毕业设计（论文）智能点钞机系统设计

学 士 学 位 论 文智能点钞机系统设计作者姓名： 导师姓名： 专业名称：生物医学工程 所在学院：信息与电气工程学院 山 东 科 技 大 学2006年6月16日山东科技大学学士学位论文 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: 点钞机 鉴伪 PIC16F917 ABSTRACTThis 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1绪论11.1点钞机行业现状11.2点钞机行业发展方向22点钞机系统概述42.1方案论证42.2系统简介42.3 荧光检测62.4 磁性检测72.5 红外水印区检测82.6光谱检测93系统硬件电路设计113.1主控制部分113.2落钞检测模块133.3荧光检测模块153.4计数及光谱检测模块163.5码盘检测模块173.6磁性检测模块193.7电机控制模块223.8键盘显示模块234软件设计264.1软件设计流程264.2时间触发嵌入式系统284.3软件滤波305系统机械结构346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1绪论1.1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。378山东科技大学学士学位论文 点钞机系统概述2 点钞机系统概述2.1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。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。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。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和存在如下关系，即： (2.1)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，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)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。 8978山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计3 系统硬件电路设计3.1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：l 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU；l 宽工作电压：5.5V3.4V(5V型单片机)/3.8V2.0V(3V型单片机)；l 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；l 用户应用程序空间：4K/8K/16K/16K/20K/32K/64K字节；l 片上集成512字节/1280字节RAM；l 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；l EEPROM功能；l 看门狗；l 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；l 3个16位定时器；l 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。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）根据已知电流电阻可以将最小限流电阻求出来：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。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196 Hz。3.3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。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。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。图3.5光谱信号比较电路3.5 码盘检测模块3.5.1 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。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。图3.9磁信号处理通道原理框图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 (3.2)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)图3.10磁阻传感器的二阶有源带通滤波器的电原理图10。为同相比例运算电路的输入，比例系数 (3.3)当C7=C7=C，R44=R，R46=2R时，电路的传递函数 (3.4)令中心频率，可求得下限截止频率和上限截止频率分别为 (3.5) (3.6)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。图3.10 二阶有源带通滤波器3.7 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，它的缺点是触点打开或合上时存在抖动现象，触点寿命比半导体低，开关导通和关断时间比较长，它还有一个致命是触点处会产生电弧；可控硅的开启速度和MOSFET管一样快，关断时间也只需0.5微秒，并且可控硅的工作电压范围很宽，可以用于大电压和大电流的驱动，其性价比也是比较高的，我们选择了可控硅作为电机驱动器可控硅来实现对电机的控制。图3.11电机驱动电路电机本身是个感性负载，在启动和停止时会产生很大的瞬间高电压和电流，如果处理不当很有可能损坏驱动器甚至对控制器产生影响，考虑到这些，我们在电机两侧接了一个大功率二极管用来吸收瞬间高压和电流，这样电机驱动模块故障率大为降低。3.8 键盘显示模块键盘和显示模块是直接跟用户打交道的，用的非常多，所以在保证界面友好的前提下应该尽量降低其成本，而在此款相对低档的机型上面非常好的体现了上述设计宗旨。整个键盘和显示部分只用了两颗芯片74LS164和74LS138就实现了6位七段LED显示驱动和七个按键的键状态监测。利用164来送显示段码，138来选通相应的数码管，同时也进行一个与选通数码管相连的按键的扫描。此设计在节约硬件的同时不可避免地增加了软件的开销，因为显示部分是动态的，必须不断定时刷新。然而从节约产品硬件成本上来看，这无疑是一种非常好的方案。图3.11键盘显示电路3.8.1键盘部分 利用74HC138扫描五个按键的状态，74HC138的输出端口,依次扫描各个按键。 当P0.3（接74HC138的E3）为1时，P2口4/5/6位输出某控制数，即74HC138输入该控制数，进行对某一个键的控制，此时判断P0.2位的状态，若为“1”则表示该按键没有被按下，若为“0”则表示该按键被按下。判断方便，设计巧妙。3.8.2 LED显示部分 借助扫描按键的74HC138，同时控制六位LED数码管的显示，74HC138的输出端口,依次控制各个数码管。 当74HC138的输出端口Y0为0时（低电平），经过三极管9012（PNP型）驱动，使G0处于低电平，此时，74LS164输入的数据可以在对应的G0控制的LED上显示，反之不显示。74HC138其他输出端口的应用，与此相同。3.8.3 发光二极管部分 74HC138的输出端口G6与74LS164的输出信号共同控制代表ADD、UV等的发光二极管。 当74HC138的输出端口Y6为0时（低电平），经过三极管9012（PNP型）驱动，使G0处于低电平，此时,若74LS164的QB数据为高电平，则发光二极管点亮，反之不亮。山东科技大学学士学位论文 软件设计4 软件设计4.1软件设计流程就软件系统而言，流程是软件设计中首要考虑的部分，根据软件要实现的功能，将这些功能模块抽象成逻辑关系，进一步转化成流程图17。一个设计得好的软件系统应该是可直接实现和易于维护、易懂和可靠的。流程图主要是指表述工作流程的框图，它能以图形方式有条理地表达工作流程。对点钞机系统而言，从它的工作过程抽象出来各种逻辑关系便可以得到流程图，但是有一点一定要注意，就是不要设计太详细的流程图，因为这种涉及了太多的细节的流程图会变得十分庞杂，失去了画流程图的本意。系统的软件主要由初始化及自检程序、监控程序、键盘/显示程序、电机驱动程序、出错处理程序和数据处理程序等部分组成。由于高可靠性、多功能的要求，设计的软件不仅要能同时处理多种突发事件，还要能及时有效地响应，也就是具有实时多任务处理的能力，同时还进行了冗余设计、软件陷阱等抗干扰措施。从流程图的表述上我们综合考虑到了流程图的复杂程度及其对编程的指导作用，接近于编程语言的流程图，不适用于系统设计的描述和表达；概括性太强的流程图对编程起不到指导作用。点钞机程序的主流程图如图图4.1所示。在流程图中，诸如初始化，开机自检等程序大多属于一个单独的模块来设计的，和程序中其他部分的耦合性不强，所以在实际设计中作为一个单独的模块来设计，因此在流程图中对这一模块一笔带过。而像钞票的异常处理与键盘设定及开机停机之间的逻辑关系则是比较复杂的，所以要对这些做详细的描述，各模块详细流程图见附录二。图4.1 主流程图4.2时间触发嵌入式系统4.2.1实时多任务处理原理把应用软件按所完成的操作功能，分成一个个独立的、但可以并行运行的任务。这样，整个应用软件由各任务组成，便于设计、调试分别进行，修改也要修改个别任务即可。由于任务有多个，CPU只有一个，并且各个任务之间存在必然的横向联系，因此设计一个任务调度中心来管理这些任务，为其分配资源，协调操作，处理他们之间的横向联系，来完成实时多任务的功能18。4.2.2常规软件用于实时多任务处理的局限性本仪器要求软件有较强的实时能力，具有综合测试与判断、处理的管理能力，即具有实时多任务处理功能。实时处理指在每一次计测时限内，除了对钞票张数作出正确的计数外，还应能对启动或停止要求、用户的键盘操作于预、钞票的状态正确与否等多个任务作出必要的响应；多任务处理则是指根据上述任务的预定优先处理级别进行分时处理（多个任务的并行处理）。一般的单片机应用系统多采用常规的顺序（单道程序）加中断的设计方法，实验证明在本系统中很难实现实时多操作的并行处理。本系统设计初考虑采用中断，但首先遇到中断不够用的问题，扩充中断时又碰到堆栈的限制同时要求在工作中，多个任务具有相同的优先级别，这在单片机中断中不可能实现的。中断是一个比较复杂的过程，必须对中断申请、中断响应、转入中断服务程序，以及从中断服务程序返回等作出安排，这样就降低了实时性，中断程序若过长，则需要较长的CPU执行时间，这样实时性更差。因此若用中断来完成实时多任务处理，则在处理高级中断时无法响应同级或低级中断，若采用中断置标志的方法由主程序处理。则将增加程序的复杂性，且难以实现实时处理，主程序不可能在执行其它程序时随时去检查这些标志位而转向不同的处理程序。在并行操作时，各任务间还需相互通讯，使用大量的中断和标志使程序结构混乱，设计、调试复杂化，灵活和通用性变差。因此在本系统应用软件设计时，借鉴实时多任务操作系统19的概念和原理，设计了一个“任务调度中心”，应用软件标志简捷地实现了实时多任务的操作。4.2.3用单片机实现任务调度4.2.3.1软件标志的使用单片机有丰富的位操作指令和位存储资源，内部RAM中以及特殊功能寄存器中地址为8的倍数的特殊功能寄存器可以位寻址，这些RAM单元的每一位都可以用来作为软件标志用。软件设计中正确使用软件标志，首先要对全局变量和局部变量的使用范围和意义仔细定义，再对每一个具体的充当软件标志的位资源分别进行详细记录和说明。软件设计好后，应对每一个软件标志进行严格审查，初始化状态正确与否，在定义范围之外有否被无意中清除或置位等。4.2.3.2任务调度中心的实现任务调度中心的功能是从所有处于预备态的任务中选择一个任务投入运行，本软件采用优先级调度算法，任务共有五个优先级，用五个位单元来代表五个优先数，位单元地址越大优先级越高，任务调度中心把所有预备任务按优先数排入五个预备队列，工作中先根据软件标志选择优先级别最高的任务运行，任务调度中心根据软件标志来管理各个任务的运行。在实时多任务操作中，每个任务有三种状态，即执行态、预备态和等待态，一个任务总是处于这三种状态之一。执行态可独占CPU和其他一些资源，每次只能有一个任务处于执行态；预备态就是该任务现在已经准备好可以随时投入执行，但由于其他任务在执行，故它只能排队等候；等待态就是该任务需要等待某些资源或某个事件的发生，这时它无法被执行，而处于等待状态，只有当条件满足后，才能进入执行态或预备态，任务的状态转换。实时系统中运行多任务，每个任务的三个状态之间的转换由操作系统通过实时时钟来完成，即每隔一定时间执行一次各个任务的操作。在本仪器中有些任务属于突发事件，并没必要定时激活使之处于执行态。再加上定时时钟的加入，在一定程度上降低了某些任务的实时性，因此采用了“任务调度中心”结合软件标志来实现实时多任务的操作，将软件的顺序结构改为丛状结构。4.3软件滤波4.3.1 为什么要软件滤波滤波和抗干扰是任何系统设计都必须考虑的问题。在传统的应用系统中，滤波部分往往要占用较多的软件资源和硬件资源。单片机应用系统的输入信号常含有种种噪声和干扰，它们来自被测信号源、传感器、外界干扰源等。为了提高测量和控制精度，必须消除信号中的噪声和干扰。常见的噪声有两大类：一类为周期性的；另一类为不规则的。前者的典型代表为50Hz的工频干扰，一般采用硬件滤波，使用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A/D转换器，可有效地消除其对信号的影响。后者为随机信号，它不是周期信号，可用数字滤波方法予以消弱或滤除。所谓数字滤波，实际上就是一种软件滤波20。硬件滤波具有效率高的优点，但要增加系统的投资和设备的体积，当干扰的性质改变时我们往往不得不重新搭接电路；软件滤波是用程序实现的，不需要增加设备，故投资少、可靠性高、稳定性好，并且可以对频率很低的信号实行滤波，随着干扰的性质改变只需修改软件即可，具有灵活、方便、功能强的优点。4.3.1 本设计中用到的几种滤波算法在检测磁性信号时，点钞机很难避免外界的干扰。例如，手机的电磁干扰，照明灯具的启动干扰，这都将给点钞机采集的磁性号带来干扰，也必然影响我们准确分版和鉴伪。这时就需要我们在采集磁信号的同时，滤除噪声。下面介绍常用的几种软件滤波方法21。1、 限幅滤波法（又称程序判断滤波法）首先根据被测对象的特点及测量经验，设定两次采样允许的最大偏差量X，再由两次相邻采样值X(n-1)、X(n)，求其增量X(n)-X(n-1)，根据程序判断：若X(n)-X(n-1)X，则说明本次采样输入信号有干扰存在，应去掉，取上次采样值X(n-1)作为本次有效采样值；若X(n)-X(n-1)X，则本次采样值X(n)有效。相关程序如下。PUSHPSW；保护现场PUSHA CLRC；进位标志位清零MOVDATA,DATA2 MOVA,DATA1SUBBA,DATA；求Xn-1 -XnJNC COMPARE；如果Xn-1 -Xn0,转COMPARECPLA；如果Xn-1 -Xny,DATA1DATAOVER:POPA；恢复现场 POPPSWRET；返回限幅滤波法主要用于处理变化缓慢的数据测量中，比如温度参数的测量、液位参数的测量等。而此方法的关键是选取合适的偏差量X，太大则达不到滤波目的；太小则灵敏度太高。它的选取可以根据测量对象的实际情况和测量经验决定，而且在应用中可以采用不同的值进行比较、折衷。这种方法的突出优点是：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但是它无法抑制那种周期性的干扰，滤波的平滑度差。2、算术平均滤波法具体方法是：连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4。设对某量进行了n次等精度观测，观测值分别为，k1,k2,kn，其算术平均值为： (4.1)此方法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。此方法的缺点就是对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，并且比较浪费RAM。3、加权递推平均滤波法此种方法比较灵活，可以对不同时刻