基于STM32與電渦流傳感器的硬幣盲盒識(shí)別系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：硬幣識(shí)別；光電開關(guān)傳感器；電渦流檢測(cè)法；自學(xué)習(xí)；最小系統(tǒng)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，硬幣在生活中愈發(fā)重要，面對(duì)硬幣巨大的流通使用以及銀行等特殊行業(yè)需要統(tǒng)一高效對(duì)數(shù)量龐大的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)、分類、包裝等，傳統(tǒng)人工處理存在著勞動(dòng)量大、效率相對(duì)低下、處理精度差等問題[1-2]。一些無(wú)人售賣機(jī)也需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種硬幣組合的識(shí)別清分，目前市面上大部分的無(wú)人售賣機(jī)依然只針對(duì)同一種類的貨幣對(duì)應(yīng)一個(gè)投幣渠道。針對(duì)目前硬幣識(shí)別系統(tǒng)存在的缺陷，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和貨幣特點(diǎn)，從精準(zhǔn)識(shí)別、成本控制等多方面出發(fā)，本文采用STM32結(jié)合多傳感器實(shí)現(xiàn)盲盒中硬幣類別的自主識(shí)別。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

硬幣盲盒識(shí)別系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、光電開關(guān)傳感模塊、電渦流傳感模塊及OLED顯示模塊等部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框如圖1所示。系統(tǒng)由STM32主控模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的變換、編輯和存儲(chǔ)等處理，通過渦流傳感器模塊完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域中的硬幣特征值感知；光電開關(guān)傳感模塊完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域中的盲盒進(jìn)行光學(xué)判別，判斷有無(wú)盲盒；OLED顯示模塊完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域盲盒和硬幣情況的實(shí)時(shí)文字形式顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。按鍵輸入可實(shí)現(xiàn)在不同情景系統(tǒng)學(xué)習(xí)記憶新出現(xiàn)幣種的各種特征，提高系統(tǒng)識(shí)別魯棒性和實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能。

系統(tǒng)整體實(shí)物電路連接方式如圖2所示。包括單片機(jī)開發(fā)板、電渦流傳感器、光電開關(guān)傳感器、OLED 顯示屏，該系統(tǒng)具備小巧、低功耗等優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)

STM32F103x8其內(nèi)核為ARM 32位的Cortex-M3CPU處理器，擁有最高72MHz工作頻率，還有極高的運(yùn)算能力和中斷響應(yīng)能力，具有性能高、速度快、功率小、性價(jià)比高、可調(diào)試、支持?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換、開發(fā)方便、現(xiàn)場(chǎng)編程等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)效率高、功耗降低、可拓展性好[3]。圖3 是STM32F103x8 最小系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的STC89C52相比具有更快的運(yùn)算能力，使用性能更高，功耗更小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電渦流傳感器

此硬幣盲盒識(shí)別系統(tǒng)選擇電渦流傳感器作為主體傳感部分。目前主流的對(duì)硬幣行為進(jìn)行識(shí)別的有效方法有圖像對(duì)比識(shí)別法、稱重法和渦流傳感檢測(cè)法。渦流傳感檢測(cè)具有無(wú)須接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)有效、易做到實(shí)時(shí)性連續(xù)測(cè)量、抗干擾性強(qiáng)。對(duì)于臟污幣、造假幣、非電感材質(zhì)填充物等干擾因素都能做到有效且正確的檢測(cè)[4]。

電渦流傳感器基于電渦流效應(yīng)利用磁路磁阻變化引起傳感線圈電磁感應(yīng)的變化來(lái)檢測(cè)非電量裝置。當(dāng)電流通過電渦流傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周圍的電磁場(chǎng)。導(dǎo)體通過變化的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電渦流，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)，與傳感器磁場(chǎng)方向相反。這兩者相互作用，導(dǎo)致電感量產(chǎn)生變化。不同硬幣具有不同的硬度、面值、大小和密度，因此具有不同的磁導(dǎo)率，從而引起不同程度的電感量變化。這些信號(hào)的變化量運(yùn)算放大電路之后傳輸給主控模塊，再通過與主控模塊中存儲(chǔ)器中對(duì)幣種的預(yù)設(shè)范圍進(jìn)行對(duì)比實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分功能[5]。電渦流傳感器的電路圖如圖4所示。

運(yùn)算放大電路采用LM358的設(shè)計(jì)電路。該電路使用了常用的低功率雙運(yùn)算放大器LM358，其內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，專門設(shè)計(jì)用于在寬電壓范圍內(nèi)由單電源供電。其電源電壓范圍適用廣泛，可在單電源模式和雙電源模式下工作。在適合的工作條件下，其電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。該器件的應(yīng)用范圍涵蓋傳感放大器、直流增益模組、工業(yè)控制、DC增益部件以及其余需要單電源供電的運(yùn)算放大器應(yīng)用場(chǎng)合。LM358有內(nèi)部頻率補(bǔ)償、低輸入偏流、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流、直流電壓增益高（約100dB）、單位增益頻帶寬（約1MHz）、低功耗電流，適合于電池供電等特性[6]。LM358的引腳圖及引腳功能如圖5所示。內(nèi)部電路原理圖如圖6所示。

2.3 OLED 顯示模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域盲盒和硬幣情況的實(shí)時(shí)文字形式顯示。本系統(tǒng)采用了IIC 接口的OLED 顯示屏。OLED在正常通電下即可實(shí)現(xiàn)發(fā)光。OLED液晶屏的尺寸和厚度較薄，外觀結(jié)構(gòu)尺寸約為L(zhǎng)CD1602的一半，但其可以獨(dú)立顯示內(nèi)容。通過修改顯示單元寄存器上的地址，可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)部分背光點(diǎn)亮，從而具有更優(yōu)秀的節(jié)能特性。此外，像素點(diǎn)顏色切換時(shí)間即灰階響應(yīng)時(shí)間極短，畫面切換和變更時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的拖影[7]。

OLED使用前須進(jìn)行初始化，然后設(shè)置顯示的字符串即可控制顯示屏顯示預(yù)期結(jié)果。此顯示屏內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了英文字母、數(shù)字以及圖形等原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用庫(kù)中數(shù)值即可對(duì)顯示屏進(jìn)行編輯。但對(duì)于實(shí)現(xiàn)中文文字顯示需要借助取模工具，通過取模工具輸入文字獲得字符像素位置，添加在數(shù)據(jù)庫(kù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7為IIC接口的OLED液晶顯示屏的電路原理圖。

2.4 光電開關(guān)傳感模塊

本系統(tǒng)對(duì)于視覺方面需求不高，使用光電開關(guān)傳感即可滿足功能需求，為使降低功耗，采用 E18- D80NK光電傳感器。E18-D80NK光電傳感器可以發(fā)射和接收脈沖，常用于測(cè)量距離，檢測(cè)物體的顏色和形狀等。其通過發(fā)射光束進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以檢測(cè)距離、色彩、形狀等信息，并將該信號(hào)送至STM32內(nèi)計(jì)數(shù)[8]。圖8為光電傳感器實(shí)物圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目借助采用C語(yǔ)言編程，Keil uVision5開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。硬幣盲盒識(shí)別系統(tǒng)的具體流程為：當(dāng)硬幣盲盒放入待檢測(cè)區(qū)域時(shí)，光電開關(guān)傳感檢測(cè)到盲盒的存在，此時(shí)OLED屏幕顯示有盲盒字樣，主控模塊開始識(shí)別盲盒里的硬幣，通過連續(xù)重復(fù)多次采集再變換的數(shù)值與預(yù)設(shè)值范圍進(jìn)行對(duì)較，辨別幣種真?zhèn)?，若為真幣，OLED顯示模塊會(huì)顯示待測(cè)區(qū)域內(nèi)的詳細(xì)硬幣種類和數(shù)目。若是新幣種，可通過按鍵操作使系統(tǒng)進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，學(xué)習(xí)新的預(yù)設(shè)值范圍并保存于存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 程序調(diào)試

該程序采用軟硬件結(jié)合通過KeilV5進(jìn)行的方式，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試并進(jìn)行參數(shù)調(diào)試和分析。隨后，整合各個(gè)模塊，完成功能和性能調(diào)試。在確認(rèn)各模塊的供電電壓是否正常的同時(shí)檢測(cè)異常情況。若發(fā)現(xiàn)異常，需要進(jìn)行原因分析。編譯簡(jiǎn)單的程序進(jìn)行單項(xiàng)功能的確認(rèn)，例如驗(yàn)證光電傳感模塊是否正常工作，確認(rèn)是否按預(yù)期進(jìn)行盲盒識(shí)別，預(yù)設(shè)的字符是否在液晶屏幕進(jìn)行正常顯示等。對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行逐個(gè)調(diào)試，具體可參考表1。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上文原理分析和介紹，我們基于硬幣盲盒識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)1元、5角、1角硬幣單獨(dú)放置及其組合進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試。

測(cè)量條件：在線圈上放置一個(gè)大小適當(dāng)?shù)拿ず欣锩娣胖么郎y(cè)硬幣，使線圈和硬幣之間保持1mm間距。同時(shí)，在線圈上做好標(biāo)記使得每一次放置硬幣的位置相同。

測(cè)量方法：首先進(jìn)入識(shí)別分析模式，每一種硬幣選出8枚（每種硬幣的年份不同），每枚硬幣隨機(jī)檢測(cè)200次，再將硬幣進(jìn)行隨機(jī)分組測(cè)試。然后通過寫入的學(xué)習(xí)模式將不同硬幣組合的特征值范圍記錄并保存下來(lái)，測(cè)試過程樣圖如圖10所示。

首先為單個(gè)硬幣的保存識(shí)別中特征值的記錄表。無(wú)盲盒狀態(tài)下初始特征值為4299，當(dāng)放置硬幣盲盒時(shí)特征值會(huì)減少，減少程度隨著硬幣組合的不同而不同。初步數(shù)據(jù)表如表2。其中文字組合先后順序表示硬幣的位置順序。如1元1角為1元在上方、1角在下方。

通過數(shù)據(jù)清洗和初步處理后的數(shù)據(jù)可以看出實(shí)際操作中會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)是由客觀和硬件因素引起的小幅度變化，此數(shù)據(jù)可以忽略，下面對(duì)處理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行深度挖掘可以得到不同組合對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值的均值，方差、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，數(shù)據(jù)挖掘效果如表3所示。

通過標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的計(jì)算可以看出每個(gè)硬幣組合的特征值大致處于某個(gè)小范圍波動(dòng)，若將以這個(gè)范圍作為硬幣種類的識(shí)別范圍，在進(jìn)行硬幣檢測(cè)時(shí)可以得到較為準(zhǔn)確的識(shí)別結(jié)果。接下來(lái)將這些特征范圍通過學(xué)習(xí)模式寫入記錄并保存下來(lái)，然后對(duì)這些硬幣種類若干枚硬幣進(jìn)行識(shí)別測(cè)試，每種硬幣類型有10個(gè)樣本，重復(fù)測(cè)試20次。對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、識(shí)別結(jié)果記錄以及識(shí)別正確率記錄，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，最終實(shí)驗(yàn)識(shí)別率最終都在92%以上，其中2種硬幣類型識(shí)別率達(dá)95%及以上，硬幣盲盒識(shí)別準(zhǔn)確率很高。后續(xù)將不斷優(yōu)化精度，使性能更好發(fā)揮。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可視化折線圖如圖11所示。

5 結(jié)論

本硬幣盲盒識(shí)別系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控，使用E18-D80NK光電開關(guān)傳感器、電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)硬幣盲盒特征值的采集。由OLED液晶屏系統(tǒng)展示當(dāng)前數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過硬件與軟件部分的設(shè)計(jì)與制作， 方法得當(dāng)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。該系統(tǒng)可以有效地識(shí)別大多數(shù)情況下的硬幣，在實(shí)際生活中具有重要意義。