thiết kế và chế tạo mô hình máy bán hàng tự động

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực
điều khiển và truyền thông, rất nhiều máy, hệ thống tự động thông minh ra đời, đã
làm thay đổi về mọi mặt cuộc sống của con người. Cụ thể trong công nghiệp là các
máy tự động, các trạm sản xuất linh hoạt, các nhà máy thông minh Trong dân
dụng là các thiết bị phục vụ trong các gia đình như máy giặt, tủ lạnh, các hệ thống
bảo vệ, chiếu sáng tự động…. Trong trao đổi, mua bán cũng xuất hiện các thiết bị tự
động như các máy ATM, các máy thanh toán card, các máy bán cà phê….Với
những chiếc máy đó việc mua bán, trao đổi của con người trở lên thuận tiện hơn.
Trong báo cáo này, nhóm muốn đề cập đến một trong những chiếc máy tự động ứng
dụng trong giao thương, đó là máy bán hàng tự động.
Đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy bán hàng tự động” mà nhóm được
giao, thật sự là một thử thách, do nguyên lý hoạt động, kết cấu cơ khí, phương pháp
điều khiển của các máy loại này hoàn toàn xa lạ với các thành viên của nhóm, các
tài liệu về những chiếc máy này hoàn toàn không có. Nhưng chính thách thức đó
cũng là động lực để nhóm làm việc. Qua đề tài, các thành viên của nhóm đã phát
triển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm, cách tiếp cận với vấn đề mới, cách
giải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đề tài, nhóm đã vận dụng được
những kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điều khiển, thiết kế hệ thống…
để giải một bài toán rất thực tế.
Để hoàn thành tốt đề này, trước tiên và trên hết, chúng con muốn cảm ơn bố
mẹ, cảm ơn bố mẹ đã sinh ra chúng con, đã nuôi dạy chúng con, hiểu chúng con,
ủng hộ chúng con. Bố mẹ cũng là động lực để chúng con phấn đấu.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nhữ Quý Thơ và các thầy cô trong bộ
môn Cơ Điện Tử, cũng như các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ chúng em
trong thời gian làm đề tài. Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt, trang bị kiến thức cả
chuyên môn lẫn cuộc sống cho chúng em trong bốn năm qua. Sau khi ra trường,
chúng em mong vẫn được thầy, và các thầy cô giúp đỡ, chỉ bảo.
Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp CĐT1_K1 đã có những góp ý
quý báu cho nhóm. Và cảm ơn về tình bạn của các bạn.

Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá
trình làm đề tài. Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các
bạn để có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2010
Sinh viên thực hiện:
Cù Huy Hoàng
Nguyễn Văn Phong
Lương Văn Tuấn
Nguyễn Thị Thủy
2
MỤC LỤC
3
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu chung
Máy bán hàng tự động là một chiếc máy thông minh có thể tự động thực hiện
giao dịch mua, bán các loại hàng có trong kho của nó với khách hàng. Người mua
là khách hàng, người bán là chiếc máy đó. Thao tác mua, bán về cơ bản diễn ra bình
thường như truyền thống.
Với sự xuất hiện của máy bán hàng tự động trong những năm gần đây đã tạo
ra sự phát triển mạnh mẽ các dịch vụ công cộng như bán nước uống, đồ ăn nhanh…
Những máy bán hàng tự động này xuất hiện chủ yếu ở những chỗ tập trung đông
người như: siêu thị, ngân hàng, hoặc ở những khu vui chơi giả trí.
Những lợi ích mà máy bán hàng tự động đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể
như:
Với một chiếc máy bán hàng, việc mua bán có thể diễn ra bất cứ thời gian
nào, trong điều kiện thời tiết nào.
Một chiếc máy bán hàng tự động có thể coi tương đương một quầy hàng nhỏ,
chuyên bán một số mặt hàng. Hơn nữa quầy hàng này không cần nhân viên bán
hàng, nên tiết kiệm được tiền lương trả cho nhân viên.

Máy bán hàng tự động có diện tích nhỏ nên có thể đặt được ở nhiều nơi, tận
dụng được nhiều khoảng trống, và có thể tiết kiệm được tiền thuê mặt bằng.
Mọi người thường có tâm lý e ngại khi mua một số mặt hàng ở các quầy
hàng, thì việc mua ở các máy bán hàng tự động, hoàn toàn thoải mái.
Các loại máy bán hàng tự động được thiết kế giao tiếp ngày càng thân thiện
với người sử dụng. Việc thực hiện mua sản phẩm rất dễ dàng, và không sai xót.
Bằng việc sử dụng những đồng tiền xu sẽ làm thay đổi suy nghĩ của mọi
người trong việc sử dụng và lưu thông những đồng tiền xu. Các máy hiện đại có khả
năng thanh toán bằng thẻ tín dụng, nên có thể giảm được lượng tiền mặt lưu thông
trên thị trường….
Từ nhu cầu thực tiễn và lợi ích của xã hội ta thấy máy bán hàng tự động là rất
cần thiết trong một xã hội phát triển.
Máy bán hàng tự động là một cụm từ chung, như các máy bán cà phê, máy nạp
thẻ điện thoại tự động, máy bán đồ ăn nhanh tự đông….Nên trong đề tài này, nhiệm
vụ cụ thể của nhóm là thiết kế và chế tạo mô hình máy bán hàng tự động, bán hai
loại nước đóng chai và một loại hàng dạng hộp, giao dịch bằng ba loại tiền xu Việt
Nam: 1000đ, 2000đ và 5000đ.
1.2. Các vấn đề đặt ra
Các máy bán hàng tự động được bán trên thị trường đã đạt độ hoàn thiện trong
kết cấu cũng như trong tính năng. Nhưng đó là những chiếc máy được phát triển bởi
những công ty đã có kinh nghiệm trong việc chế tạo những sản phẩm dạng này. Với
4
một đề tài tốt nghiệp, việc thiết kế và chế tạo mô hình chiếc máy, nhóm gặp nhiều
vấn đề cần giải quyết:
Trước tiên, đó là công nghệ dùng để nhận dạng tiền, cụ thể trong đề tài là
nhận dạng các loại tiền xu Việt Nam. Các thiết bị nhận dạng bán trên thị trường sử
dụng nhiều công nghệ khác nhau, với giá cả, độ tin cậy, tốc độ xử lý rất khác nhau.
Và đặc biệt rất khó mua tại Việt Nam.
Trong việc thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí phải chính xác, đảm bảo
cho máy chạy êm, không bị kẹt trong quá trình hoạt động. Đặc biệt là việc thiết kế

hệ thống phân loại tiền, trả tiền, và hệ thống trả hàng.
Việc xây dựng được thuật toán điều khiển và phương pháp điều khiển cho
máy cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, vừa phải đảm bảo điều khiển cho máy hoạt
động được chính xác, dự phòng được các lỗi xảy ra khi máy hoạt động, vừa phải
làm sao cho việc lập trình đơn giản nhất có thể.
Cơ cấu chấp hành sử dụng trong máy là động cơ DC và động cơ bước, cần
được điều khiển chính xác.
Máy phải tuyệt đối an toàn, có độ tin cậy cao.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Máy bán hàng tự động là một sản phẩm đã được phát triển trên thị trường, và là
một sản phẩm cơ điện tử, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương
pháp nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu mô hình của các chiếc máy bán đã có sẵn trên thị trường, kết
cấu, giao diện, tính năng của những chiếc máy đó. Từ đó áp dụng để thiết kế trong
giới hạn đề tài.
- Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế máy, cụ thể
là:
+ Thiết kế theo tuần tự, và đồng thời.
+ Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa trước khi hoàn
thiện thiết kế trước khi chế tạo.
+ Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc
chưa được thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện. Sau
cùng, chế tạo thật mô hình máy.
1.4. Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu
Một chiếc máy bán hàng tự động có rất nhiều tính năng. Tuy nhiên trong
phạm vi một đề tài tốt nghiệp, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm
hiểu biết, nhóm chỉ chế tạo một mô hình máy bán hàng tự động với tính năng sau:
Đề tài chỉ nghiên cứu máy bán những loại hàng bằng chai, lon và dạng hộp.
Máy chỉ giao dịch với những đồng xu có mệnh giá 5000đ, 2000đ và 1000đ.
Máy không có chức năng giữ lạnh đồ uống.

Máy chỉ dùng một vi điều khiển 8 bit để điều khiển.
5
Vỏ máy được chế tạo bằng vật liệu đơn giản.
CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MÁY BÁN HÀNG TỰ ĐỘNG
2.1. Máy bán hàng tự động
Máy bán hàng tự động là một sản phẩm tự động hóa đã rất phổ biến trên thế
giới. Ở các nước phát triển như Nhật, Mỹ, EU…., sản phẩm này đã trở lên thông
dụng với người dân. Các loại máy náy, bán rất nhiều các loại mặt hàng từ các loại
nước đóng chai, đến các loại đồ ăn, các sản phẩm dân dụng… Và mới đây nhất là
chiếc máy bán vàng tự động. Các loại máy này trên thế giới đã rất hoàn thiện về kết
cấu, tính năng sử dụng, và độ hoàn thiện, đa dạng trong công nghệ nhận biết loại
thiết bị dùng để thanh toán như có thể dùng tiền xu, tiền giấy, thẻ tín dụng hay bằng
tin nhắn SMS qua điện thoại di động…
Ở Việt Nam, năm 2003 khi tiền xu đưa vào lưu thông, máy bán hàng tự động
cũng đã xuất hiện, nhưng sự phát triển loại máy này ở Việt Nam rất chậm chạp. Gần
đây là xuất hiện các loại máy tự động thanh toán bằng tiền polyme. Xu hướng này
có vẻ được chấp nhận hơn do tâm lý ngại dùng tiền xu của người Việt Nam.
Trong đề tài này nhóm chế tạo một chiếc máy bán hàng tự động thanh toán
bằng tiền xu.
Về cơ bản, một máy bán hàng tự động bao gồm một hay nhiều kho hàng để
chứa sản phẩm, các máy hiện đại, các kho được thiết kế có chức năng giữ nhiệt độ
mặt hàng ở mức mong muốn. Một hay một số thiết bị dùng để khách hàng thanh
toán tiền, đó có thể là một thiết bị nhận dạng tiền mặt, một thiết bị trừ tiền trong
card hay một thiết bị kết nối mạng để trả tiền qua sms…Các cơ cấu chấp hành để
đưa hàng ra, đó là các động cơ, xilanh thủy lực…Các thiết bị hiển thị, có thể là màn
hình led hoặc màn hình cảm ứng. Các nút bấm, các cơ cấu trả tiền thừa. Bộ điều
khiển và các cảm biến…
Trong chương này, nhóm sẽ giới thiệu lý thuyết các công nghệ, các nguyên lý,
các thiết bị mà nhóm sử dụng trong đề tài.
2.2. Sơ lược về các loại tiền xu

Nhận dạng tiền xu là một việc quan trọng khi thiết kế, chế tạo máy bán hàng tự
động. Trên thế giới, các modul nhận dạng tiền xu đã được chuẩn hoá về kích
thước( theo một số mẫu quy định ) giúp các nhà chế tạo có thể thay thế dễ dàng khi
modul nhận dạng tiền xu gặp trục trặc kỹ thuật.
2.2.1. Các loại tiền xu kim loại trên thế giới
Hầu hết các nước trên thế giới kể cả các nước có hệ thống thanh toán không
dùng tiền mặt tiền kim loại vẫn sử dụng phổ biến trong các giao dịch nhỏ bởi vì tiền
kim loại mang lại lợi ích thiết thực cho cả nhà phát hành và người sử dụng. Đối với
người phát hành tiền kim loại bền hơn nên tiết kiệm được chi phí phát hành trong
dài hạn. Đối người sử dụng tiền kim loại sạch hơn không bị rách nát, không hấp thụ
tạp chất như tiền giấy và phù hợp với việc sử dụng các loại hình dịch vụ tự động
6
hoá. Tuy nhiên tiền kim loại nặng hơn, khó đếm và dễ rơi hơn tiền giấy. Mặc dù vậy
trong xã hội hiện đại không thể thiếu tiền kim loại khi các dịch vụ thương mại tự
động hoá phát triển.
Tuỳ theo tập quán sử dụng và điều kiện đặc thù của mỗi nước mà có sự khác
biệt đáng kể về đường kính và trọng lượng đồng tiền. Ở châu Âu đồng tiền nhỏ nhất
có đường kính 14mm đồng tiền lớn nhất là 31mm, đồng tiền nhẹ nhất là 0,55 gam,
đồng tiền nặng nhất là 13,5 gam. Ở châu Á đồng tiền nhỏ nhất có đường kính là
15mm đồng tiền lớn nhất có đường kính 32mm, đồng tiền nhẹ nhất có trọng lượng
0.45 gam, đồng tiền nặng nhất có trọng lượng 15,5 gam.
Qua nghiên cứu người ta đưa ra đường kính tối ưu của đồng xu nằm trong
khoảng 15 đến 30 mm vì nó thuận tiện cho việc sử dụng mà vẫn đảm bảo tiết kiệm
chi phí đúc dập. Đồng tiền kim loại có mệnh giá lớn nhất phải nên có đường kính
nhỏ hơn 30 mm và trọng lượng dưới 10 gam để dự phòng khi cần phát hành đồng
tiền kim loại có mệnh giá lớn hơn trong tương lai. Chiều dày của đồng tiền kim loại
phải lớn hơn 1mm để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong quá trình đúc cắt phôi đập
tiền đồng thời tạo thuận lợi cho việc sử dụng tiền kim loại. Nhìn bề ngoài đồng tiền
có mệnh giá lớn hơn có kích thước lớn hơn nhưng trên thực tế mối quan hệ này
không thể hiện rõ lắm ở hầu hết các bộ tiền kim loại trên thế giới bởi kích thước,

trọng lượng của chúng còn phụ thuộc vào cách phân nhóm mệnh giá trong mỗi bộ
tiền kim loại.
Về vật liệu đúc tiền, có thể phân chia thành ba nhóm chính: hợp kim, thép mạ
và kim loại thuần tuý. Hợp kim có độ bền màu, độ chống mài mòn và chống oxi hoá
cao nhưng giá thành sản xuất cũng cao. Vì vậy chúng được dùng để đúc các nhóm
tiền có mệnh giá cao trong bộ tiền kim loại của các nước, như 1 Euro, 2 Euro, 2
Đôla Canada, 1 Đôla Singapore…Hay như loại tiền 5000đ tại Việt Nam phát hành
tháng 12/2003.
Thép mạ( mạ đồng hoặc niken) có độ bền kém hơn nhưng giá thành lại rẻ hơn
trong khi vẫn đáp ứng được những yêu cầu về đúc, dập nên chúng được dùng để sản
xuất nhóm tiền có mệnh giá thấp hơn trong hệ thống. Do tính chất vật liệu, tiền kim
loại làm bằng thép mạ đồng dễ bị xỉn màu hơn tiền làm bằng hợp kim ngay cả khi
mới phát hành. Ngoài ra tiền kim loại nói chung nhanh bị hỏng nếu tiếp xúc với các
chất ăn mòn. Thực tế cho thấy đồng 1000đ và 2000đ làm bằng thép mạ đồng của
Việt Nam nhanh bị xỉn màu hơn các loại mệnh giá còn lại, nó không thể bền như
đồng 5000đ được làm bằng hợp kim CuAl
16
Ni
2.
2.2.2. Các loại tiền xu Việt Nam
Việt Nam là một trong những nước đang trên đà phát triển, tiến hành công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước nên hàng loạt các dịch vụ thương mại tự động
hoá xuất hiện. Chính vì thế việc sử dụng tiền xu cho các dịch vụ này ngày càng trở
nên cần thiết đối với người dân Việt Nam. Nhận biết được điều đó, sau một thời
gian dài vắng bóng tiền kim loại, kể từ năm 2003 ngân hàng nhà nước Việt Nam đã
7
cho phát hành rộng rãi các loại tiền xu kim loại với các mệnh giá 5000, 2000, 1000,
500, 200 đồng. Tiền xu Việt Nam có các đặc điểm như sau:
a, Đồng 5000 VNĐ
Hình 2.1 Hình dạng đồng 5000đ

Thông số kĩ thuật:
- Ngày phát hành: 17/12/2003
- Đường kính: 25.5mm
- Độ dày mép: 2.20 mm
- Khối lượng: 7.70 g
- Màu sắc: vàng ánh đỏ.
- Vật liệu: hợp kim (CuAl
16
Ni
2
)
- Mặt trước: hình quốc huy.
- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá
5000 đồng, hình Chùa Một Cột.
b, Đồng 2000 VNĐ
Hình 2.2 Hình dạng đồng 2000đ
Thông số kĩ thuật:
- Ngày phát hành: 01/04/2004
- Đường kính: 23.5mm
- Độ dày mép: 1.8 mm
8
- Khối lượng: 5.10 g
- Màu sắc: vàng đồng thau
- Vật liệu: thép mạ đồng thau
- Mặt trước: hình quốc huy
- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá
2000 đồng, hình Nhà Rồng.
c, Đồng 1000 VNĐ
Hình 2.3 Hình dạng đồng 1000đ
Thông số kĩ thuật:

- Ngày phát hành: 17/12/2003
- Đường kính: 19.00mm
- Độ dày mép: 1.95 mm
- Khối lượng: 3.8 g
- Màu sắc: vàng đồng thau
- Vật liệu: thép mạ đồng thau
- Mặt trước: hình quốc huy
- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá
1000 đồng, hình Thuỷ Đình, Đền Đô.
d, Đồng 500 VNĐ
Hình 2.4 Hình dạng đồng 500đ
Thông số kĩ thuật:
- Ngày phát hành: 01/04/2004
- Đường kính: 22.00mm
- Độ dày mép: 1.75 mm
9
- Khối lượng: 4.5 g
- Màu sắc: trắng bạc
- Vật liệu: thép mạ Niken
- Mặt trước: hình Quốc huy
- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá
500 đồng, chi tiết hoa văn dân tộc.
e, Đồng 200 VNĐ
Hình 2.5: Hình dạng đồng 200đ
Thông số kĩ thuật:
- Ngày phát hành: 17/12/2003
- Đường kính: 20.00mm
- Độ dày mép: 1.45 mm
- Khối lượng: 3.2 g
- Màu sắc: trắng bạc

- Vật liệu: thép mạ niken
- Mặt trước: hình quốc huy
- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá
200 đồng, chi tiết hoa văn dân tộc.
2.3. Các phương pháp nhận dạng tiền xu:
Có rất nhiều phương pháp có thể xác định được các thông số của tiền xu. Tuy
nhiên ở đây, đề tài chỉ trình bày những phương pháp được ứng dụng trong thực tế:
10
Hình 2.6 Sơ đồ khối các phương pháp xác định giá trị tiền xu
2.3.1. Đo đường kính
d5
d4
d3
d2
d1
TiÒn xu
X¸c ®Þnh mÖnh gi¸
theo tÝn hiÖu tõ c¸c
LED thu
Gi¸ trÞ cña mÉu
Lo¹i bá mÉu
LED phat
LED thu 5000®
LED thu 2000®
LED thu 1000®
LED thu 500®
LED thu 200®
Hình 2.7 Nhận dạng tiền xu bằng phương pháp đo đường kính
Có thể xác định đường kính tiền xu bằng cách sử dụng cặp led thu phát hồng
ngoại với các vị trí định trước. Dựa trên đường kính đã biết của các loại mệnh giá,

sơ đồ nguyên lý cơ cấu xác định giá trị mệnh giá được trình bày như hình 2.7.
Đường kính của tiền xu sẽ làm thay đổi vị trí của led phát tương ứng với
đường kính của tiền xu và các led thu 5000đ, 2000đ, 1000đ… sẽ nhận được tín hiệu
từ led phát. Khi đó mệnh giá được xác định bằng phương pháp số với sự trợ giúp
của vi điều khiển hoặc phần mềm.
2.3.2. Đo khối lượng
11
V C C
-
+
U 2 A
L M 3 5 8
3
2
1
84
R 4
R
R 5
R
R 1
R
g n d
R 3
R
Hình2.8 Nhận dạng tiền xu bằng khối lượng dùng loadcell
Để đo khối lượng của tiền xu, có thể dùng loadcell. Tuy nhiên do khối lượng
của tiền xu nhỏ, độ sai lệnh của các xu nhỏ(sai lệch lớn nhất là 3.7g) vì vậy phải
dùng loadcell có độ nhạy lớn, đồng thời kết hợp với mạch có hệ số khuyết đại lớn.
Khuyết điểm của phương pháp: thời gian đáp ứng khá chậm, đồng xu phải ở

trạng thái tĩnh khi đo, hơn nữa chi phí cao nên không thể áp dụng phương pháp này
trong thực tế.
2.3.3. Nhận dạng dựa trên sự biến đổi điện dung
d
§Õm tÇn - x¸c
®Þnh mÖnh gi¸
theo xung ®Õm
TiÒn xu
Hình 2.9 Nhận dạng tiền xu bằng phương pháp biến đổi điện dung
Khi tiền xu được đưa vào giữa hai bản tụ, thì điện môi giữa hai bản tụ sẽ thay
đổi dẫn đến điện dung tụ cũng thay đổi, làm cho tần số của mạch cộng hưởng thay
đổi theo. Mạch đếm tần sẽ đếm xung và xác định được tần số của tín hiệu đưa vào
từ đó xác định được mệnh giá của tiền đưa vào.
2.3.4. Nhận dạng dựa trên kỹ thuật xử lý tín hiệu số
12
Hình 2.10 Nhận dạng dựa trên kỹ thuật xử lý số tín hiệu
Đây là phương pháp phức tạp dựa trên kỹ thuật xử lý số. Bản chất vật liệu
được thực hiện bằng các phép kiểm tra độ cứng, độ đàn hồi hay tương tác vật lý…
Và một cách thức được đề nghị là thực hiện việc phân tích tác động của tiền xu khi
va chạm với bề mặt xác định trước.
Sơ đồ phân tích âm thanh va chạm của tiền xu được thực hiện như hình 2.10.
Từ thanh định hướng, tiền xu sẽ rơi tự do lên bề mặt cứng(bản kim loại) . Tại thời
điểm va chạm tiền xu sẽ nảy lên nhiều lần và tạo thành chuỗi âm thanh dao động
ngắt quãng. Như hình 2.11 biểu diễn mẫu âm thanh va chạm của tiền xu lên một bề
mặt có độ cứng lớn và không đàn hồi.
Hình 2.11 Chuỗi âm thanh va chạm của tiền xu vào một bề mặt
Chuỗi âm thanh cho thấy các chuỗi thời gian đặc trưng:
- Khoảng thời gian nảy(Tnay) liên quan đến trọng lượng hình dạng và độ cao
h.
- Khoảng thời gian vang(Tvang) liên quan đến chất liệu và đặc tính bề mặt

tiếp xúc.
13
Việc phân tích các thông số thời gian và biên độ của chuỗi âm thanh này bằng
xử lý số sẽ cho ta kết quả chính xác về mệnh giá của tiền đưa vào. Vì đây là phương
pháp hiện đại nên việc thực hiện khá phức tạp nhưng lại có độ chính xác rất cao.
2.3.5. Nhận dạng dựa trên vật liệu chế tạo tiền xu
a, Khảo sát từ tính của vật liệu kim loại
- Các véc tơ trường:
Từ trường ngoài thường được biểu diễn bằng H và gọi là cường độ từ trường.
Từ trường sinh ra trong một ống dây hình trụ(solenoid), gồm N vòng dây quấn
khít nhau với chiều dài l, và tại một dòng điện, cường độ từ trường được tính bằng:
H=NI/l
Đơn vị đo H là ampe-vòng/mét hoặc A/m
Cảm ứng từ hay mật độ từ thông B, biểu thị từ trường bên trong chất chịu tác
dụng của từ trường H. Đơn vị đo của B là Tesla(W/m
2
). Cả B và H đều là những
vector trường đặc trưng bởi độ lớn và chiều trong không gian của trường.
Cường độ từ trường và mật độ từ thông có quan hệ theo biểu thức sau:
=µ
Tham số µ gọi là độ thẩm từ, là tính chất riêng của môi trường trong đó H tác
dụng. Đại lượng B được đo như hình minh họa sau.
Độ thẩm từ được đo bằng weber trên ampe-mét(Wb/A.m) hay là Henry trên
mét(H/m).
Hình 2.12 Từ trường H do dòng điện đi qua ống dây sinh ra và khi có hoặc
không có vật rắn bên trong
Trong đó:
Trong chân không thì: B
0
= µ

0
H.
µ
0
– Độ thẩm từ của chân không, là hằng số có giá trị 4π.10
-7
(H/m)
B
0
– Mật độ từ thông trong chân không.
Có nhiều thông số mô tả tính chất từ của vật rắn, ví dụ tỉ số giữa độ thẩm từ
trong vật liệu và độ thẩm tử trong chân không:
14
µ
r
= µ/µ
0
µ
r
– Độ thẩm từ tương đối.
Độ thẩm từ hoặc độ thẩm từ tương đối của vật liệu là số đo mức độ từ hóa vật
liệu hay khả năng mà từ trường B được cảm ứng trong vật liệu khi có từ trường
ngoài H.
Vector từ hóa(từ độ) µ của vật rắn được xác định theo biểu thức:
=µ
0
+ µ
0
Khi ở trong từ trường H, các momen từ của vật liệu định hướng theo trường đo
và tăng cường nó bằng chính từ trường riêng của chúng. Số hạng µ

0
trong biểu
thức trên chính là thành phần đóng góp đó.
Độ lớn của tỷ lệ với trường đặt vào là:
=χ
m
χ
m
– độ từ hóa(hệ số từ hóa). Hệ số từ hóa và độ thẩm từ tương đối liên hệ với
nhau theo:
χ
m
= µ
r
– 1
Các đơn vị từ trường rất dễ nhầm lẫn, bởi thực tế có hai hệ thống được sử dụng
phổ biến. Một là SI(meter-kilogram-second), hệ kia là CGS – EMU(centimeter –
gram – second – electromagnetic unit). Các đơn vị trong hai hệ đó và hệ số chuyển
đổi cho trong bảng 1 sau:
Bảng 1: Các đơn vị và các hệ số chuyển đổi giữa hai hệ SI và CGS – EMU
Đại
lượng
Kí hiệu
Đơn vị SI Đơn vị
CMS-
EMU
Chuyển
đổi
Dẫn xuất Gốc
Cảm

ứng
từ(mật
độ từ
thông)
Tesla(Wb/m
2
) Kg/s.C Gauss
Cảm ứng
từ(mật độ
từ thông)
Cường
độ từ
trường
Amper.vòng/
m
C/m.s Oersted
Cường độ
từ trường
Vector
từ hóa
Amper.vòng/
m
C/m.s
Maxwell/c
m
2
Vector từ
hóa
Độ
thẩm từ

của
µ
0
Henry/m Kg.m/C
2
Không
đơn vị
Độ thẩm
từ của
chân
15
chân
không
không
Độ
thẩm từ
tương
đối
µ
r
(SI)
µ’(CGS-EMU)
Không đơn vị
Không
đơn vị
Không
đơn vị
Độ thẩm
từ tương
đối

Độ từ
hóa(hệ
số từ
hóa)
χ
m
(SI)
χ
m
’(CGS-EMU)
Không đơn vị
Không
đơn vị
Không
đơn vị
Độ từ
hóa(hệ số
từ hóa)
- Tính thuận từ và nghịch từ:
Nghịch từ là một dạng rất yếu của từ tính, không vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi có
một từ trường ngoài tác dụng. Trường cảm ứng sinh ra do có sự thay đổi chuyển
động quỹ đạo của điện từ bởi trường ngoài.
Moment từ có trị số rất nhỏ và hướng ngược chiều với từ trường ngoài. Như
vậy độ thẩm từ tương đối µ
r
nhỏ hơn 1(tuy nhiên chỉ rất ít) và độ từ hóa là âm.
Nghĩa là cường độ của từ trường B trong vật rắn nghịch từ vào khoảng -10
-5
. Khi
đặt vào giữa hai cực của một nam châm điện mạnh, các vật liệu nghịch từ sẽ bị hút

về phía những khu vực từ trường yếu.
Hình 2.13 sẽ minh họa cấu hình các lưỡng cực từ nguyên tử của một vật liệu
nghịch từ khi có và không có từ trường ngoài. Ở đây, các mũi tên biểu thị các
moment lưỡng cực nguyên tử, khác với trình bày trước, các moment chỉ biểu thị các
moment điện tử. Sự phụ thuộc của B vào từ trường ngoài H đối với vật liệu nghịch
từ biểu diễn ở hình bên dưới.
Hình 2.13 Tính chất của vật liệu thuận từ và nghịch từ
16
Tính nghịch từ có ở tất cả các vật liệu, nhưng vì nó rất yếu nên chỉ có thể quan
sát được khi không có các dạng từ tính khác, do đó chúng ít có ý nghĩa trong thực
tế.
Bảng 2: Hệ số từ hóa ở nhiệt độ phòng của các vật liệu nghịch và thuận từ
Nghịch từ Thuận từ
Vật liệu Hệ số từ hóa Vật liệu Hệ số từ hóa
Nhôm oxit -1,81.10
-5
Nhôm 2,07.10
-5
Đồng -0,96.10
-5
Crôm 3,13.10
-5
Vàng -3,44.10
-5
Crôm clorua 1,51.10
-5
Thủy ngân -2,85.10
-5
Mangan sulfat 3,7.10
-5

Silic -0,41.10
-5
Môlipden 1,19.10
-5
Bạc -2,38.10
-5
Natri 8,48.10
-5
Natri clorua -1,41.10
-5
Titan 1,81.10
-5
Kẽm -1.56.10
-5
Ziêôni 1,09.10
-5
Trong nhiều vật liệu, mỗi nguyên tử có một moment lưỡng cực vĩnh cửu do
kết quả triệt tiêu lẫn nhau không hoàn toàn của các moment từ spin và các moment
từ quĩ đạo. Khi không có từ trường ngoài, các moment từ nguyên tử này định hướng
hỗn loạn, do đó vật liệu sẽ không có vector từ hóa vĩ mô riêng. Khi có từ trường
ngoài, các lưỡng cực nguyên tử này quay tự do và tính thuận từ chỉ thể hiện khi sự
quay này tạo ra một định hướng ưu tiên nào đó như hình trên. Kết quả làm tăng từ
trường ngoài, gây ra một thẩm từ trường tương đối µ
r
lớn hơn 1 và do đó độ từ hóa
tương đối nhỏ nhưng lại có giá trị dương.
Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính, bởi vì
chúng chỉ bị từ hóa khi có một từ trường ngoài. Mật độ từ thông trong chúng hầu
như giống nhau trong chân không.
b, Cảm biến dòng điện Foucault

Phần tử chính của cảm biến là một cuộn dây được cung cấp dòng điện có tần
số cao, nó sẽ tạo ra một từ trường thay đổi chung quanh cuộn dây. Một vật kim loại
nằm trong vùng từ trường này sẽ xảy ra hiệu ứng dòng điện Foucault. Theo định
luật Lenz, dòng điện này có chiều chống lại nguyên nhân tạo lên nó, nên một từ
thông ngược lại với từ thông của cuộn dây sẽ được sinh ra, điều này dẫn đến làm
giảm hệ số tự cảm của cuộn dây.
17
Hình 2.14 Cảm biến dòng điện Foucault và mạch tương đương
Cảm biến từ trở thay đổi chỉ dùng với những đối tượng vật liệu sắt từ,
cảm biến dòng điện Foucault được dùng cả những vật là kim loại. Tuy nhiên đáp
ứng không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách đối tượng, mà còn phụ thuộc đặc
tính điện (điện trở suất, độ từ thẩm) và những đặc tính hình học (dạng và kích
thước). Đối tượng và cảm biến thường đặt trong môi trường không khí, việc lắp
đặt có thể bố trí trong môi trường cách điện, điều này cho phép tổn hao ít đối
với tần số dòng điện hoạt động. Lý thuyết đơn giản về hoạt động của loại
cảm biến này được xây dựng dựa trên việc xem đối tượng kim loại như một mạch
điện có hỗ cảm M với cuộn dây. Ta có:
Z
1
= R
1
+
fL
1
ω
: tổng trở cuộn dây
Z
2
= R
2

+ jL
2
ω : tổng trở tương đương của đối tượng
M = K : hệ số hỗ cảm
K: hệ số ghép giữa cuộn dây và đối tượng, phụ thuộc vào vị trí của đối tượng.
Ta có phương trình:
Sơ cấp:
(

R
1
+ j
L
1
ω
)

i
1
+ j
M
ωi
2
=
e
1
Thứ cấp:
(

R

2
+ j
L
2
ω
)

i
2
+ j
M
ωi
1
= 0
Rút gọn:
Khi cuộn dây được cung cấp, tổng trở cuộn dây sơ cấp đã được biến đổi
do ghép thêm với cuộn thứ cấp.
+ Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng:
+ Điện cảm cuộn dây giảm:
+ Trong trường hợp đối tượng là vật dẫn điện tốt:
Và tổng trở tương đương cuộn dây sơ cấp rút
gọn:
18
;
Phương pháp này ứng dụng của nguyên lý dòng điện Foucault trong việc nhận
dạng tiền xu.
Cảm biến nhận dạng xu theo nguyên lý “so sánh với đồng xu
m
ẫ
u

”.
Nguyên lý nhận dạng này đơn giản, không cho phép đo trực tiếp các thông số vật
lí và bề dày của đồng xu. Việc xác định mệnh giá của đồng xu dựa trên việc so
sánh đồng xu cần kiểm
tra
có giống đồng xu mẫu hay
không.
Hình 2.15 Cảm biến nhận dạng tiền xu dựa trên
nguyên lý dòng điện Foucault
- Cơ sở lý thuyết
Khi một đồng xu kim loại được đặt vào từ trường, nếu mẫu bỏ vào có cấu tạo
vật liệu kim loại có từ tính (nghịch từ, thuận từ) thì vật liệu sẽ bị từ hóa, và sẽ tạo ra
một từ trường riêng cùng chiều(thuận từ) hoặc ngược chiều(nghịch từ) với từ trường
ngoài. Khi đó từ trường sẽ xâm nhập vào đồng tiền xu cần kiểm tra và tạo nên dòng
điện Foucault trong nó. Tuỳ thuộc vào dạng vật liệu, hình dạng, bề dày của đồng xu
mà dòng điện Foucault này sinh ra từ trường chống lại. Từ thông này có thể đo
được.
- Nguyên lý hoạt động
Cảm biến gồm 3 cuộn dây: cuộn dây thứ cấp H2, cuộn sơ cấp H1 và H3, ba
cuộn giống nhau.
Cuộn H2 được đặt ở giữa, đồng trục và cách đều 2 cuộn H1 và H2.
Hai cuộn H1 và H2 mắc đối ngẫu.
Cho dòng điện xoay chiều chạy qua 2 cuộn H1,H3. Khi đó từ thông sinh ra
bởi cuộn dây H1 sẽ sinh ra dòng điện Foucault trong đồng xu mẫu.Tùy thuộc vào
bề dày của đồng xu mẫu mà dòng Foucault này sinh ra một từ thông, từ thông này
19
sẽ gây ra một điện áp trên cuộn thứ cấp H2. Điện áp này mang thông số và đặc tính
của đồng xu mẫu.
Tương tự như cuộn dây H3 nó sẽ sinh ra một điện áp ngược chiều với điện áp
của cuộn dây H2 sinh ra. Nếu xu mẫu và xu cần nhận dạng giống nhau thì áp vi sai

trên cuộn dây thứ H2 bằng 0 và ngược lại thì sẽ khác 0.
Hình 2.16 Nhận dạng tiền xu bằng phương pháp cảm biến điện từ
Đây là mạch nguyên lý của cảm biến nhận dạng tiền xu theo kiểu
“Comparable coin selector – so sánh với đồng xu mẫu” trong các module nhận dạng
trước đây do Trung quốc sản xuất. Chúng ta thường thấy trong các máy game xu tại
các siêu thị, các khu giải trí…Nhược điểm của phương pháp này là với một bộ cảm
biến ta chỉ nhận biết được một loại tiền xu tương ứng với đồng xu chúng ta cần so
sánh. Muốn nhận dạng được nhiều tiền xu thì ta phải thiết kế các bộ cảm biến nối
tiếp với nhau, số bộ cảm biến tương ứng với số đồng xu mà chúng ta cần so sánh.
Cách này được dùng rất nhiều trước đây.
c, Cảm biến điện cảm
Nguyên
lý và đặc tính tổng
qu
á
t
:
Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện được thực
hiện nhờ một trong những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thông
trong cuộn dây. Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt từ, một sự chuyển đổi sự dịch
chuyển thẳng hay quay tròn được thể hiện bởi:
- Sự thay đổi hệ số từ cảm (điện cảm thay đổi)
- Sự thay đổi độ ghép giữa các cuộn dây sơ và thứ cấp của biến áp (biến áp vi
sai, microsyn) gây ra một sự thay đổi điện áp thứ cấp.
Khi cuộn dây quay tròn so với một cuộn cố định, thì một cuộn giữ vai
trò phần cảm, còn cuộn kia phần ứng, nó tác động như một biến áp có độ ghép thay
đổi. Cuộn sơ là phần cảm, cuộn thứ là phần ứng và tạo ra một điện áp hoạt
động theo góc quay (biến trở điện cảm, resolver). Những thay đổi hệ số từ
cảm và hỗ cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thông thường có sự tuyến
tính kém, điều này có thể cải thiện đáng kể nhờ việc bố trí hai cuộn dây đối

kháng mà hệ số tự cảm L và hỗ cảm M thay đổi ngược nhau đối với cùng
một chuyển động. Như vậy, ta đã thực hiện một sự bù trừ một phần
không tuyến tính (hoạt động push – pull). Cảm biến điện cảm được dùng trong
20
mạch có nguồn cung cấp bởi một nguồn điện áp sin, có tần số thường giới
hạn cỡ hàng chục kHz để giảm bớt những mất mát về từ và dòng điện
Foucault, cũng như ảnh hưởng điện dung ký sinh. Điện áp đo υ
m
, là kết quả của
sự biến đổi biên độ của điện áp cung cấp E
S
cos
S
t bởi sự dịch chuyển x(t):
υ
m
= K . x(t) .
E
S
cos(
S
t+
Φ )
Rất hiếm, những thay đổi phần tử điện cảm có thể được dùng biến đổi tần số
của mạch dao động, tỉ lệ với sự dịch chuyển. Trong mọi trường hợp, bất kỳ
loại biến đổi nào, tần số f của sự chuyển động phải rất nhỏ so với tần số sóng mang
f
S
để dễ dàng cho việc tách sóng: f<
f

S
/ 10. Những cảm biến điện cảm nhạy đối với
những từ trường nhiễu, đó là lý do tại sao cần đặt những màn bảo vệ từ trong cuộn
dây.
Hình 2.17 Cảm biến loại khe hở không khí thay đổi
Hệ số tự cảm L của cuộn dây có N vòng dây được diễn tả theo từ trở R
của mạch từ:
L= với R=
µ - độ từ thẩm; S - tiết diện mạch từ
Khi tiết diện của mạch từ không đổi trong từng đoạn:
R=
Trong đó:
- chiều dài trung bình của đường sức trong lõi sắt và trong
không khí.
- tiết diện mạch từ và khe hở không khí
- độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ( vào khoảng 10
3
đến 10
4
)
µ
o
=
4
π
.10
−7
MKSA
2.4. Cảm biến nhận dạng tiền xu
2.4.1. Một số module cảm biến nhận dạng tiền xu

21
Hình 2.13 Module cảm biến nhận dạng tiền xu
Hình ở trên là các modul nhận dạng tiền xu ứng dụng dòng Foucault. Cảm
biến nhận dạng gồm ba cuộn dây được mắc đồng trục tạo thành hai khe, một khe
đựng đồng tiền xu mẫu, khe kia để cho đồng xu cần kiểm tra chạy qua, nếu đồng xu
thật thì sẽ kích relay hoạt động nhận đồng xu vào, nếu là xu giả thì relay không
được kích động thì đồng xu được trả ra ngoài.
2.4.2. Modul nhận dạng tiền xu trong đề tài
Trên cơ sở lý thuyết về cảm biến điện cảm, nhóm đã sử dụng bộ cảm biến
nhận dạng tiền xu EU1 Multi – Coin Coin Selecter do Trung Quốc sản xuất.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa tên nguyên lý cuộn cảm:
Hình 2.18 Phương pháp xác định giá trị theo sự biến thiên điện cảm
Tương tự như phương pháp biến đổi diện dung, ngõ vào chính là mạch dao
động LC. Khi ta bỏ tiền vào giữa lõi cuộn dây thì khi đó điện cảm L của cuộn dây
sẽ thay đổi dẫn đến tần số dao động của mạch cũng thay đổi và sóng sin này được
chuyển thành chuỗi xung vuông, kế đến đưa vào IC xử lý.Nhiệm vụ của IC là kiểm
tra sự thay đổi tần số của chuỗi xung vuông đưa vào, rồi so sánh giá trị của mẫu đã
có(giá trị mẫu được lấy mẫu từ trước và nạp vào trong IC) rồi đưa ra quyết định
xem tiền xu đó là thật hay giả. Nếu là giả thì relay sẽ không được kích hoạt và khi
đó đồng xu sẽ bị trả ra ngoài. Nếu là thật relay sẽ kích hoạt, đóng nam châm điện
hút mở tay gạt, đồng xu được nhận vào máy. Đồng thời, IC sẽ truyền tới ngõ ra số
22
xung do đồng xu tạo ra, ta sẽ nhận lấy số xung này để nhận biết giá trị của đồng xu.
Thông thường, ta đưa vào vi điều khiển để xử lý và cho ra giá trị của đồng xu đó.
Hình 2.19 Cảm biến nhận dạng tiền xu EU1
Hình 2.20 Bản vẽ kỹ thuật của cảm biến nhận dạng tiền xu
2.4.3. Thông số kỹ thuật
a, Có thể lập trình bằng chương trình Hand – Held hoặc PC.
b, Các kênh tiền xu
12 kênh tiền xu được chia làm 2 loại ngân hàng (12=6+6): ngân hàng A và

ngân hàng B(thay đổi qua công tắc). Xét ví dụ sau:
+ Ngân hàng A với những đồng tiền xu của nhà nước, ngân hang B với
những đồng tiền xu thay thế.
+ Cả hai ngân hàng A và B cùng là những đồng xu nhưng với tín dụng khác
nhau(hai giá).
c, Lựa chọn :
4 hiển thị số(cho thấy đơn vị đo lường mà bạn cài đặt và tích luỹ giá trị).
23
d, Ngõ ra:
+ Xung / tổng hợp ngõ ra:
Thừa nhận rằng “giá”=10 đôla:
Cài đặt 10 đôla tiền xu: 10=10 chuyển ra ngõ ra 1 xung
Cài đặt 5 đôla tiền xu: 5<10 không phản xạ, cài đạt them 5 đôla tiền
xu khác: 5+5=10 chuyển thành 1 xung.
Cài đặt 50 đôla tiền xu: 50=10+10+10+10+10 chuyển thành 5 xung.
+ Ngõ ra thời gian:
EU1 có thể làm việc như một timer mặc dù nó là một sản phẩm khác.
EU1 sẽ điều khiển máy trực tiếp(AC 90V ~ AC 240V/8Amp). Hiển thị sẽ
cho thấy đơn vị tiền tệ mà bạn cài đặt và đếm xuống thời gian.
+ Ngõ ra tương tự.
+ Ngõ ra RS232.
e, Có một đường cản trở cho người điều khiển máy
f, Chú ý:
+ Điện áp: DC 12V
+ Nhiệt độ làm việc: −5 ~ +50
0
C
+ Đường kính đồng xu 17 ~ 31mm
+ Bề đày đồng xu 1.0 ~ 3.0 mm.
2.5. Bộ điều khiển của máy

Bất kì một sản phẩm cơ điện tử thông minh nào muốn hoạt động được phải
có một bộ điều khiển trung tâm điều khiển mọi hoạt động của sản phẩm. Bộ điều
khiển trung tâm này, ngày nay rất đa dạng có thể là một PC được đặt trong sản
phẩm đó, hoặc kết nối với sản phẩm đó thậm chí từ khoảng cách rất xa, cũng có thể
là một bộ PLC, hay vi điều khiển…
Trong đề tài, nhóm đã sử dụng một vi điều khiển làm bộ điều khiển trung tâm
cho máy. Dòng chip được sử dụng là Atmega 128, một sản phẩm của hãng Atmel.
24
Hình 2.21 Chip Atmega128
Dòng vi điều khiển này với các đặc tính và chức năng phù hợp được miêu tả
dưới đây.
- 128 Kbytes bộ nhớ Flash có thể lập trình lại, với 10000 lần xóa, tẩy.
- 4 Kbtes EEROM với 100000 lần xóa tẩy.
- 4 Kbytes SRAM nội.
- Trên dưới 64 Kbytes bộ nhớ ngoài.
- Chế độ bảo vệ chương trình( Fuse)
- 64 thanh ghi I/.O.
- 160 thanh ghi vào ra mở rộng.
- 32 thanh ghi đa mục đích.
- 2 timer 8 bit.
- 2 thanh ghi 16 bit.
- 2 kênh PWM 8 bit tương ứng.
- 6 kênh PWM 16 bit tương ứng.
- 8 ngắt ngoài.
- Đóng gói 64 chân với 6 PORT, với 53 chân I/O.
- Bộ định thới watchdog.
- Bộ dao động nội RC tần số 1MHz, 2MHz, 4MHz, 8MHz.
- ADC 8 kênh với độ phân giải 10 bit.
25