電子式金屬硬幣分揀裝置

李晶，翟艷男，金美善，陳大川

（空軍航空大學，吉林長春，130021）

0 引言

本文研究內容為簡易電子硬幣設別裝置，本系統采用多高度滑軌連通的方法進行硬幣的識別。滑軌以及上方不同高度的金屬片在硬幣劃過時接通電路，使得不同的二極管發光，來達到識別不同硬幣的目的：由于各種硬幣的重量不同，因此，本系統采用稱重的方法進行硬幣計數，由此可知稱重系統以及A/D轉換器是本次課題的主要核心，只有達到足夠準確的精度才能正確實現人民幣硬幣識別和計算功能。本系統主要由電源供電部分、硬幣識別部分、硬幣分離部分、電阻應變式傳感器組成的稱重部分、進行數據采集的A/D轉換部分、外部按鍵控制部分、單片機以及LCD液晶顯示部分組成。用A/D轉換器讀取由電阻應變式傳感器傳出的模擬量，再由單片機讀取經過A/D轉換后的數字量，CPU進行運算和處理就可達到要求。

1 系統方案

1.1 硬幣識別方案選擇與論證

方案一：多道金屬片并行式識別裝置

多道并行是指在特定的一段導軌的上方安裝多條不同高度的金屬片，當硬幣劃過時，在硬幣直徑高度一下的電路全部接通，二極管發光，通過判斷發光二極管的個數來識別為何種硬幣。優點：結果直觀，識別速度快。缺點：加工難度大，在硬幣的滑行過程中容易發生接觸不良使結果出現誤差。

方案二：單軌縱向分布式識別裝置

單軌縱向是指在不同段的導軌的上方各安裝一條高度不同的金屬片，當硬幣劃過時，只有一條硬幣直徑高度下的電路接通，二極管發光，通過判斷哪個發光二極管的來識別為何種硬幣。優點：加工簡單，不會出現加工不良的問題。

綜合兩種方案的分析比較，單軌縱向分布式識別裝置能較好的完成實驗所需的目標，故使用方案二。

1.2 硬幣分揀方案選擇與論證

方案一：孔篩式硬幣分揀裝置

孔篩式硬幣分揀是指在滑軌上安裝不同高度的擋片，使得其只允許低于它高度的硬幣通過，高于其高度的硬幣被導向另一邊收集。優點：原理簡易，加工簡單，實現容易，不易出錯。

方案二：撥片式硬幣分揀裝置

撥片式硬幣分揀是指在滑軌上不同地方安裝不同高度的撥片，當硬幣碰到撥片時，硬幣的一端會沿著撥片的上揚而翹起，從而打亂硬幣的平衡使其從側面滾落下來。優點：結構精巧，創新性高。缺點：安裝、加工不易，容易出現誤差。

1.3 重量檢測方案選擇與論證

方案一：壓電效應的重力傳感器

基于壓電效應的傳感器的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路的放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差。

方案二：電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器是將電阻應變片粘貼在彈性體上，當彈性體受外力（拉力或壓力）作用產生形變時，傳感器將該形變轉化成電量輸出，通過相應的測量儀表檢測出這個與外加重量成一定比例關系的電量，從而測出質量。電阻應變式傳感器的優點是精度高，測量范圍廣壽命長,結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。

綜合兩種方案的分析與比較，電阻應變式傳感器可以達到精確測量，搭建電路簡單，容易掌握與使用，價格相對便宜等等，所以選擇方案二。

1.4 A/D轉換方案選擇與論證

方案一：外搭A/D電路

A/D轉換可以選用A/D合成芯片或是根據A/D轉換器的原理自行搭建A/D轉換系統。自搭A/D轉換電路難度較高，不易搭建。且焊接時占用電路板面積大，不美觀。需要的人為操作過多，更加容易出現錯誤。

方案二：集成A/D轉換器

使用集成的A/D轉換器，可以大量減少人為操作，不易損壞，搭建方便。集成A/D轉換器HX711是一款專為高精度電子稱而設計的24位A/D轉換器芯片，分辨率大，精度高，響應速度快，抗干擾性能高。HX711自帶低噪聲可編程放大器，通道A的可編程增益為128或64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為+-20mV或+-40mV。通道B則為固定的32增益，減少了對信號放大電路的設計，對本次設計更為有利。

綜合兩種方案的分析與比較，集成A/D轉換器更加貼合我們的需求，因此選用集成A/D轉換器HX711作為本設計的A/D轉換器。

2 系統理論分析與計算

2.1 電阻應變式重量檢測原理

圖中R1、R2、R3、R4為4個應變片電阻，組成了橋式測量電路，e為電源電壓，V為信號電壓。當應變片受到力的變化時，電阻R1、R2、R3、R4變成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4，電橋的輸出電壓變為：V=kF。其中V為電橋的輸出電壓，k為系數，F為力的大小。

2.2 A/D轉化器原理

由于設計的要求，我們選擇設計的增益倍數為128倍。HX711有32、64、128三種增益可供選擇，但是由于傳感器的輸出信號較小，若選擇較小的增益可能最后精度達不到要求。雖然增益越高帶來的噪聲比越大，但是HX711的特點有低噪聲，影響不大。因此選用128倍的增益。HX711的輸出數據速率有10Hz和80Hz。由于10Hz速率的精度要高于80Hz，且本設計需要較高的精度，所以選用10Hz的數據輸出速率。同時HX711是一款專為高精度電子稱而設計的24位A/D轉換器芯片，其分辨率可以達到224=16777216，完全可以完成本次設計。

圖2 電阻應變式傳感器內部結構

3 程序功能描述與設計思路

3.1 程序功能描述與設計思路

以單片機作為主要的控制器件進行任務分配。當滑軌與金屬板連通后，電路接通，二極管發光，蜂鳴器報警。硬幣通過撥片裝置后滑落到相應的電橋上，當所有硬幣分離后，開始稱重。當電阻應變式傳感器檢測到力的變化時，將微弱的電信號傳到A/D轉化器HX711，HX711通過信號放大等一系列動作，將模擬量轉化成數字量送往單片機。芯片的串口數據輸出端接在單片機的外部中斷0即P3.2口。單片機的1,2,3引腳，即P1.0,P1.1,P1.2口，控制LCD液晶顯示屏，分別與12864的片選信號輸入，串行數據輸入，使能信號相連。單片機P2口的第四位接四個按鍵，用來控制模式的選擇，上下移動以及確認。

圖3 識別分揀流程圖

3.2 主程序流程圖

如圖3所示。

4 測試結果及分析

在本此設計完成后，我們進行了大量實驗來驗證，對基本要求和發揮部分內的各項進行了逐一實驗，并達到了滿意的要求。

表1 具體測試結果