本设计基于ARM内核的单片机STM32F4的高识别率硬币识别装置，主要应用于各公共营业场所，如各超市，自动售货机，公共交通等。它应该能完成一角（分新版旧版），五角，一元硬币的识别，并高效率筛选假币，游戏币并将识别情况实时显示等功能，同时具有精度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。
本文主要从硬件和软件两部分来设计整个系统和功能的实现。硬件方面：为满足对硬币高识别率的要求，采用8位单片机、电磁传感器、激光传感器、OLED。系统的核心是基于ARM内核的单片机STM32F4，以模块化的设计方法将装置的硬件按功能分为几大模块进行设计，分别为：电源模块、电磁传感器模块、激光传感器模块、显示模块、滤波放大模块、A/D转换、控制模块。电源模块为系统提供电源，电磁传感器形成涡流效应，实现对真假硬币的鉴别，激光传感器检测硬币的有无和硬币大小的直径信息，利用芯片内部A/D转换电路把模拟量转换成数字量，控制模块是利用舵机来控制对硬币的筛选，显示模块是将硬币真伪和交易过程和找零结果显示出来。
硬币检测识别原理
中国硬币体系及材质特性
硬币从性质上划分的话，可以分为三种类型，分别是：用于正常购买的数量较多的硬币；具有纪念意义，但是仍然可以进行购买作用的金属性硬币；还有一种就是只有纪念意义的贵重的金属性质的硬币。最后一种的发行量相对来说特别少，并且价格也超出其他种类很多，所以国家处于各种不同方面的思考，主要发行的就是最普通的性质的硬币，而这种性质的硬币，我国主要发行流通的有以下四种。
1、1955年开始铸造第一种的硬币，但是在1957年的12月1日才成功的在中国进行流通，硬币的材质是镁铝合金，外形是有锯齿的圆形硬币，面值根据当时社会的需求而定，分别是1分、2分、5分。
2、1980年开始铸造第二种的硬币，在1980年的12月1日才成功的的在中国进行流通，硬币的材质是铜、镍等有色金属，外形是有锯齿的圆形硬币，面值根据当时社会的需求而定，分别是1角、2角、5角。
3、1991年开始铸造第三种的硬币，后来在1992年的6月1日才成功投放到在中国市场进行流通，硬币的材质是黄铜合金、钢芯镀镍，外形是内部九边形的圆形硬币，面值根据当时社会的需求而定，分别是1角、2角、5角、1元。
4、1999年开始铸造第四种的硬币，此次铸造的硬币与以往的硬币有很大变化，在200年发行的硬币只有1元和1角的，而这两种硬币的发行银行、时间都在硬币的背面有所体现。比较有特点的是在2002年发行了5角的钢芯镀铜合金的间断带齿的硬币，看着工艺很精细，一种金灿灿的感觉，一起发行的1角的铝合金的边缘光滑的硬币非常轻盈。自2005年我国发行耐用的不锈钢1毛硬币进行流通使用。
电磁传感器工作原理
科技飞速发展的当今社会，电磁传感器应用极其广泛，甚至必不可少，它是通过电涡流效应，完成工作。它的优点是：组成相对简单，灵敏性高，应用广泛、不被其他物质影响等，所以传感器的设置被高度重视。现代社会中，关于宽度、长度、空间移动、摄氏度等等的数据测量都需要使用电磁传感器进行工作。
在最近的这几年时期中，电磁传感器在当今科学技术飞速提高的现代，已经成为了非常受欢迎的传感器，总体来说，利用采用电涡流效应是其操作时的原理。不仅具有搞的灵敏度广的频响范围和不会受到外界油污影响而且结构也相对简单。所以，该传感器己被广泛用于测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤等领域。
根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通φ变化率有关。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。
恒定磁通式磁电感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件，基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度，如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速；动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。
变磁通式磁电感应传感器中，线圈和磁铁都静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化，常用来测量旋转物体的角速度。
电磁传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。主要是针对测速齿轮而设计的发电型传感器，将被测量在导体中感生的磁通量变化，转换成输出信号变化。
图1 电磁传感器原理图
电磁传感器的原理图如图1所示。我们知道在磁场中运动的金属导体在其本身内部会形成闭合的电流现象就是涡流（电涡流）。之后，电涡流所能生成的另个交变磁场的作用是：阻止外磁场发生改变，但是，对于电涡流来说，正因为它的相位比较靠后，在平均角度方向上电涡流所产生的磁场，它的作用是：阻止产生外磁场。根据能量守恒角度分析，被测导体中是可以产生电涡流损耗的，磁效应又在其中产生，所以显而易见的是：此装置在工作中，不仅有磁滞损耗生成，又有焦耳热产生。这样一来，其所产生的交变磁场的能量的消耗。
为了便于分析，图1的电磁传感器原理图可以进一步简化为图2所示的简化模型。
图2电磁传感器简化模型
图2中ra 与 rs的关系如公式2.1所示，ri与 rs与的关系如公式2.2所示 ，h的值的计算公式如2.3所示
(2.1)
(2.2)
(2.3)
式中为短路环等效外径，为短路环等效内径，为传感器线圈外径， h为电涡流贯穿深度,单位为厘米，为导体电阻率, f为电流频率，单位为Hz，为相对磁导率。
由式(2.1)可以看出涡流在导体上的有效作用范围的直径大约为线圈外径的1.39倍，由式(2.3)可以看出电涡流贯穿深度h平方的大小跟导体电阻率成正比，跟相对磁导率二与电流频率f成反比。
能量的损耗使传感器的等效阻抗Z,等效电感L和品质因数Q值变化。因而当被测体的电导率、磁导率、线圈的激励频率f以及传感器与被测体间的距离d变化时，将引起传感器的等效阻抗Z，等效电感L和品质因数Q的变化，其数学表达式如公式2.4，2.5，2.6所示：
一般传感器的激励频率f在一种具体的应用情况下为一个确定值，因此如果将其它三个参数中有两个保持不变，就可以将另一个参数转换成传感器的等效阻抗Z,等效电感L和Q值。
当被测材料一定时，则电导率和磁导率为常数，此时传感器的输出值将是传感器与被测体间的距离d的函数，其数学表达式如公式2.7，2.8，2.9所示：
利用公式数据值进行测量d（距离）所有有关的数据值，像是空降移动值、震动幅度值、长度宽度值等。保持距离不变根据函数关系我们根据这个公式可以进行金属材料的电导率、磁导率、硬度、裂纹检测等的测量工作，因为交变磁场的激励源的频率不同，那么电涡流能穿透导体的深度也是不同的，所以，可将电磁传感器分为高频反射式电磁传感器和低频透射式电磁传感器两种。
通过函数关系，传感器的感应强度与被监测物质和其本身有直接关系，利用这些关系来测量位移、振动、厚度、尺寸等数据。如果我们保持传感器和被测物体之间的距离，传感器输出值与被测物的电导率、磁导率成函数关系，因此利用这个关系可以用来测量金属材料的电导率、磁导率、硬度等参数，以及检测裂纹 。
低频透射式传感器原理
图3低频透射式传感器原理图
如图中我们看到传感器上下两侧分别不只有两个电磁线圈L1和L2，它们分别完成发射和接收工作。如上图所示，在L1的两端加上低频率的电压U1，此时线圈中就会流过一个同样低频的电流信号，同时也会产生一个交变磁场。在没有被测物的情况下，发射线圈就能将磁力线直接贯穿接受线圈，将接受线圈分出一个交变电势E，E的大小与电压、频率、匝数、组成、位置有关系，在所有参数确定法的情况下，E就能保持一个固定值，不会发生改变。但是，若L1和L2之间加入金属板，那么E的值就会发生改变，因为，金属板上产生的物理反应会消耗E的值。
低频透射式电磁传感器是由两个线圈，就是发射线圈L和接收线圈L2。它们分别位于金属板的上下两侧，如图2.3所示。当施加低频电压U在 L1线圈中的交变电流，通过一个频率相同的线圈，就可以与线圈周围的空间将产生一个交变磁场。如果两线圈不测量金属板，可以直接通过L2 ，所以L2诱导交变电压E的大小与幅度U和频率f相关和L1、L2匝数，结构和相对位置，如果这些参数可以确定，然后也是一个恒定的价值。如果一个金属板被放置在两个线圈之间，然后在金属板中会产生涡流，能源消耗，达到了L2的磁力线减少，从而使感应电动势E降低。较厚的板，涡流损耗越大，和更多的价值，所以，板的厚度可以通过E值获得的。理论分析和实验证明：感应电动势E与板厚h为指数曲线的关系，其中e为自然对数的底，h是测定金属材料的厚度，H是涡流渗透深度，使接收线圈的感应电势E与根据指数下降法增加H。如图4所示。
图4 接收线圈感应电势与被测金属厚度的关系曲线
对于同一种种材料，其电阻率ρ是确定值，由于选用不同的激磁频率，所以涡流贯穿深度h就会有所不同，从而也使E与H间的关系曲线形状发生变化。从图2.4中可知，频率越低，f3>f2>f1,磁通穿透能力强，在接受线圈上感应的电压也越高，频率越低时，线性较好，因此要求线性好时应选择较低的激励频率，h较小时，f3曲线的斜率较大，所以测薄板时应选较高的频率，而在测厚板时应选较低的频率。另外，当激磁频率一定时，不同材料的被测物体的电阻率不同，贯穿深度h的数值也不相同，这也将引起 H-E曲线的变化。因此可以根据感应电势E的幅值来测量不同金属材料的厚度。另一方面，当两线圈间没有被测金属板时，感应电势E 与激励电压U之间存在一个固定相位差φ，它的大小与U的相位、频率 f 以及 L1、L2的匝数、结构、相对位置有关，假如这些参数都能确定下来，那么φ也是一个恒定值。对于不同材料的导体，相位的改变有所差别。因此根据感应电势与激励电压的相位差进行材料的鉴别。
高频反射式传感器原理
如前面所述，通有交变电流的传感器线圈靠近金属导体时，将引起金属导体表层的交变电涡流。在对传感器进行分析时，完全可以把电涡流路径的包络视为单匝线圈，此线圈也会有自己的阻抗特性，它可以用 Z = R+jωL表示，其中R的大小取决于电涡流路径的几何尺寸和金属导体的电阻率；L的大小则取决于电涡流路径的几何尺寸等[1]。在传感器附近引入金属导体后，可以用互感量M来表征传感器与金属导体的耦合松紧程度。这样，在传感器附近引入金属导体后，可以用图 2.5 所示的等效电路来分析传感器的阻抗特性。设R1和L1为传感器线圈的损耗电阻和电感，R2和L2为被测金属导体的等效损耗电阻和电感，U为线圈的激励电压，为激励电压的角频率，M为传感器线圈与被测体间的互感量(此互感量随着传感器与被测体之间的距离d 的缩短而增大),电磁传感器的等效电路如图5所示
图5 电磁传感器的等效电路
传感器线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围大，但磁感应强度的变化梯度小；线圈外经小时则相反。线圈外径大，线性范围就大，但灵敏度低；反之，线圈外径小，灵敏度高，但线性范围小。线圈内径和厚度的变化影响较小，仅在线圈与导体接近时灵敏度稍有变化。需要指出的是，由于电磁传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为实际传感器的一部分，其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。一般说，被测体的电导率越高，灵敏度也越高。磁导率则相反，当被测物为铁磁性时，灵敏度较非铁磁性低。而且被测体若有剩磁，将影响测量结果，因此应予消磁。当被测体环的直径为线圈直径的一半时，灵敏度将减小一半；更小时，灵敏度下降更严重，两者相等时，灵敏度降低为70%左右。在被测体厚度方面，一般厚度大于0.2mm 即不影响测量结果，铜铝等材料更可减薄为70um。被测硬币的厚度完全达到要求。
激光传感器
激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
如果使硬币在通过检测管道时初速度固定, 以直径为测量长度, 那么硬币在管道中通过的时间是一定的,即
在不考虑摩擦力的情况下, 硬币的直径距离与通过时间成平方关系。
硬币检测算法
幅值检测法
幅值检测法采用的是低频透射式电磁传感器原理，当在激励线圈两端加交变电压时，激励线圈周围会产生交变磁场，从而使感应线圈中产生感应电势E，当在两线圈中放入被测金属时，感应电势的大小会发生改变，感应电势的变化程度是跟金属的材质，厚度有关系。因此，通过检测感应电势E的大小可知被测金属的厚度。我国的硬币大小、厚度不一，所以在硬币检测中，可以使用低频透射式电磁传感器来检侧硬币的形状。
频率检测法
由前面所述的电磁传感器的原理可知，被测金属的电导率能够通过高频反射式电磁传感器的输出参数z, z和Q进行测量。在此，为了进行硬币区分，根据我国不同面值硬币的材质存在差异的情况，利用高频反射式电磁传感器测量硬币的电导率从而对硬币进行材质鉴别。当硬币靠近线圈时，电感L将发生变化，则正弦波频率f也必将发生变化，即信号频率的变化反映了硬币的特征。使用频率测量法的优点是能够综合地反应出硬币的材质、直径、厚度以及纹理特征，并且电路简单，数据采集过程不需要经过模数转换环节，只需将正弦振荡波转换成方波，就可以提供给控制器进行相应的处理。由于不用经过模数转换，数据的采集过程产生的误差较小，单种硬币的检测结果具有较高的复现率。所以使用频率检测法是一种较好的硬币鉴别方案。
硬币识别系统设计
通过电磁传感器和激光传感器来检测硬币的真伪和大小，当硬币通过投币入口进入特定高频振荡线路，产生变化的磁场,金属材质的不同和体积的不同对电感量的也会产生微弱的影响，电感量的变化会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。
小结：最近某省电赛出了道硬币检测的题，芯片要求华芯微特SWM181的，所以本文章内容只提供思路不提供电路和代码，仅供参考。
另外今天是1024程序员节，祝程序猿们节日快乐,头发茂盛，身体健康，永不加班（虽然不太现实）。