林劍鋒 林偉青

【摘 要】針對2016年（第七屆）全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽三個主題中的“錢幣的分類、清點(diǎn)、整理機(jī)械裝置”進(jìn)行了分析與設(shè)計。該主題貼近人們的現(xiàn)實生活，在提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的同時又可以給生活帶來了方便。設(shè)計過程中要盡量符合高效、便利及個性化等特點(diǎn)，在達(dá)到相同目的的情況下盡可能使裝置機(jī)構(gòu)簡單，加工方便，成本低，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】硬幣 紙幣 分類 清點(diǎn)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，環(huán)保意識逐漸成為人民群眾的第一觀念，越來越多人習(xí)慣搭公交出門。但是問題就來了，面對各種各樣的錢幣，公交公司人員應(yīng)該怎樣進(jìn)行快速且有效地分類呢？銀行從事金融方面以及生活中的我們將面臨同樣問題。本文將對于硬幣和紙幣進(jìn)行分開闡述和分析，可為參加第七屆機(jī)械設(shè)計大賽提供資源

國內(nèi)有部分人曾研究過同類產(chǎn)品，但因價格高昂且技術(shù)較為復(fù)雜而沒有廣泛推廣。以下所分析的分類裝置中各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，但體現(xiàn)的主題是經(jīng)濟(jì)與環(huán)保。

1硬幣清分機(jī)

硬幣清分機(jī)的結(jié)構(gòu)是由1底座、2擋圈、3旋轉(zhuǎn)盤、4轉(zhuǎn)盤底板、5滑道、6光電管以及7電機(jī)等七個主要部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置實現(xiàn)的功能是對于混在一起的硬進(jìn)行分類及清點(diǎn)，最終在數(shù)碼管顯示器上顯示所有硬幣的數(shù)量及總額。該裝置的轉(zhuǎn)盤底板自右向左設(shè)有孔徑自大到小的硬幣孔，依次為1元、 1角（大）、5角、1角（?。┧膫€孔。1電機(jī)通過螺釘固定在4轉(zhuǎn)盤底板上，3旋轉(zhuǎn)盤則直接安裝在電機(jī)軸上，電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，并且與轉(zhuǎn)盤底板相互貼合。硬幣清分機(jī)進(jìn)行工作時，剛開始啟動電機(jī)，然后將混雜的硬幣放入旋轉(zhuǎn)盤上，此時由擋圈擋住。電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)盤上的硬幣就會做圓周運(yùn)動，接著不同直徑的硬幣就會落到對應(yīng)的孔內(nèi)，硬幣滑入滑道，繼而滑入不同的儲幣箱內(nèi)，實現(xiàn)硬幣的分類與清分。當(dāng)硬幣在滑道中滑動時，安裝在6光電管的光電傳感器將會對移動的硬幣進(jìn)行計數(shù)，并將最后的數(shù)量及金額顯示在數(shù)碼管顯示器上。

圖1 硬幣清分機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2利用直徑大小不同的硬幣分類裝置

該硬幣分類裝置的適用范圍是1元、5角以及1角（新版）。其硬幣分離板實物圖如圖3所示。工作原理：將硬幣分離板傾斜50至60度，目的是讓硬幣能夠利用自身重力作用沿滑道滑下。先將混雜的三種硬幣放入滑道入口，硬幣在重力作用下下滑。第一分離出口的滑道直徑為5角的直徑，1元硬幣則在一定速度條件下沖出主滑道，進(jìn)入1元指定滑道。第二分離出口的滑道直徑為新版1角直徑，其原理與1元類似。1元和5角分離后，剩下直徑最小的新版1角即滑入指定滑道。

圖3 硬幣分離板

經(jīng)過分離后的三種直徑大小不同的硬幣進(jìn)入各自的豎直儲存道內(nèi)，安裝在豎直儲存道上的光敏傳感器對硬幣進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)裝置用光電三極管作為檢測元件，檢測原理如圖4所示。

圖4 計數(shù)原理圖

圖中黑色掉入儲存道的硬幣，Vi為24V電源電壓，Vo為輸出電壓，A和B分別是發(fā)光二極管的發(fā)射端和接收端，R1和R2為限流電阻器。計數(shù)原理：當(dāng)若干個硬幣通過圖示位置時，每通過一個接收端就會收到一個光信號，通過N個就收到N個光信號，此時輸出端也會輸出N個電脈沖信號。采用一單片機(jī)對輸出的電脈沖信號的下降沿進(jìn)行計數(shù)，并且在LED數(shù)碼顯示管將結(jié)果顯示出來。

該硬幣分類裝置的優(yōu)點(diǎn)是分離裝置簡單易懂，加工成本低，經(jīng)濟(jì)性能好。缺點(diǎn)是不能分離出舊版1角硬幣。改善的方案是在1元分離道和5角分離道中間增加一個舊版1角分離道，其滑道直徑為小于舊版1角且稍大于5角的尺寸，以便于讓舊版1角因滑道尺寸不足而滑出主滑道從而進(jìn)入指定的滑道。

3紙幣清分系統(tǒng)1

紙幣清分系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。該系統(tǒng)主要由DSP處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、SDARM存儲器、USB傳輸控制模塊、CIS傳感器以及FPGA控制器等模塊組成。其工作原理：將紙幣放入接鈔位置，此時位置傳感器產(chǎn)生系統(tǒng)處理啟動脈沖信號，系統(tǒng)從休眠狀態(tài)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。接著紙幣進(jìn)入采集檢測部分，接觸式圖像傳感器（Contact Image Sensor，簡稱CIS）根據(jù)軟件預(yù)設(shè)發(fā)出綠色、藍(lán)色、紅色或紫外光、紅外光以及三基色混色等對紙幣進(jìn)行光照，其反射回來的光線經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，然后?jīng)模擬/數(shù)字（Analog/Digital，簡稱A/D）轉(zhuǎn)換芯片將電壓模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字模擬信號，并送入FPGA控制芯片進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)重排、保存以及組合處理。

圖5 紙幣清分系統(tǒng)1的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

FPGA控制模塊獲取到的圖像數(shù)據(jù)保存到外部動態(tài)隨機(jī)存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，簡稱SDRAM）中，其后續(xù)圖像處理工作將由數(shù)字信號處理器（Digital Sigal Processor，簡稱DSP）模塊負(fù)責(zé)。DSP圖像處理模塊和FPGA采集模塊共用高速SDRAM存儲器，可達(dá)到處理及時、效率高等優(yōu)點(diǎn)。DSP處理模塊的分析結(jié)果控制分鈔部分的機(jī)械動作以及紙幣的識別。與此同時，紙幣的采集圖像可以通過串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）傳輸控制傳送給上位機(jī)進(jìn)行更復(fù)雜詳細(xì)的數(shù)據(jù)保存與處理。

4紙幣清分系統(tǒng)2

紙幣清分系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。該系統(tǒng)分為識別過程和訓(xùn)練過程，訓(xùn)練過程如下分析：

第一步，圖像預(yù)處理。

第二步，特征提取?；谡麖埣垘诺奶卣魈崛?，因此將紙幣面積均勻分成5行50列，在每一個特征塊內(nèi)計算像素的平均灰度作為這一區(qū)域的特征，由此構(gòu)成了250（5*50）維識別特征，最后進(jìn)行K-L變換降到了36維。

第三步，基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化GMM的高斯分量個數(shù)的確定。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論中關(guān)于風(fēng)險上屆的定義，我們可以得出經(jīng)驗上屆公式當(dāng)中分子的計算。又因為極大似然值與損失函數(shù)的定義之間存在聯(lián)系，所以可將EM迭代中對似然值的估計直接引進(jìn)來，即可得到經(jīng)驗風(fēng)險。要保證訓(xùn)練過程是效率問題，即不可能對各種分量進(jìn)行一一驗證。所以從（1，，2，4，8，16，32）任選一個，其中使得結(jié)構(gòu)風(fēng)險上屆最小的值將作為高斯分量個數(shù)。

第四步，EM迭代，估計高斯混合模型中的參數(shù)。通過以上步驟可確定每一類紙幣樣本高斯分量的個數(shù)。然后進(jìn)行EM迭代，對GMM模型中方差、中心以及分量系數(shù)進(jìn)行估計。如果EM迭代的訓(xùn)練參數(shù)收斂，就要保存訓(xùn)練得到的參數(shù)集合，就是指該種紙幣樣本的GMM模板，以便于識別階段使用。

識別過程如下分析：

識別過程的第一步和第二步和訓(xùn)練過程一樣。

第三步，讀取訓(xùn)練階段保存的各類紙幣特征的模板。

第四步，GMM模板匹配。即將各紙幣類型的參考模板與待識別的特征矢量相匹配，其所屬類型為似然值最大的那一類。當(dāng)最大似然值小于某個閾值，則作為拒識處理。

圖6 紙幣清分系統(tǒng)2的組成結(jié)構(gòu)

5結(jié)語

針對硬幣分類及清點(diǎn)裝置的設(shè)計，利用直徑大小不同的硬幣分類裝置具有明顯的結(jié)構(gòu)簡單，加工制造成本低，經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)；硬幣清分機(jī)所實現(xiàn)的功能與硬幣分類裝置類似，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

針對錢幣清分系統(tǒng)，1和2系統(tǒng)實現(xiàn)的功能一樣，但1系統(tǒng)較2系統(tǒng)簡單，主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器；2系統(tǒng)則對軟件要求較高?？傊?，結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，環(huán)保且能實現(xiàn)特定分類及清點(diǎn)功能就是我們所要達(dá)到的效果。

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作者簡介：林劍鋒（1993—），男，福建莆田人，福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程。