2017毕业论文-智能点钞机系统设计.doc

学学 士士 学学 位位 论论 文文 智能点钞机系统设计智能点钞机系统设计 作者姓名：作者姓名： 导师姓名：导师姓名： 专业名称：专业名称：生物医学工程生物医学工程 所在学院：所在学院：信息与电气工程学院信息与电气工程学院 山山 东东 科科 技技 大大 学学 2006 年 6 月 16 日 山东科技大学学士学位论文 摘要 摘要摘要 本文介绍了采用 PIC16F917 单片机芯片为控制器的智能型点钞机的检 测原理、系统组成、软件设计等技术。该点钞机运用磁分布检测、红外线 透射水印检测、紫外线荧光检测、宽度检测等技术鉴别纸币真伪、识别人 民币面值,还可识别出纸币的残张、连张、重张, 并能自动诊断出点钞机部 分机械故障，实现了多功能、高精度、高速度点钞。在本系统的设计过程 中，我们仔细研究了的防伪特征，从真钞和伪钞的差别入手，结合点钞机 采集的信号特性来实现较好的鉴伪。并且根据点钞机对采集来的信号进行 实时分析的特征我们在软件上采纳了时间触发嵌入式系统的设计思想，提 高了软件对外部事件响应的速度和执行效率。文章除了对多功能点钞机的 硬、软件实现作了一定的介绍外，还着重讨论了时间触发嵌入式系统软件 设计及软件滤波的实现。 关键词关键词: 点钞机 鉴伪 PIC16F917 山东科技大学学士学位论文 摘要 ABSTRACT This paper introduces an intelligent banknote counter using PIC16F917 as micro controller . In our design , the principle of detection , the form of this system and the design of software are described . Whether the banknotes true or false are checked and recognized when the banknote counter works by detecting magnetism distribution , infrared ray transmitting watermark , ultraviolet rays inspiring fluorescence , testing width , and also the deformity ,sequence ,overlap of banknotes . Whats more ,it can automatically detect some mechanical failures of the currency counter and realize the functions of multifunction, high precision and high speed banknote counting.During the design of this system,we investigated paper moneys features carefully and proceed with the differences between fake and true bills. We improve our softwares respond speed and execute efficiency by adopting the theory of Time-Triggered Embedded System due to the collecting signal characters.Besides the descriptions of hardware component and software designs ,our paper places emphasis on discussion of the realization of Time-Triggered Embedded Systems and software filtering in this multifunction banknote counter. Key words : Banknote Counter Recognition STC89C52 Time- Triggered Embedded System 山东科技大学学士学位论文 目录 目录目录 1 绪论1 1.1 点钞机行业现状1 1.2 点钞机行业发展方向2 2 点钞机系统概述4 2.1 方案论证4 2.2 系统简介4 2.3 荧光检测6 2.4 磁性检测7 2.5 红外水印区检测8 2.6 光谱检测9 3 系统硬件电路设计11 3.1 主控制部分11 3.2 落钞检测模块13 3.3 荧光检测模块15 3.4 计数及光谱检测模块16 3.5 码盘检测模块17 3.6 磁性检测模块19 3.7 电机控制模块22 山东科技大学学士学位论文 目录 3.8 键盘显示模块23 4 软件设计26 4.1 软件设计流程26 4.2 时间触发嵌入式系统28 4.3 软件滤波30 5 系统机械结构34 6 结论38 结束语40 参考文献41 致谢辞43 附录一：操作说明44 附录二：程序流程图49 附录三：部分源程序55 附录四：英文资料翻译73 山东科技大学学士学位论文 绪论 991 1 绪论绪论 1.1 点钞机行业现状点钞机行业现状 随着科学技术的发展，人们的生活水平不断提高，一些自动化仪器越 来越受人们的欢迎，人们对自动化仪器的要求也越来越高。我国现金流通 规模庞大，银行出纳柜台现金处理工作繁重，点钞机已经成为不可缺少的 设备。 在我国，人民币为了具有防伪能力，设计有各种防伪特征。人民币版 本在不断更新，假钞仿造手段也越来越高明。银行对点钞机的要求越来越 高,要求能识别所有的假钞。单一功能鉴伪对有些假钞鉴别已无能为力，例 如点钞机如果只对钞票进行磁性识别，那么只能对无磁的假钞进行鉴别， 对有磁性的假钞，就无能为力。要对有磁性的假钞进行磁分布的检测以及 钞票水印真假识别等，才能判断出是否是假钞。市场要求点钞机要有多种 形式的鉴伪能力才能满足需求，如对纸币的紫外荧光反应、磁性位置分布、 红外线透射水印等多种特性进行测试，只要有一种特性不符合真钞特性即 为假钞。因此,点钞机除能具备计数点钞功能外，还应根据各种币值的特点 进行鉴伪判别，同时还能识别钞票的币值大小等功能。对它的性能要求、 功能要求也越来越高。 首先，点钞机要能够快速点钞。点钞速度一般定义为每分钟点钞机所 点钞票的数量（张/分） 。现在市面上点秒机的点钞速度多在每分钟 1000 张 左右，这样速度的点钞机主要用于钞票点数，适用于银行、证券及商业等 部门清点钞票用，也可以清点类似纸币的证券和纸张的数量。小型超市和 其他单位可选用每秒 600 张左右的产品。未来电钞机的点钞速度还要大幅 度提高，从现在的 1000 张/分增加到 4000 张/分，以此来适应银行、证券 山东科技大学学士学位论文 绪论 992 等部门清点钞票。 其次，点钞机精确计数。点钞机在快速点钞的同时，还要保持准确的 计数，这就对点钞机提出了更高的要求。受到钞票新旧，磨损程度的影响， 点钞速度、进出钞顺畅程度不一样就会导致重张、连张、斜张的出现，同 时减慢点钞速度，降低了计数的准确性。针对新旧钞票的问题，这就要求 我们从机械上，硬件电路上，软件开发上都要做到很好的兼容性。机械上 设计更合理的结构，最大可能减少堵钞，斜钞；硬件电路上能够测试出异 常落钞时的信号差异；软件上要能够准确识别出重张、连张、斜张的情况。 再次，点钞机还要能够准确分版。要做到准确分版，就要对点钞机性 能提出很高的要求。分版要根据多个特征来确定其面值。现阶段主要通过 对宽度和安全线的特征来分版。目前，人民币 1 元，5 元，10 元，100 元 的宽度是不一样的。可以通过宽度对其进行简单的分版。但是仅仅依靠宽 度是不够的，磨损或者人为的加长纸币的因素也要考虑到。并且 10 元， 20 元，50 元具有相同的宽度，这时我们就要对它们的安全线进行检测。 第 5 套人民币的安全线很有规律，磁信号由若干个单信号构成一组信号。 每一种币具有几组这样的信号。同一种面额的钞票具有相同的安全线特征， 不同的面额具有不同的特征磁信号分布不相同。利用这一个特点，就 能够做到人民币的准确分版。 最后，点钞机还要能够多功能防伪技术。防伪手段的多样化总是伴随 着伪造技术的发展。现阶段人民币的伪造越来越多，伪造的技术也越来越 高。各种伪造、变造的假币严重扰乱了我国的金融秩序，给国民经济和人 民生活造成负面影响。因此，多功能防伪就成了不可或缺的一部分。 1.2 点钞机行业发展方向点钞机行业发展方向 山东科技大学学士学位论文 绪论 993 目前，市面上的点钞机大多具有两种以上的防伪功能。而现阶段人民 币点钞机的鉴伪大多有荧光防伪，红外防伪，激光防伪，磁性防伪，安全 线防伪等手段。安全线具有的高可靠性使其成为人民币的最后一道防线。 人民币在流通过程中造成的折叠、磨损、污染再所难免，遇到酸碱等化学 物质也会导致其收缩或者伸张，这些都会导致磁信号变形。而且在点钞过 程中，纸币和磁头摩擦不好也会导致磁信号变形，不解决这个问题，误报 就会让点钞机不能够正常工作。因此在设计时除了使纸币和磁头摩擦良好 外，在硬件电路和软件设计上要对“变形” 、 “残缺”的磁信号进行补偿和 还原，即有一定的容错能力。这样才能够较好的解决误报问题。 点钞机正在朝着声音识别，图象处理的方向发展，逐渐涉及到数字信 号处理，模式识别的理论。国外现在的先进技术就是很有的结合了数字化 和模式识别的理论，在高速点钞的同时，能够识别出票面的图象，完整的 记录该票面的编号。这样在准确分版的同时，大大提高识别伪钞的能力， 是未来一段时间国内点钞机的发展方向和趋势。点钞机和 PC 的实时通信， 利用 PC 机来监控点钞机的状态和内部参数，大大提高了电钞机的透明度， 也方便了客户和我们的维修人员。 点钞机的明天必然是更加智能，更加精密，更加人性化，也必将走向 广阔的消费群。 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 4 2 点钞机系统概述点钞机系统概述 2.1 方案论证方案论证 智能鉴伪点钞机是在点验钞票的同时进行真伪钞票鉴别的点钞机，是 一种通用的银行机具。它是一台集机械、电子、光、磁技术为一体的精密 机电产品，主要完成计数和辨伪功能。 方案一、用高速数字信号处理器DSP1来实现对各传感器信号的采集、 识别。利用数字处理芯片较好的数据处理和计算能力实现对人民币荧光、 红外、磁性信号的采集，高精度，高效率地处理。但是各种传感器信号受 前置采集通道信号速度和精度的限制，虽然微处理器性能优越，但是系统 整体性能并没有很大的改善。 方案二、采用比较通用的芯片，利用比较成熟的设计方案，使外围硬 件电路与之较好地匹配，更多地考虑提高软件执行效率来弥补其他不足， 提高系统性价比，发挥处理器的性能，通过降低系统成本来增强产品的竞 争力。另外我们这款设计属于中档产品，利用增强性能的51系列控制器完 全能满足设计需要。 根据以上分析，我们选择方案二来实现本系统的设计。 2.2 系统简介系统简介 点钞机集机械、电子、光、磁技术为一体，从整体上可分为：硬件电 路部分、软件控制部分、机械框架等部分。 硬件电路部分由主控部分、传感器部件、驱灯显示组件、电源板、功 能按键部分、电机等组成一个单片机控制的系统。它通过多个传感器等接 口把荧光、磁性、红外穿透、激光、光谱、计数等信号进行采集，再经过 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 5 显示驱动 荧光检测 码盘检测 处理器 落钞检测 收钞检测电机驱动 光谱检测 磁性检测 计数检测 键盘检测 报警驱动 电源 荧光驱动 图 2.1 点钞机总原理框图 比较、滤波、放大等处理后，送入主控器单片机的I/O口中。 软件部分把正常钞票在正常清点中在各传感器接收到的信号进行统计 取样、识别，并寄存起来，作为检测的依据。当清点纸币时，把在各通道 接口接收到的信号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，若有明 显差异时、但立即送出报警信号并截停电机，同时送出对应的信号提示。 使点钞机富有“生命” ，智能化。 机械部分服务于钞票在机器中的行走，为运动中的钞票得到有效识别 提供了所需的精度定位，使硬件电路中对钞票各防伪、计数信号很方便的 检测，此外使整机美观大方，便于携带等。点钞机总原理框图见图 2.1。 就防伪方式而言，每一种都有它的优越之处，每一种也都有它的不足 之处，所以只选择其中的一种进行防伪是片面的不可靠的，不能全面的查 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 6 找伪钞，必须多种并用，防伪效果才好，检测伪钞的能力才强。 2.3 荧光检测荧光检测 在介绍荧光检测前，我们首先应该了解一下荧光效应2：荧光效应是 短波的紫外线照射荧光物质后，荧光物质在长波段发光的现象。荧光效应 是紫外辐射效应中最重要的效应之一，其应用范围很广泛。家家户户都用 的日光灯，就是利用了荧光效应。人们在重要票据上用无色荧光油墨加印 图案或标记，平时看不到，只有在一定波长的紫外辐射下，由于荧光油墨 被激励发出可见光，才能看出，这就是荧光效应在防伪方面的应用。 荧光检测3模块主要负责钱币的荧光效应检测，点钞时票币面经紫外 光源扫描照射，真币一般没有纸质荧光效应信号或者荧光效应信号很弱, 而假币受紫外光激发产生较强的荧光效应信号。 荧光检测的工作原理就是利用荧光效应对人民币的纸质进行检测。人 民币采用专用纸张制造（含 85以上的优质棉花） ，假钞通常采用经漂白 处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为 365nm 的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为 420460nm 的蓝光） ，人民币则没有荧光效应。所以，用紫外光源对运动 钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。 为排除环境光对辨伪的干扰，必须在硅光电池的表面安装一套透过波长与 假钞荧光反应波长一致的滤色片。 在荧光检测中，需要注意两个问题： 1、空间的遮光。外界光线进入检测空间会造成误报； 2、光源和光电池的防尘。在点钞过程中有大量粉尘，这些粉尘粘附在 光源表面会削弱检测信号，造成漏报。 对第五版人民币，可同时检测 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 7 荧光字（无色荧光油墨印用另一硅光电池检测，滤色片的透过波长和真钞 荧光反应波长一致）以提高辨伪效果。 2.4 磁性检测磁性检测 大面额的真钞在印刷有些图案和文字时，油墨中加有氧化铁、钴等磁 性物质。新版纸币的金属安全线具有磁性物质。在这些图案和文字以及金 属安全线经过点钞机磁头时，可以检测到磁信号。每种真钞的磁性位置是 固定的，因此检测纸币的磁性分布可以识别纸币的真伪。 在纸币过点钞机时由磁头检测出纸币上的磁分布信号然后经放大整形， 当有磁信号时，整形电路输出为低电平。检测原理4见下图，在纸币完全 经过点钞机后，软件对记录的磁信号位置进行磁分布处理并作出真假和面 值判断。 在磁性检测中，要求磁头与钞票磨擦良好。磁头过高则冲击信号大， 造成误报；磁头过低则信号弱，造成漏报。通过控制磁头的高度（由加工 和装配保证）和在磁头上方装压钞胶轮可满足检测需要。 人民币的磁性检测方法可分为四种： 1、检测有无磁性。市场上的点钞机多采用此种方法，由于造假非常 容易，故此种方法伪钞辨出率低。 2、按磁性分布检测磁性。采用两组或三组磁头分路检测磁性，辨伪 水平可提高一个档次，市场上部分点钞机采用此种方法。 信号放大与整形 信号放大与整形 信号放大与整形 INT1 右磁性信号检测 左磁性信号检测 中磁性信号检测 图 2.2 磁分布检测原理图 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 8 3、检测第五版人民币金属丝磁性。根据我们在示波器的观测，金属 丝的磁性是很有规律的矩形波，且量值也很准确，由于很难仿制，在磁性 检测中如能利用这个特性，将大大提高辨伪水平。 4、检测第五版人民币横号码磁性。目前水平停留在检测有无磁性。 由于横号码是一组带有一定磁性的数字，如对横号码的磁性数量和大小进 行检测，辨伪水平可大大提高。 2.5 红外水印区检测红外水印区检测 红外水印区的透射检测5的工作原理是利用红外线透过真假钞的水印 区时所呈现的特性的不一致性。当红外光照射真假钞的表面时，由于真假 钞纸张的纤维密度不同而引起纸币的水印和票面图像顔色的深浅变化，从 而使真假币对光的吸收发生变化，所以使纸币的透射光强发生变化。如果 一束光强为的入射光，它透过某一个介质后的透射光强为 I，则为 I 和 0 I 存在如下关系，即： 0 I (2.1)dIIexp1 0 式 2.1 中，为介质的吸收系数，为介质的反射率，d 为介质的厚 度。该公式说明，透射光强 I 与介质的吸收系数、反射系数和厚度有关。 这也就是说，纸币的透射光强可反映纸币的纸质密度、票面顔色及厚度等 透性。因此，通过检测真假纸币水印区的红外光的透射光强可实现对真假 纸币的识别。真假纸币水印部分红外光透射率实验数据如表 2.1 、表 2.2 所示。 表 2.1 真钞水印部分两种红外光透射率 真钞种类 1300nm 波长 平均透射率 850nm 波长 平均透射率 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 9 100元1990版 100元1999版 50元1990版 50元1999版 17.3 % 18.1 % 16.5 % 17.9 % 16.5 % 20.5 % 13.5 % 15.2 % 表 2.2 假钞水印部分两种红外光透射率 假钞种类 1300nm 波长 平均透射率 850nm 波长 平均透射率 100元EE版 100元PU版 100元HX版 100元QH版 100元TU版 5.6 % 5.6 % 7.6 % 5.6 % 5.5 % 5.6 % 5.7 % 7.4 % 4.7 % 5.3 % 首先由硬件电路对红外透射纸币的水印信号进行处理。由于纸币在点 钞机中放置的随意性，需在点钞机的两边分别安装红外传感器检测水印区 的红外透射率。在过钞票时只要有一个传感器检测到假水印信号，即可说 明该钞为假钞，应进行假钞报警。 2.6 光谱检测光谱检测 早期的光谱分析是利用感光板来记录经分光元件分离后的光强信号， 我们讨论的光谱检测其实是红外光谱检测，红外光谱检测是利用物质对红 外光区电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析、定性和定量分析。红外光 谱最突出的特点是特征性强，常作为“分子指纹”被广泛应用于化学组成的 分析。由于红外吸收带的波长位置与吸收带的强度和形状能反映出物质的 结构特征，所以主要用于定性鉴定， 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 10 而我们就是利用了红外光谱的这个特性来鉴别纸币的叠张。 经典光谱定量分析的基础是比尔定律6： (2.2)LCA 其中 A为吸收度，为消光系数，L 为光程，C 为被测组分浓度。不同物 质具有不同的，在光程 L 一定的条件下，A和 C 成线性关系，这是定 量分析的基础。虽然我们没有作定量的分析，但是由此定律我们可以得出 红外光谱强弱的规律及分析检测中遇到的问题。 可见光谱检测7主要就是针对于连张情况的检测，防止钞票的清点数 目不准导致出现漏钞情况。有时也可以进行防伪，防止比较厚的假钞，或 两张真钞故意粘在一起的假钞等。当两张钞票重叠在一起通过收发光管时， 由于遮光性强，收光管的暗电流变小，输出端产生的脉冲的低电平值也变 小。根据这一变化，设计出相应的程序，检测计数脉冲的低电平值。当它 低于正常值时，显示器显示错误种类，并停机检查；否则机器正常运行， 这就避免了叠张出错的发生。 山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述 99 11 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 12 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3.1 主控制部分主控制部分 STC89C51RC/RD+系列单片机是兼容 8051 内核的单片机，是高速/低 功耗的新一代 8051 单片机，12 时钟/及其周期和 6 时钟/及其周期可以反复 设置。它的主要性能8如下： 增强型 6 时钟/机器周期，12 时钟/机器周期 8051CPU； 宽工作电压：5.5V3.4V(5V 型单片机)/3.8V2.0V(3V 型单片机)； 工作频率范围：0-40MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作 频率可达 48MHz； 用户应用程序空间：4K/8K/16K/16K/20K/32K/64K 字节； 片上集成 512 字节/1280 字节 RAM； ISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，可通过 串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序 3 秒即可完成一片； EEPROM 功能； 看门狗； 内部集成 MAX810 专用复位电路（D 版本） ，外部晶振 20M 以下克省 去外部复位电路； 3 个 16 位定时器； 通用异步串行口。 由以上条款可以看出，此款单片机对以往 51 系列有很好兼容性，任 何老的 8051 仿真器仿真的标准 8051 程序都可以使用，硬件都无需改动； RC/RD+系列为真正的看门狗，启动后用软件无法关闭，可以放心省去外 部看门狗；内部 Flash 擦写次数为 100，000 次以上，此系列单片机出厂时 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 13 就已完全加密，采用 ISP/IAP 机制写入，一边校验一边写，无读出指令， 彻底无法解密。此外，这一系列的单片机抗静电(ESD)性能非常好，6000 伏静电测试直接打在芯片管脚上，安然无恙。 根据点钞机对信号实时采集处理的特征，我们决定用执行效率较高的 汇编语言设计系统程序，而宏晶科技推广的 STC89C52RC 有 8K 字节的程 序存储器，完全能胜任程序实时处理及存储。 NC 1 P1.0 2 P1.1 3 P1.2 4 P1.3 5 P1.4 6 P1.5 7 P1.6 8 P1.7 9 RST 10 P3.0/RXD 11 NC 12 P3.1/TXD 13 P3.2/INT0 14 P3.3/INT1 15 P3.4/T0 16 P3.5/T1 17 P3.6 18 P3.7/RD 19 XTAL2 20 XTAL1 21 Vss 22 NC 23 P2.0 24 P2.1 25 P2.2 26 P2.3 27 P2.4 28 P2.5 29 P2.6 30 P2.7 31 PSEN 32 ALE 33 NC 34 EA 35 P0.7 36 P0.6 37 P0.5 38 P0.4 39 P0.3 40 P0.2 41 P0.1 42 P0.0 43 Vcc 44 U16 STC89C51RC +5V +5V C21 10uF R70 6.8K +5V C37 22P C38 22P Y2 12MHz SP2 TMB-12C05 R84 2K +5V A0 VCC A1WP A2 SCL GND SDA U18AT24C01 R71 10K R72 10K +5V +5V Q18 9012 R73 100 MOT UV_SE UV_RE MG MC AS1 AS2 DB164 CLK164 ALM EKEY B138 E138 A138 C138 ALM RDC LDC QD_RE QD_SE 图 3.1 主控制及其部分周边电路 STC89C52RC 的最小应用系统构9成非常方便，只需要在 XATL1、XATL2 端接石英晶体振荡器接谐振电容，在复位端接复位电路 即可工作，它的宽工作电压：5.5V3.4V(5V 型单片机)/3.8V2.0V(3V 型 单片机)无疑使它在应用于便携系统方面胜过许多芯片。图 3.1 是它应用于 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 14 点钞机的主控制电路图。 STC89C52RC 芯片内部集成了 2K 字节的 EEPROM，可用来存储点钞 机的参数设置及已点过钞票的信息，方便客户及维修人员查询。由于此电 路考虑到了兼容于普通 8051，所以加上了掉电存储芯片 2401。考虑到了 系统模块的协调性，我们把报警电路也画在了本模块。值得一提的是：本 系统只需单片机的串行通信口（P3.0/P3.1）与 PC 串口相连即可完成系统 的程序的在线下载，大大方便了程序的调试和修改。 在这一模块的蜂鸣器报警电路设计中，我们用到了的是一款比较通用 的有源蜂鸣器 TMB-12C05，它的额定工作电压是直流 5V，最大工作电流 为 40mA，阻抗为 50，用 PNP 型三极管 9012 来驱动，要保证三极管通 后流经蜂鸣器的电流小于 40 mA，由于三极管饱和导通后管压小于约为 0.7V，限流电阻的选取可由式(3.1)来求出 （3.1） i R I VVCC R max min 7 . 0 根据已知电流电阻可以将最小限流电阻求出来： 6850 40 7 . 057 . 0 max min mA VV R I VVCC R i 因此我们取限流电阻阻值为 100。 3.2 落钞检测模块落钞检测模块 落钞检测模块包括两部分，红外传感部分和红外信号调理部分，红外 传感部分的核心是红外传感器及其驱动电路。当有电流通过集红外发射和 接受功能为一体的红外传感器时，传感器发射部分会有红外线发出，检测 部分同时检测收到的红外信号。当有钞票放下时，发射出去的射线被钞票 反射回来，当检测到红外信号后传 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 15 感器输出一个跳变的模拟电压，经信号调理部分滤波后送入比较器，从而 能使比较器发生跳变就会把落钞信号反映给 CPU，如图 3.2。 R35 100 R34 10K R37 330K R40 10K R38 100K R39 4.7K R42 1K C5 103 5 4 2 312 U8A 339 Q5 9012 +5V Q7 R36 510 +5V D19 ST106RGBX +5V QD_SE QD_RE C6 105 图 3.2 落钞检测电路 值得一提的是我们的发射驱动部分和信号接受调理部分10，我们知道， 自然界中的白光频谱非常丰富，而红外信号只是其中的小一段，从而导致 机器受到了照射后引起误动作，另外如果传感器一直工作在发射状态，还 会缩短传感器寿命。我们通过综合考虑，决定再采引出来单片机的一个管 脚来控制驱动，这样做了以后，不仅有效地解决了以上问题，而且还降低 了待机功耗。 为了防止系统误动作，我们选用的红外发射接收对管都是只对 850nm 的光敏器件，ST106RGBX 红外发射接收对管的额定工作电流为 30mA， 所以其限流电阻可以通过式(3.1)求出限流电阻，取 100。需要注意的是 此电路硬件接受部分对接受到的信号进行了一次解调，如果单纯地给下钞 驱动端送高低电平信号，即使是接受管被挡住比较器也不会翻转。因此我 们在驱动红外发射管时必须用一定频率的脉冲进行驱动。由于时间常数 ,所以发射驱动脉冲的频率为mSFCR1 . 510000510 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 16 196 Hz。 1 f 3.3 荧光检测模块荧光检测模块 荧光检测模块主要负责钱币的荧光效应检测，点钞时票币面经紫外光 源扫描照射，真币一般没有纸质荧光效应信号或者荧光效应11信号很弱， 而假币受紫外光激发产生较强的荧光效应信号。该模块的原理是：荧光传 感器（主要由硅蓝光电池和滤色片组合成）会将接收到的荧光信号转换成 相应的微电流，然后将此信号经信号处理电路送至单片机进行真伪钞的判 别。具体电路如图 3.3。 R57 220 R58 4.7M R61 5.1K R59 5.1K R60 5.1K R62 5.1K R63 3.9K R64 3.6K R65 5.1K C10101 11 10 13 1D LM324 5 4 2 312 U14A LM324 9 8 14 U8C 339 +5V +5V +5V P5 100K Q12 UV10T2E10F R56 220 R55 100 D20 T54WBLB Q11 9012 R54 2K +5V UV_SE UV_RE 图 3.3 荧光检测电路 T54WBLB 型荧光管的主峰波长为 365nm，是一款验钞机专用型紫光 灯管，通过钱币对 365nm 波长的反射情况可以检测出钱币的纸质，与之配 套使用的 UV10T2E10 型紫外线探测器可探测波长在 210-380nm 范围内的 紫外线，并将其转换成相应的微电流。注：UV10T2E10 UV 型标准紫外线 传感器，只对紫外线敏感,其输出信号是同紫外线强度相对应的光电流，在 检测范围内（检测波长范围：210-380nm）峰值响应为约为 120mA/W，典 型值：140mA/W280nm 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 17 模块电路部分主要是信号转换与放大比较，为了延长荧光管的寿命， 我们加了一路荧光驱动，这样只有当有钞票通过时才启动荧光发射。由于 传感器出来的是电流信号，所以在信号调理电路中首先进行 I/V 转换（其 原理是一个积分电路），由于经过 I/V 转换所得到的电电压的幅值非常小， 所以在和基准电压比较前加了一级同相比例放大，这时出来的电压再和基 准相比较便可确定荧光信号的大小。 3.4 计数及光谱检测模块计数及光谱检测模块 光谱信号12主要是用来检测有没有重张（即两张钞票同时通过）现象 发生的，计数及光谱检测模块的传感部件是同为红外透射传感器，虽然在 软件部分处理是分开处理的，但是信号来自于同一传感部件，因而在这里 一并介绍。 Q1 Q3 R7 510 R6 510 R94.7K R84.7K R13 510 9 8 14 U1C LM324 7 6 1 U7B 339 +5V R16 15K R24 2K R23 2K LGP RGP P3100K C3 103 R12 4.7K +5V R104.7K R114.7K 7 6 1 U1B LM324 P4 100K C4 103 R41 4.7K R14 510 5 4 2 312 U7A 339 R15 12K R26 2K R21 2K +5V D2 ST106RGBX D1 ST106RGBX R4 220 R5 220 +5V +5V LDC RDC 图 3.4 计数及光谱信号整形电路 该模块信号调理部分大体分为两块：一块是比较计数，一块是光谱处 理电路，此部分电路如图 3.4。其中，两块共同点是信号同是出于红外接 收器，并且最终都和一个基准电压进行了比较，但是由于我们对信号要求 的精确度不一样：计数模块是把从红外接收传感器出来的电流信号经一电 阻转换成电压后直接与基准电压相 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 18 比较，而光谱模块则是将出来的电流信号经过一个可调增益的积分器转换 成电压后再与基准电压相比较。这样做的好处是显而易见的：通过积分器 后大大提高了信号的抗干扰能力12，降低了随机干扰引起的误动作。 与荧光检测部分不同的是，荧光检测利用的是荧光反射效应，而光谱 信号利用的则是红外透射效应。当没有钞票通过时，红外发射管发射的红 外线会被安放在下方的红外接受管所接收，接收管导通并有一定的电流通 过。当有钞票通过时，红外发射管的光线被部分遮挡住，所以流经接收管 的电流会变小，此时计数部分感知电流变化引起比较器输入电压变化而导 致比较器翻转，从而告诉 CPU 钞票已经到了；同时这路电流信号会经过 可调增益的积分电路进行 I/V 转换，转换出来的电压能很好地反映出钞票 的透光率，根据此电压就可以确定走钞有没有重张。下面的就是经过转换 的光谱信号与一基准电压进行比较的电路，此两路比较器的输出 AS1、AS2 会告知控制器光谱有没有异常。 R27 10K R29 4.7K R30 2K R31 2K R32 1K R33 1K LGP RGP +5V 11 10 13 U7D 339 9 8 14 U7C 339 AS1 AS2 图 3.5 光谱信号比较电路 3.5 码盘检测模块码盘检测模块 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 19 3.5.1 码盘的提出码盘的提出 在点钞机中，码盘也叫光盘，是点钞机中用来将旋转角度转化成脉冲 信号以用来测量长度的器件，其的结构与机械鼠标的光轮类似。我们知道， 由于机械结构的原因，钞票在从入钞口进入点钞机到从出钞口出来这一过 程中所受的阻力会很不均匀，新旧不同的钞票所受的阻力也不相同，由此 导致了钞票在运行过程中的速度不是均匀的，因而我们不能用钞票在里面 行走的时间作为分度来确定信号采集的频率或衡量钞票的宽度。码盘的出 现正好解决了这个问题：当钞票行走到计数光谱传感部分时，与码盘同轴 的橡胶轮将钞票加住，这样不论钞票行走速度是快还是慢，由于橡胶轮的 直径是一定的，所以每一个码盘脉冲所对应的钞票宽度也是一定的。这样 我们就可以用码盘脉冲作为分度来确定信号采集的频率或衡量钞票的宽度。 3.5.2 码盘信号的处理及倍频码盘信号的处理及倍频 R74 220 R76 330K R77 100K R78 4.7K 11 10 13 U8D CA339 Q15 R75 510 +5V D24 ST106RGBX +5V R79 5K R80 220 R81 3K R82 1.6K R83 1.2K C33 103 C34 104 C35 203 C36 104 Q17 9013 Q16 9013 +5V MC C32 105 图 3.6 码盘倍频电路 码盘其实是用光盘把滚轮角度转换成了脉冲个数，从码盘出来的脉冲 信号可以作为钞票运行距离的度量单位。由于红外信号极易受到干扰，并 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 20 且钞票运行速度比较快，干扰比较多，所以从码盘出来的信号幅值上不均 匀，并且带有高频干扰，所以我们首先对它进行了电平切割和低通滤波(如 图 3.6)。 由于受到机械尺寸的限制，码盘的精度会受到些限制，因此很难从增 加码盘齿数来增加旋转一定角度所产生的码盘脉冲数，即不能只从码盘的 原始脉冲上追求达到多高的精度，这就使以码盘脉冲数位单位的采集精度 受到了限制。如何能在不改变码盘现有尺寸及齿数的前提下实现高精度的 信息采集已经成为问题的关键。如何能够从硬件电路上进行一些弥补将会 起到事半功倍的效果？我们想到了倍频。考虑到成本及实现过程的难易， 选择了最常用的电子器件：电阻电容和三极管。如上图所示，经 CA339 的电压信号接三极管 Q1 的输入端，由 Q1 构成了一交流负反馈电路并且 通过电容耦合到 Q2 的输入端。根据电容的相位滞后及延时效应，当脉冲 信号到来时上升沿和下降沿都能触发一次此电路的翻转，从而实现了频率 信号的加倍13。由于此电路只能对某一特定的频率实现倍频，所以当输入 信号的频率发生变化时需要仔细调整时间常数便可以实现较好的倍频。 3.6 磁性检测模块磁性检测模块 基于人民币磁性油墨的防伪措施，真币用磁性油墨印刷，而而磁性鉴 伪就是利用这种特征，当票面经过磁阻型传感器探头时，产生相应的磁通 量的变化，致使磁敏电阻值随之变化。磁性信号调理电路就会将电阻值转 变会将变化成电压信号进行一系列处理后送给单片机进行真伪的判别。 我们在处理磁性信号时常常要用到电桥，其原理是根据有钞票通过磁 敏电阻组成的电桥时会导致电桥输出差动信号，该差动信号经电桥后级的 滤波、放大和比较电路后，对这些信号进行切割就会发现一些规律，图 3.7 和图 3.8 分别是有无磁性油墨的波形分析。 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 21 图 3.7 有磁性油墨通过时的波形14 图 3.8 无磁性油墨通过时的波形14 图3.9是基于磁敏传感器输出信号的低噪声信号处理电路的磁信号处理 通道原理框图14，该电路是基于脉冲计数方式获取磁性油墨信号的。 整个电路由传感器工作电压恒压源、磁敏传感器电桥差动输入低噪声 放大器、二阶带通滤波器、信号倍率电路、比较器和自适应比较电平及单 片机接口组成。其中，磁敏传感器 图 3.9 磁信号处理通道原理框图 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 22 电桥差动输入低噪声放大器用来滤除由电源来的纹波和高频噪声，提高电 路的信噪比。二阶带通滤波器的通频带是根据点钞机输送钞票的速度及钞 票上磁性油墨图文的密度决定的。磁信号倍率电路即为小信号整流电路， 用于滤除滤波器通频带内无法靠滤波器解决的电机电源来的干扰。自适应 比较电平是一种根据噪声电平来确定比较电平的方法。 有源带通滤波器的通频带是根据点钞机输送钞票的速度及钞票上磁性 油墨图文的密度决定的。首先根据工频干扰电源纹波的要求确定滤波器的 低端截止频率15： 2= 100Hz， 取 = 120 Hz，则 L f AC f L f (3.2) MH NVf 2 其中：V点钞机的点钞速度(张/秒)，N M 每张钞票上产生的 磁脉冲个数。对卧式点钞，若V = 20 张/秒，N M 在10 40 之间，则： = = 22040= 1.6k(Hz) H f M NV 2 图3.10磁阻传感器的二阶有源带通滤波器的电原理图10。为同相比 o U 例运算电路的输入，比例系数 (3.3) 44 1 R R U U A f p o uf 当C7=C7=C，R44=R，R46=2R时，电路的传递函数 (3.4) 2 )()(31 )()( sRCsRCsA sRC sAsA uf ufu 令中心频率，可求得下限截止频率和上限截止频率 RC f 2 1 0 1p f 分别为 2p f 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 23 (3.5) ufufp AA f f343 2 2 0 1 (3.6) ufufp AA f f343 2 2 0 2 因此，可以通过不同的比例系数来改变下限截止频率和上限截止频率， 由此可以调整通频带。对此电路参数稍加调整便可以用在其他信号的滤波。 R48 5.1K R49 3.9K R50 3.6K R51 5.1K +5V Rf 5.1K R45 5.1K R47 47K R46 5.1K C7 204 R44 10K C8 104 12 3 R43 BS05N1HG +5V 5 6 7 U8B 3393 2 1 411 U1A LM324 +5V MG Ui(s) Uo (s) 图 3.10 二阶有源带通滤波器 3.7 电机控制模块电机控制模块 电机驱动模块主要是用来控制点钞过程中电机的运行和停止。由于电 机运行所需功率比较大，普通 5V 电源难以实现如此大功率的输出，因此 采用了 12V 电源来控制电机，并且采用光电隔离。在电机驱动控制方面有 几种方案比较常用：固态继电器 SSR、MOSFET、电磁继点器和可控硅。 一般说来，固态继电器 SSR 本身采用了光电隔离技术，具有很高的开关速 度，但是其接通电阻一般比较大，并且有漏电流；MOSFET15虽然开关速 度比较高，并且具有大电压和大电流驱动能力，但是它有一个很大的缺陷 山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计 99 24 就是抗静电特性不好，甚至焊接时稍不注意就会损坏；电磁继电器16的接 通电阻极小，断开电阻很大，具有大电压和大电流驱动能力，它的