具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1所示，本发明提出一种基于电容感测的纸币检测装置及方法，包括：振荡电路、电容感测传感器7和微处理器8；电容感测传感器7分别与振荡电路和微处理器8连接。

其中，振荡电路包括：可变电容器、第一电容6(可用C表示)和第一电感5(可用L表示)；可变电容器、第一电容6和第一电感5均并联在所述电容感测传感器7上，且均接地(虚拟地)。

其中，可变电容器，包括：第一单面覆铜板1、第二单面覆铜板2、第一隔离板3、第二隔离板4；第一单面覆铜板1和第二单面覆铜板2上下放置，位置可颠倒，只要保证两个单面覆铜板的外侧为覆铜面即可；第一单面覆铜板1和第二单面覆铜板2的面积相同(长15cm、宽10cm、厚度1mm)，且间隔一定距离，其内侧之间设有第一隔离板3和第二隔离板4，间距d是1.5cm，其材料采用的聚四氟乙烯，参照图2所示；第一隔离板3和第二隔离板4之间设有孔隙，用于放入一定数量的纸币；第一单面覆铜板1和所述第二单面覆铜板2外侧分别与第一电容6和第一电感5的两端连接，由于可变电容器是可变的，会对虚拟地产生一个寄生电容C_x，与C和L并联后构成振荡电路。

当在两个覆铜板间的孔隙处放入一叠纸币时，会引起两个覆铜板对地电容容量的变化，此时采用电容感测传感器进行检测，感知这种微弱的变化，即纸质介质引起的电容变化，并将其转换为高达28位二进制数的数字量输出；最后由微处理器进行处理后可得到纸币的数量和种类。其中，本发明采用的是高精度的电容感测传感器FDC2214；所述微处理采用的是STM32H743IIT6单片机。

基于此，本发明还提出一种基于电容感测的纸币检测方法，具体包括以下步骤，参照图4所示：

S1、通过电容感测传感器7对振荡电路进行数据监测，并采用微处理器8对监测的数据进行采集；

其中，电容的计算表达式为：

式中，A表示一个板极的面积，单位是m²；d表示板极之间的距离，单位是m；C为电容，单位是F；ε是相对于空气的介电常数。此外，常见介电质的相对介电常数如表1所示：

表1

从式(1)中可得，电容容量C的大小与介质常数ε、板极的面积A成正比，与板极之间的距离d成反比。对于本发明的纸币检测装置而言，上、下两个单面覆铜板构成可变电容器。根据公式(1)所示，当没有放入纸币时，面积A和距离d不变，介质ε由聚四氟乙烯和空气构成，保持不变；当放入不同厚度的纸币后，两个单面覆铜板的面积A固定不变，但介质ε和不同介质之间的距离会发生变化，即随着厚度的增加，不同介质所占的比例不同，这样组合而成的介质ε的介电常数将会发生变化。通过电容感测传感器检测这种变化，就可识别纸币的种类和数量。

因此，本发明采用电容感测传感器FDC2214感知微小的电容变化，其工作原理如图3所示，图中C_x是可变电容器，会对“虚拟地”产生一个寄生电容C_x表示，与C、L并联后构成振荡电路；

然后，计算振荡电路的振荡频率f_s，其表达式为：

式(2)中，l为电感，取值为18uH；C为电容，取值为33pF；C_x是寄生电容；f_s为振荡电路的振荡频率。从式(2)中可以看出，当l固定为18uF，C固定为33pF后，振荡频率f_s与C_x的平方根成反比。

在实际测量中，要设置电容感测传感器FDC2214的参考工作频率，其表达式为：

式(3)中，f_ref为参考频率；f_clk为电容感测传感器FDC2214的输入频率，一般选取40MHz的有源晶振，精度较高；CHx_FREF_DIVIDER是分频系数选择二分频，分频后的f_ref是20MHz；

最后，将分频后的f_ref转换为高达28位二进制数的数字量输出，其表达式为：

式(4)中，f_ref为分频后的参考频率，取值为20MHz；f_s是振荡电路的震荡频率，DATA_x是转换后对应的28位二进制数。这样就可将外部寄生电容的微弱变化转变为高达28位的二进制数输出，然后再用IIC接口连接各种微处理器进行采集处理。

S2、对IIC接口及微处理器(8)中的定时器进行初始化；

对IIC进行初始化时，要指定IIC接口数据线SDA引脚为STM32H743IIT6的PA11，IIC接口时钟线SCL引脚为STM32H743IIT6的PA12。然后按照一定时序读取FDC2214的设备ID号0x3055成功后，完成IIC初始化工作。对定时器初始化为50ms读取FDC2214的通道0的值一次。

S3、用IIC接口读取FDC2214通道0的数值，用均值滤波算法去除干扰，然后采用微处理器8对滤波后的监测数据进行分析处理，识别出纸币的种类和数量。

本发明还可对串口、LCD显示屏等进行初始化，串口初始化波特率为115200；液晶屏初始显示时间和日期值。然后将滤波后的监测数据通过串口发送给电脑，可在MATLAB中进行数据分析并绘制曲线，并在LCD屏上显示出来。然后根据绘制的曲线，得到测量值与纸币数量之间的线性关系；嘴周根据所述线性关系，识别出纸币的种类和数量。

其中，本发明的MATLAB软件编译环境是KEIL5.0，程序用C语言编写。编译通过后，将程序下载到STM32H743IIT6处理器芯片中，进行测试，具体如下：

本发明在可变电容器的空隙处放入不同类型的纸币，从1开始增加数量，可得到一组测试数据。将其通过串口传送给电脑，在MATLAB下分析处理。

首先，放置100元的纸币，从1张开始逐渐增加数量，得到如下一组测试数据，如表2所示：

表2

将这些数据在MATLAB下进行曲线拟合，得到图5所示曲线。由图5可得到测量值y与纸币数量x之间的线性关系，其表达式为

y＝-9.525*x+62980…………(5)

根据线性关系，推算出纸张的数量。另外，无论纸币厚度如何，整个识别过程最多只需要50ms。测试结果表明，该方法能够快速、准确识别不同纸币的数量。

综上，本发明基于电容感测技术设计出一种纸币检测装置和检测方法，当纸币的种类和数量发生变化时，会引起两个覆铜板之间的可变电容的容量变化，电容感测传感器会感知这种微弱的变化，将其转换为高精度的数字量输出，软件处理后可得到纸币的数量和种类。本发明无复杂机械装置，可准确检测纸币的数量，具有成本低、设备简单、识别率高的优点。本发明还对装置进行了软件编程，通过大量的实验，确定了纸币数量和测量值之间的线性关系，验证了其可准确测量不同纸币的数量。根据斜率和初始值的不同，可识别不同的纸币。而且可实现高速测量识别。如果铜板选择合适，测量精度和范围还可以进一步加大。整个本发明具有硬件电路简单、抗干扰能力强、识别率高、精度高、速度快、成本低等优点，可用于纸币数量的准确检测。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。