低。以銅鎳合金制成的一元硬幣為例，它是典型的軟磁材料制成，靠近傳感器線圈時(shí)，諧振曲線左移，頻率和電壓幅值降低。通過過零電壓比較器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可辨別的方波信號(hào)，送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行分析處理。

3.2 閉式五角葉輪

閉式五角葉輪有五個(gè)葉片，每相鄰兩葉片夾角為72°，兩葉片間為納幣腔，用于容納從投幣口投入的硬幣，如圖4所示。閉式五角葉輪固定在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，位于投幣口正下方，投幣口正對(duì)閉式五角葉輪兩葉片夾角。投入的硬幣掉在正對(duì)投幣口的閉式五角葉輪兩葉片夾角中處于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖4 閉式五角葉輪

3.3 步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，它由脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，以固定的角度一步一步地旋轉(zhuǎn)。與普通電機(jī)相比，它的轉(zhuǎn)子和定子上有許多細(xì)小的齒，這些齒決定了步進(jìn)電機(jī)每走一步的間距。對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移即步距角用θ表示，如式（4）所示。

式中，n為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m為運(yùn)行拍數(shù)。

以常規(guī)二相四拍，轉(zhuǎn)子齒n為50齒步進(jìn)電機(jī)為例，其運(yùn)行拍數(shù)m為4，所以其步距角θ如式（5）所示。

閉式五角葉輪每次需轉(zhuǎn)72°，72度°1.8°的40倍，是整數(shù)倍，因此選用普通的二相四拍，轉(zhuǎn)子齒為50齒步進(jìn)電機(jī)。

當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。本設(shè)計(jì)中采用ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)用來旋轉(zhuǎn)閉式五角葉輪，負(fù)載小。ULN2003（國(guó)產(chǎn)型號(hào)為5G1413）是七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列，為集電極開路（OC）輸出的反向器，最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500mA，是很常用的一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖5所示。[3]

圖5 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

3.4 其它部分電路

其它部分電路主要包括步進(jìn)電機(jī)復(fù)位電路、光眼電路、真假幣分離電路。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)復(fù)位電路，步進(jìn)電機(jī)上電時(shí)需要復(fù)位操作，本設(shè)計(jì)采用的方法是在投幣口邊緣安放一個(gè)行程開關(guān)，啟動(dòng)時(shí)程序讓電機(jī)正轉(zhuǎn)，直到閉式五角葉輪的任一葉片頂端使行程開關(guān)動(dòng)作為止。光眼電路用來探測(cè)到投入到閉式五角葉輪中的硬幣。光眼電路由光發(fā)射管和光接收管組成，光發(fā)射管和光接收管對(duì)稱安裝在閉式五角葉輪兩側(cè)。光眼電路連接至單片機(jī)輸入口。硬幣遮擋光接收管，產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)給單片機(jī)。真假幣分離電路包括真假幣分離電磁閥和擋塊，真假幣分離電磁閥安裝在儲(chǔ)幣箱進(jìn)口上方，擋塊安裝在真假幣分離電磁閥頂桿上。

3.5 工作流程

閉式五角葉輪接納投入的硬幣并使之保持靜止?fàn)顟B(tài)，光眼電路探測(cè)到投入的硬幣，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，位于硬幣兩側(cè)的電磁傳感器探測(cè)硬幣特征，并將其轉(zhuǎn)換成電感L的變化，并通過振蕩電路轉(zhuǎn)化成振蕩頻率f反饋給單片機(jī)。計(jì)時(shí)時(shí)間到后，單片機(jī)中計(jì)數(shù)器記錄這段時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)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。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閉式五角葉輪向左旋轉(zhuǎn)72°，將硬幣放入幣道，并將下一個(gè)納幣腔對(duì)準(zhǔn)投幣口，接納下一個(gè)投幣。單片機(jī)根據(jù)硬幣真假的結(jié)果選擇是否啟動(dòng)電磁閥，將硬幣放入儲(chǔ)幣箱還是退出投幣機(jī)。主程序及中斷程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有智能投幣機(jī)的缺陷，在比較現(xiàn)有各種改進(jìn)方法后，提出了一種新的解決方案，通過在硬幣靜止的時(shí)候來探測(cè)它的參數(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)取得預(yù)期的效果。在此基礎(chǔ)上可做進(jìn)一步改進(jìn)，如增加顯示、聲光報(bào)警等功能，完善和擴(kuò)展它的應(yīng)用。

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

[2]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(jì)[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012(4):557-559.

[3]吳金戌,沈慶陽,郭庭吉.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.