硬币识别器 完整版.docx

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硬币识别器完整版

毕业设计（论文）

题　　目:

　硬币识别器　

专　　业:

　精密仪器制造与维护

成都电子机械高等专科学校

二〇〇七年六月

摘要

科技的发展带动了社会的发展，城市的公交系统也是社会发展夫人一种体现于是公交系统的更新换代也是在所难免，车载的投币系统经历了多次的发展过程，而假币的出现将投币器上升到了一个新的高度，投币器必须加入货币识别系统，硬币识别器是一种与投币器结合使用的仪器。

使用方便、检测精度高并且有广大的发展前景。

硬币识别器只要识别现在国家发行的一元、五角、一角的硬币。

我国目前发行的1元,5角和1角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金,因此在它通过投币入口进入由电感和电容组成的特定传感器,金属材质和体积的差异对电容量和电感量的影响大小也出现微弱差异,电容量、电感量的变化引起电压的变化;再通过检测电路将信号放大,与设定值进行比较,确定某种硬币种类后,通过数字信号传输到单片机控制电路完成对金属硬币的识别。

关键词：

电容传感器、电感传感器、检测电路、单片机控制电路。

2007年06月

Abstract

Thedevelopmentoftechnologyledtothedevelopmentofoursociety.Thecitybussystemisasocialdevelopmentembodiedhiswifethentransitsystemupgradesareinevitable.Vehiclecoinsystemhasexperiencedanumberofthedevelopmentprocess,andtheemergenceofcounterfeitmoneyforcoinrosetoanewheight,coindevicemustjointhemonetaryidentificationsystemforidentificationofcoinsisacoinwiththecombineduseoftheequipment.Easytouse,highprecisionandbroaddevelopmentprospects.Cliftoncoinsnowidentifyaslongasanationalissue,2.50,3.10coins.Chinacurrentlyissuedbythedollarto50centsand10centscoinsmetalmaterialsfortheexclusiveuseofmintsandthespecialalloy,Soitthroughtheentranceintothecoinbytheinductanceandcapacitanceofspecificsensors,Themetalmaterialandsizedifferencesofcapacityandinductanceofthesizedifferenceshaveemergedweak,capacity,inductancevoltagechangescausedthechange;throughthedetectionofthesignalamplificationcircuit,andsettingvalues,identifycertaintypesofcoins,digitalsignaltransmissiontotheMCUcontrolcircuitcompletionoftheidentificationofmetalcoins.

Keywords:

CapacitancesensorInductanceSensorDetectionCircuitSCMcontrolcircuit

2007.06

目　　录

摘要I

AbstractII

目　　录III

第1章绪论1

1.1硬币与识别器的发展1

1.1.1硬币的发展1

1.1.2硬币识别器的发展与分类4

第2章总体设计方案6

2.1总体设计思路6

2.2总体方案的确定6

第3章电路与程序设计9

3.1电路设计9

3.2各组成电路原理与应用10

3.2.1电桥电路10

3.2.2测量放大电路11

3.2.3整流电路13

3.2.4滤波电路17

3.2.5电压比较器19

3.2.6AD转换器22

3.2.7单片机介绍：

23

3.2.8AD574和8051单片机接口电路设计：

28

3.2.9光电耦合器31

3.3机械部分设计32

结论33

谢辞34

参考文献35

附录36

第1章绪论

1.1硬币与识别器的发展

1.1.1硬币的发展

中国是世界上最早使用货币的国家之一，使用货币的历史长达五千年之久。

中国古代货币在形成和发展的过程中，先后经历了六次重大的演变：

1、由自然货币向人工货币的演变

在中国的汉字中，凡与价值有关的字，大都从“贝”。

由此可见，贝是我国最早的货币。

随着商品交换的迅速发展，货币需求量越来越大，海贝已无法满足人们的需求，人们开始用铜仿制海贝。

铜贝的出现，是我国古代货币史上由自然货币向人工货币的一次重大演变。

随着人工铸币的大量使用，海贝这种自然货币便慢慢退出了中国的货币舞台。

2、由杂乱形状向规范形状的演变

从商朝铜贝出现后到战国时期，我国的货币逐渐形成了以诸侯称雄割据为特色的四大体系，即：

铲币、刀币、环钱、楚币（爰金、蚁鼻钱）。

秦统一中国后，秦始皇于公元前二一○年颁布了中国最早的货币法“以秦币同天下之币”，规定在全国范围内通行秦国圆形方孔的半两钱。

圆形方孔的秦半两钱在全国的通行，结束了我国古代货币形状各异、重量悬殊的杂乱状态，是我国古代货币史上由杂乱形状向规范形状的一次重大演变。

秦半两钱确定下来的这种圆形方孔的形制，一直沿续到民国初期。

3、由地方铸币向中央铸币的演变

据《汉书食货志》记载，刘邦建汉后，允民私铸钱币。

豪绅富商和地方势力乘机大铸恶钱而牟利。

文帝时“邓通大夫也，以铸钱财过王者。

”

元鼎四年（前一一五年），汉武帝收回了郡国铸币权，由中央统一铸造五铢钱。

从此确定了由中央政府对钱币铸造、发行的统一管理，这是中国古代货币史上由地方铸币向中央铸币的一次重大演变。

此后，历代铸币皆由中央直接经管。

铸币权收归中央，对稳定各朝的政局和经济发展起了重要的作用。

四、由文书重量向通宝、元宝的演变

秦汉以来所铸的钱币，通常在钱文中都明确标明钱的重量，如“半两”、“五铢”、“四铢”等等（二十四铢为一两）。

唐高祖武德四年（六二一年），李渊决心改革币制，废轻重不一的历代古钱，取“开辟新纪元”之意，统一铸造“开元通宝”钱。

开元通宝一反秦汉旧制，钱文不书重量，是我国古代货币由文书重量向通宝、元宝的演变。

开元通宝钱是我国最早的通宝钱。

此后我国铜钱不再用钱文标重量，都以通宝、元宝相称，它一直沿用到辛亥革命后的“民国通宝”。

4、由金属货币向纸币交子的演变

北宋时，由于铸钱的铜料紧缺，政府为弥补铜钱的不足，在一些地区大量地铸造铁钱。

据《宋史》记载，当时四川所铸铁钱一贯就重达二十五斤八两。

在四川买一匹罗（丝织品），要付一百三十斤重的铁钱。

铁钱如此笨重不便，纸币交子就在四川地区应运而生。

交子的出现，是我国古代货币史上由金属货币向纸币的一次重要演变。

交子不但是我国最早的纸币，也是世界上最早的纸币。

5、由手工铸币向机制纸币的演变

清朝后期，随着国外先进科学技术的逐渐传入，光绪年间已开始在国外购买造币机器，用于制造银元、铜元。

后来，广东开始用机器制造无孔当十铜元。

因制造者获利丰厚，各省纷纷仿效。

清末机制货币的出现，是我国古代货币史上由手工铸币向机制货币的重林演变。

从此，不但铸造货币的工艺发生了重大变化，而且使流通了二千多年的圆形方孔钱寿终正寝

人类铸造和使用金属硬币已有相当悠久的历史了。

在没有发明和使用金属硬币以前，人们曾经用形形式式的自然物来充当商品交换的等价物－－货币，如贝壳、龟板、兽皮、禽畜、粟米、珠玉、兵器（大刀）、农具、布帛等等。

后来，人们在长期的商品交换中发现金属作为货币具有无与伦比优越性，随着商品经济的不断发展，金属货币诞生了，并迅速取代了自然物货币和商品货币。

最早充当货币的金属是金和银，最初的金属币是没有固定的形状和重量的，中国是使用金属货币最早的国家之一。

在相当长的时间里，金银作为货币使用时，每块金、银的形状和重量没有一定的规定，一般都被铸成饼状或锭状，严格地讲，它们还没有完全脱离商品货币的形态，一方面它被作为货币使用，另一方面它仍然还是一种商品，当人们把它们作为货币使用时，还需要用秤来衡量它们的重量和鉴别它们的成份。

我国古代，很长时期以来主要是用金属铜（锡青铜）来铸造钱币，其它还有用铁或铅来铸钱（如王莽时期所铸的铁钱），金银一般是在进行大宗交易时才被使用，其主要功能是作为收藏、赠与和赏赐之用。

到了近代，随着工业革命的兴起和发展，出现了用机器制造金属硬币的技术，用金银来制造硬币也得到了迅速的发展，特别是银币更是得到了广泛的流通和使用。

后来，人们感到金银的价格日益昂贵，就出现了用纯镍和铜镍合金来制造硬币，以作为银子的替代物。

现在，世界各国用于制造硬币的金属材料越来越广泛，除了传统的金和金合金、银和银合金、镍和镍合金、铜和铜合金、铝和铝合金以外，还出现了镍铁复合材料、铜铁复合材料、钢芯镀镍材料、钢芯镀铜材料、锌芯镀铜材料等等，这些材料统称为包复材料。

此外还有用不锈钢材料制造硬币的。

在中国主要用于制造硬币的材料如下表：

硬币的材质：

第三套人民币硬币一览表

1元硬币国徽、国名、年号长城、面额铜镍合金301980.4.15

5角硬币国徽、国名齿轮、麦穗、面额、年号铜锌合金261980.4.15

2角硬币国徽、国名齿轮、麦穗、面额、年号铜锌合金231980.4.15

1角硬币国徽、国名齿轮、麦穗、面额、年号铜锌合金201980.4.15

第四套人民币硬币一览表

1元硬币国徽、国名、汉语拼音、年号牡丹花、面额钢芯镀镍25.0毫米1992.6.1

5角硬币国徽、国名、汉语拼音年号梅花、面额铜锌合金20.5毫米1992.6.1

1角硬币国徽、国名、汉语拼音年号菊花、面额铝镁合金22.5毫米1992.6.1

第五套人民币硬币一览表

1元硬币行名、面额、拼音、年号菊花钢芯镀镍25毫米2000.10.16

5角硬币行名、面额、拼音、年号荷花钢芯镀铜合金20.5毫米2002.11.18

1角硬币行名、面额、拼音、年号兰花铝合金19毫米2000.10.16

随着社会经济的不断发展城市的经济水平大幅度的提高，人们的收入也提高了不少，生活水平迅速提高。

人们的思想也在进步，事物都有两面性，一些人在积极进取，而另外一些人则在投机取巧做着损人利己的勾当，为了获取暴利和满足自己的欲望假币制造变成了他们的职业。

所以假币的出现扰乱了市场经济，国家也在严厉地打击中，验钞机的发展也使假钞毕显原型。

但是验钞机也不能应用在各种设备上。

因此对于某些事业机构需要专业的设备对假币进行鉴别。

日常生活中，一元的假硬币往往不被人们所警觉。

在成都市公交集团收银中心的资料显示，仅9月份，公交二公司、三公司和六公司下属的27条无人售票公交路线收到的一元假硬币和部分纸币就达8400元，其中一元的假硬币为7980个，占当月车票总收入的0.13%。

27条无人售票线路月收假币8400元。

公交公司一份关于一元假硬币的统计数据了解到，2006年10月份，公交2公司、3公司和6公司下属的27条无人售票公交线路收到的一元假硬币和部分纸币总数量为2058元，最少的一天收了30个，最多的高达100个。

仅9月份，公交二公司、三公司和六公司下属的27条无人售票公交路线收到的一元假硬币和部分纸币就达8400元。

不少公交司机称，他们难以对每个乘客所投的硬币进行一一鉴别。

因此硬币识别器应该尽快应用到成都市的公交系统。

1.1.2硬币识别器的发展与分类

随着社会的进步人们的生活水平有了很大的提高，人们为了方便出行掀起了买车风暴于是私家车的数量猛增，但是反而是适得其反，就是因为私家车数量太多导致了能源的消耗加速加量，更使得交通拥挤，人们也意识到了这些问题。

于是政府大力倡导人们出行选择公交。

政府为了便于人们乘坐公交车，大力发展城市的公交系统，而为了让乘客便于到站下车城市公交车上安装了语音报站系统，刷卡器，由于刷卡并不是人人都能接受于是公交车上也保留了投币箱便于还没有使用公交卡的乘客使用零钱。

这种系统完全可以由驾驶员一人操作，于是通常的一人驾驶一人卖票报站的公交车大都转变为了无人售票车，这也象征着人们素质的提高。

但是这也给那些偷奸耍滑的素质低下的乘客有了可乘之机，为了逃票，游戏币、假硬币、假纸币变成了他们的乘车道具。

正是由于这些原因公交公司每天、每月、直至每年要损失高达数万元万人民币。

为此公交系统急切的需要与公交车配合使用的人民币识别器以用来对付假币！

正所谓道高一尺，魔高一丈。

只要这一装置配备了整个公交系统那就可以毁灭某些乘客的侥幸心理，不给他们任何的可乘之机。

这一技术普及后不只是应用在公交车投币系统中，也可应用在自动售货机、自动投币饮水机、投币游戏机等等设备中。

硬币识别器的种类也是多种多样的，发展也是越来越先进在中国，硬币识别器的技术已经成熟，采用传感器技术与光电子技术和电磁技术对硬币的几何参数和材质进行检测使得识别器达到了很高的精度，即使是硬币的表面有很多污垢也能准确地辨别出真假。

硬币识别器的发展将伴随中国经济的发展一路发展下去。

韩国的硬币和纸币识别技术伴随着韩国的经济发展一路发展过来，但可惜还没有达到欧美的水平即将被中国的技术所取代，现在中国进口韩国的咖啡机很多，其原装的投币器识别性能很差，已经被深圳莱恩德公司的投币器所取代。

中国本土投币器将是中国市场最终的市场占有者。

在中国与投币器配套使用的仪器和设备数量庞大且种类繁多。

投币器需要适应市场的需求因此必须添加硬币识别器。

硬币识别器的种类并不多，硬币识别器是以其检测硬币哪方面特性进行分类的：

最常见的硬币识别器有：

单一式硬币识别器和复合式硬币识别器，而单一式硬币识别器又可分为几何参数识别器、材质识别器。

几何参数识别器主要是检测硬币的直径与厚度，在此类硬币识别器的发展过程中直径的检测方法有了新的改进，老式的识别装置用光电管队列来识别直径，如果排列组合得当的话，识别精度也不低于0.5mm。

现在改进后的识别器都用偏心或异型线圈来测量，依据是直径小的硬币与线圈的重合部分也少，由此也带来频率变化的不同。

复合式传感器的传统识别原理为：

硬币通过投币入口进入由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时,金属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异,电感量的变化引起振荡频率的变化;再通过检测频率的变化,与设定值进行比较,确定某种硬币种类后,经窄带选频电路将频率信号变成电压信号输出,完成对金属硬币的识别.由于复合式识别器的价格适中、结构简单、识别精度比较高并且能广泛应用因此许多企业和有关部门都采用此类识别器。

但是我在设计复合式硬币识别器时原理有所改进：

我设计的硬币识别器的电路结构原理是直接利用硬币对平板电容传感器与电感传感器的电容或电压的参数变化转换为电压信号，再通过对与真硬币对这两类传感器参数的改变设定的电压值作比较完成对金属硬币的识别。

第2章总体设计方案

在确定硬币识别器总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要遵循的一些基本原则，从而使设计方案更合理。

2.1总体设计思路

设计硬币识别器大体上可分为两个阶段：

1、系统分析阶段

根据系统的目标，明确所采用硬币识别器的目的和任务。

分析硬币识别器所在系统的工作环境。

根据识别器的工作要求，确定其的基本功能和方案。

如识别器的材料选择、识别范围、存储量、识别精度的要求以及对温度、震动等环境的适应性。

2、技术设计阶段

根据系统的要求确定识别器允许的空间工作范围，一般来说硬币识别器的体积比较小，且与投币器结合使用因此并不会占用很大的空间；

拟订硬币识别器的识别流程图；

③选择具体电路结构，进行识别器总电路图的设计；

④进行硬币识别器的整体和机械部分的设计

⑤绘制硬币识别器的零件图，并确定尺寸。

2.2总体方案的确定

1、我们希望它整体不要太大，可以安置在仪器设备上，即小型化、轻型化。

在设计此识别器时我就已经考虑到了其整体外观大小和内部结构相配合。

由于在电路设计方面我使用的方案是：

“各个电路分开连接”其特点在于各个电路可以依照识别器外壳的形状结构来改变所处的位置，其缺点是各个电路比较分散，占用空间比较广；优点是能灵活改变电路布局。

2、为节约开支，要求成本低。

首先对于制造硬币识别器外部与机械部分的材料来言：

外壳与投币通道最好是使用塑料，首先投币通道连接有两种传感器，这样可以防止漏电，防止金属外壳对于传感器的电磁干扰；其次又能使设备的总重量减轻。

因为我所设计的分币器是由电磁铁吸引摆动的，所以电磁铁的吸引重量是选用材料的前提。

机械部分（既分币器）的设计要依据微型电磁铁的具体参数来定（这在下文机械部分设计中回详细介绍）

3、电路设计有可行性。

在设计本设备的电路时，首先我想到的是如何将真假硬币用电子检测的方法区分出来于是我选用了两种应用广泛的传感器：

（公式1）

为空气的介电常数（已知为1）

（公式2）

平板电容变介质电容传感器和电感传感器。

通过真假硬币通过两种传感器时电

（公式3）

容和电感参数的改变量不同来辨别。

电容传感器：

当未投入硬币时电容中的介质为空气

当真硬币从变介质电容传感器通过时电容发生改变，则通过（公式3）可以算出来。

（真硬币的介电常数与厚度已知）可以计算出电容的改变量。

再将电容改变量转换为电压，这样这个参数就可以作为电压比较器的设定电压，可以与其他硬币通过传感器是的变换参数做对比。

从以上的公式也可以看出电容传感器可以通过材质和厚度检测硬币的真假；对于电感传感器原理与电容传感器相似。

原理分析清晰后需要设计信号的传输、放大、转换、控制等电路，由于拥有这些功能的电路是多种多样的因此需要从功能范围、电子元器件、工作环境的范围、信号的传输特性等方面做对比然后才能选择合适的电路。

4、电源的设计：

在我设计的这个硬币识别器中使用的电源为220V的交流电，但是对于某些电路来说显然太大因此在电源上我连接了一个双线圈变压器使其变为12V和15V的电压，这两个变小了的电压分别连接在微型电磁铁和AD574A-AD转换器上使其能够正常工作。

在需要将交流电转换为直流电的时可以直接连接一个整流电路就可以了。

信号的改变、放大、以及能否输入单片机控制电路都需要选择正确的电路。

因此我查阅了很多资料使得此次设计有充分的可行性。

5、在满足前四点的要求下，尽可能的要造型美观。

造型的美观就主要在于外壳的设计由于外壳的材料我选用的是塑料，塑料的一个特性呢就是可塑性高也就是说制造容易。

因此完全可以满足表面粗糙度或者是设计精度的要求。

第3章电路与程序设计

3.1电路设计

在设计这部硬币识别器之前借鉴了很多关于这方面的资料经过研究决定设计复合式硬币识别器。

这种识别器结构简单，造价低廉，识别精度高且能够广泛应用在各种领域。

因此此类识别器将占据较大的市场，并且会有很大的发展空间。

复合式硬币识别器的原理：

复合式硬币识别器主要是由平板电容传感器、和电感线圈传感器、检测电路、单片机控制电路组成。

变间隙式平板电容传感器是是通过检验硬币的厚度来辨别真伪的，当硬币通过投币口进入平板电容传感器时会引起传感器电容的变化，这个传感器也可以实现对硬币材质的检测但这只是一个附加功能。

通过电容传感器配用的交流电桥将电容的变化转换为电压信号，再通过放大电路将信号放大进入整流电路将交流变为直流。

再通过有源低通电路滤去干扰信号在通过电压比较器后输入AD转换器将模拟信号转换为数字信号传入单片机控制电路。

而电感线圈传感器是通过不同的金属材质通过线圈时电感改变量不同来检测的。

当硬币通过电感线圈时也会是电感量改变，通过电感式传感器配用的交流电桥电路使电感的改变转换为电压信号，由于硬币通过传感器的时间比较短，所以所获得的信号比较微弱，因此需要在信号输出口连接一个放大电路使信号放大。

在复合硬币识别器中需要用到单片机，而传入单片机的信号必须是直流信号，所以在放大电路的末端我们需要连接一个整流电路是交流变为支流再传入单片机控制系统。

在整个过程中也需要连接有源低通滤波电路和电压比较器在输入单片机。

接整个信号的传输、接收流程图如下图

流程图

在信号传输与接收线路中运用到了很多的电路与单片机。

以下则是对各环节电路、芯片的介绍。

3．2各组成电路原理与应用

3.2.1电桥电路

当信号从传感器中传出后主要是传感器的信号，需要将其转换为电压信号，因此需要连接电桥电路，此类电路是传感器接口电路中经常使用的，主要用于把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流信号。

根据电桥电源的不同，可分为直流电桥和交流电桥。

在复合式硬币识别器中使用的电源为交流电并且交流电桥主要用于电容式传感器和电感式传感器。

交流电桥

（1）电容式传感器配用的交流电桥。

这种电桥有两种接法：

（2）

（3）

图⑴为单臂接法的桥路，其中C1、C2、C3、Cⅹ为电桥的4个桥臂，Cⅹ也是电容式传感器的电容输出值。

交流电源经变压器T接到桥路的一条对角线上，从桥路的另一对角线输出电压Uo。

当电容式传感器输入夫人被测物理量X=0时，输出Cx=C0,交流电桥平衡，此时

C1/C2=C0/C3,Uo=0

图

（1）

图

（2）

（而当x时）传感器输出为Cx=C0+△C,交流电桥失去平衡，（Uo）,则可按电桥输出电压的大小来测定被测物理量X。

（4）电感式传感器配用的交流电桥

（5）

（6）

图

（2）Z1和Z2为螺管式查差动变压器的两个线圈的阻抗。

另外两桥臂为变压器次级绕组。

因为电桥有两桥臂为传感器的差动阻抗，所以这种桥路又称差动交流电桥，它常用于电感式测微仪传感器的接口电路。

当查动式电感传感器在初始状态时，两线圈电感相等，阻抗Z1=Z2，此时电桥处于平衡状态，电桥在这种条件下的输出电压Uo=0。

当差动式电感传感器进行测量时，有一个线圈的阻抗