基于单片机的验钞机的设计

基于单片机的验钞机设计杨爱芳物理与电子工程学院电子信息工程06290341[摘要]本文是论述一个以A T89S52为MCU,利用真假纸币对红外信号吸收能力的差异来实现辨伪的简易验钞机的设计制作过程。

当红外信号穿透真假纸币时，红外接收管取样电阻的电压值存在差异，利用电压比较器对采集的电压进行分析处理，从而让单片机根据处理结果来控制显示模块和报警模块，进而实现辨伪功能。

采用C语言实现软件编程。

[关键词]AT89S52 红外验钞机纸币1前言人民币是我国的法定货币，也是我国唯一的合法货币，我国法律赋予人民币无限清偿的能力，并用国家强制力保证其流通。

近年来，假币犯罪成为破坏金融管理秩序犯罪的主要形式，给国民经济的健康发展带来严重危害，为了防范和打击假币犯罪，社会对验钞机的功能要求越来越高。

单片机系统的验钞机结合了机械装置的稳定可靠和电子技术多功能、智能化的优势，使验钞机的性能和功能有极大的改进。

所以单片机系统的验钞机取代机械的、功能单一的验钞机是毋庸置疑的。

首先应该熟悉真钞的特点，另外也要了解伪钞的常见做伪手法。

一是钞纸、水印、制版和印刷工艺：这是印钞技术中防假的一个主要方面。

可通过红外穿透法检验纸张的质量及检测其印刷工艺。

二是油墨：印钞用油墨不但要求印刷效果色泽鲜艳、经久耐用，而且油墨本身具有防伪能力。

伪造者不知道真钞上的油墨配方，都是选择市场上卖的普通油墨，质量差，复制出的颜色不佳。

三是安全线：安全线为比较薄、比较窄的金属或塑料线，宽度在1 mm左右。

厚度在0.03mm上下，造纸的过程中把它夹在纸张上固定的位置[1]。

本设计主要是利用真假纸币对红外信号吸收能力的差异来实现辨伪。

当红外信号穿透纸币时，红外接收管取样电阻的电压值存在差异，利用电压比较器的比较结果，通过单片机来控制显示模块和报警模块，从而实现辨伪功能。

2 系统方案比较与论证2.1 验钞机系统设计基本思想验钞机主要利用红外线、紫外线及磁性对纸币进行检测分析，从而判别纸币的真假。

真钞的磁性分布、红外穿透及红外油墨吸收反射都具有一定的规律，而假钞要么只具有某一方面规律要么不具有任何规律。

故可利用其特性来设计一个简易的验钞机。

2.2 系统总体设计结构该验钞机系统是由中央控制模块、检测模块、信号处理模块、报警模块、显示模块以及电源模块共同组成。

系统基本原理结构是：对检测模块采集的相应信号进行处理，然后由控制模块对处理后的信号进行分析判断，并控制显示模块和报警模块。

验钞机系统的设计基本原理结构框图如图2.1所示。

图2.1设计基本原理结构框图2.3 方案设计论证与选择2.3.1检测模块论证方案一：红外检测。

红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高．因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。

人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异。

用红外信号对钞票进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理．可以实现辨伪。

需要注意的是，油墨的颜色与厚度同样会造成红外穿透能力的差异[1]。

方案二：磁性检测。

磁性检测的工作原理是利用大面额真钞(20、50、100元)的某些部位是用磁性油墨印刷，通过一组磁头对运动钞票的磁性进行检测，通过电路对磁性进行分析，可辨别钞票的真假[1]。

方案三：荧光检测。

荧光检测的工作原理是针对纸质进行检测。

纸币采用专用纸张制造(含85％以上的优质棉花)，假币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)的照射下会出现荧光反应(在紫外线的激发下衍射出波长为420-460nm的蓝光)，真钞则没有荧光反应。

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应，可判别钞票真假[1]。

基于考虑硬件实现难易程度拟订方案一。

2.3.2 信号处理模块论证方案一：采用A/D转换器AD574。

AD574是单片高速12位逐次比较型A/D转换器，在使用时也可设定为8位，内部有双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特点，且只需外接少量的元件即可构成一个完整的A/D转换器，但对软件算法设计相对复杂[2]。

方案二：采用A/D转换器ADC0809。

ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D转换器。

它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据[2]。

此方案对红外检测信号精度要求较高，且芯片工作的外围条件相对复杂。

方案三：采用电压比较器LM339。

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点有：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）V o差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用[3]。

电压比较器原理简单，硬件容易实现。

基于以上分析拟订方案三，采用电压比较器作为信号处理模块。

2.3.3 电源模块论证方案一：采用干电池作电源。

由于电池的电阻会随着电池的放电而迅速增大，而该电路中电流较大，则需频繁地更换电池，否则将会影响系统功能的实现。

方案二：采用稳压二极管构成电源。

当使用稳压二极管作电源时，需要确定输入电源的参数，以及驱动电路所需的电流大小，同时还要确定稳压二极管的额定功率及其对应的电阻，相对较复杂。

方案三：采用集成稳压器构成电源。

集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在1个芯片上而形成的一种稳压集成电路。

稳压芯片内部有过热、过流保护电路、外围元件少、性能优良、体积小、价格低等优点。

基于以上分析拟订方案三。

2.3.4 控制器模块论证方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。

其具有体积大、功耗大、成本高等缺点，且外围元器件过多，容易出故障。

方案二：采用FPGA实现控制功能。

FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。

兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活[4]。

对于本设计而言显得大材小用了，且其成本较高，引脚较多，硬件电路布线复杂。

方案三：采用AT89S52实现控制功能。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 的8位单片机，具有8K系统可编程Flash片内程序存储器。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程（ISP）[2]。

该单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

基于以上分析拟订方案三，由AT89S52作为控制核心，对检测信号进行处理、显示和报警进行控制。

2.3.5 报警模块论证方案一：采用电铃。

电铃是利用电磁铁特性通电后，还必需要电磁铁和电源才能发出音响信号的装置。

电铃的工作性能好，但其成本高、占据的空间大、电流耗费大，对电路会产生影响。

方案二：采用扬声器。

扬声器又称“喇叭”。

是一种十分常用的电声换能器件，可以用来当作报警模块的主要元件，但其体积相对蜂鸣器更大，成本更高，故不使用。

方案三：采用蜂鸣器。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子声响器，采用直流电压供电，其体积小、成本低，控制简单方便，可以用来当作报警模块的主要元件。

基于以上分析拟订方案三。

2.3.6 显示模块论证方案一：采用LED数码管。

数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低等优点。

然而数码管显示的信息较少，且动态扫描占用CPU资源太多等缺点。

方案二：采用液晶显示屏LCD1602。

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形[2]。

液晶显示屏具有零辐射,低耗能,散热小, 纤薄轻巧,精确还原图像,显示字符锐利,画面稳定不闪烁,屏幕调节方便,抗干扰能力强等特点。

基于以上分析拟订方案二。

2.4 系统方案确定综合上述方案论述分析，并从理论上对系统电路的元件及其参数进行论证后，确定硬件整体方案如下：1.利用红外穿透原理采用红外检测。

2.采用电压比较器LM339进行信号分析处理。

3.采用集成稳压器构成电源。

4.采用AT89S52单片机对信号分析处理、液晶显示、报警装置进行控制。

5.采用蜂鸣器对假钞进行警示。

6.采用LCD1602对真假钞的结果进行显示。

3 系统硬件设计3.1 系统硬件模块关系系统主要分为：红外检测电路，电压比较电路，中央控制电路，LCD显示电路，电源电路，蜂鸣器报警电路等部分。

系统总体方框如图3.1所示。

图3.1 系统总体方框图3.2 红外检测模块设计红外检测是利用红外信号对钞票进行穿透检测时，真假钞票对红外信号的吸收能力不同这一原理来实现辨伪。

红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。

直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作[5]。

本设计采用直射方式。

3.2.1 红外发射设计红外发射是由红外发射管和电阻组成，如图3.2所示。

红外线发射管的管压降约1.3V，工作电流一般小于20mA，其作用是将电信号转换为红外光信号。

电阻的作用是限流，当电阻取值越小通过红外线发射管的电流就越大，发射功率也越大，发射红外光越强；但电阻取值过小会损坏红外线发射管。

经计算得出电阻应大于185欧姆，本设计采用280欧姆的电阻。

图3.2 红外发射电路3.2.2 红外接收设计红外接收是由光电三极管和电阻组成，如图3.3所示。

光电接收管的作用是将接收到的光信号转换为电信号，电阻为取样电阻。

当光电接收管接收到光信号时，其阻值将会减小，使得光电接收管和取样电阻的电流增大，从而取样电阻两端将产生随入射红外光强弱变化的电压，通过信号处理电路对变化的电压进行处理。

图3.3 红外接收与LM339的连接电路3.3 信号处理电路设计信号处理电路是将红外接收的取样电阻所产生的变化电压进行分析，由电压比较器LM339组成，本设计的参考电压设为+3.3V。

LM339可构成单限比较器、迟滞比较器、窗口比较器、振荡器等。

LM339的内部结构如图3.4所示。

图3.4 LM339内部结构本设计是利用LM339的单限比较器功能，对所采集的电压与参考电压进行比较，当采集的电压大于参考电压时，输出高电平；反之则输出低电平。

在使用电压比较器过程中发现有时不输出高电平，这很可能由于使用的比较器的输出结构是集电极开路结构，只需要加一个上拉电阻即可，通常选用上拉电阻3-15KΩ。