陳芳琪,林子鈺,黃凱鴻,周雨婧,趙建柱

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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基于Arduino的紙幣整理分類控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳芳琪,林子鈺,黃凱鴻,周雨婧,趙建柱

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

設(shè)計(jì)了一種基于Arduino開發(fā)板的紙幣整理、分類控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ArduinoMega2560單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、顏色傳感器、顯示屏、語音播放模塊等組成整套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紙幣整理、分類、顯示、語音播報(bào)等功能。該系統(tǒng)利用Arduino IDE開發(fā)環(huán)境編寫控制程序，通過模擬人工整理紙幣過程實(shí)現(xiàn)紙幣整理，通過顏色傳感器采集數(shù)據(jù)以及算法控制，實(shí)現(xiàn)紙幣分類，并通過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可靠性、穩(wěn)定性。

紙幣整理；Arduino；紙幣分類；顏色識(shí)別

0 引言

我國無人售票公交車的付費(fèi)，相當(dāng)一部分是由乘客使用小面額紙幣或硬幣自行投放，錢幣的清點(diǎn)工作是一個(gè)難題，特別是紙幣的分類需要大量的人工完成，缺少自動(dòng)化的分選裝置，國外的紙幣清分機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。本文提出了一種全自動(dòng)紙幣整理分類一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)紙幣整理、分類、顯示等功能，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

紙幣整理部分：模仿人工整理紙幣的過程：(1)將散亂的紙幣豎起；(2)用手指或者手掌將豎直或者傾斜的紙幣撥倒；(3)用手指或者手掌將撥倒的紙幣推整齊。該系統(tǒng)整理紙幣分4步完成：(1)紙幣順斜板滑下；(2)動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)震動(dòng)紙幣；(3)上撥針撥倒豎直或傾斜的紙幣；(4)下?lián)茚槍艿沟募垘磐浦磷髠?cè)。

紙幣分類部分：不同紙幣之間顏色存在明顯差異，通過顏色傳感器檢測每種紙幣不同的紅、綠、藍(lán)三通道的顏色值(RGB)，分析和比較不同紙幣RGB的特性，實(shí)現(xiàn)紙幣分類。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 紙幣整理機(jī)構(gòu)

紙幣順斜板滑下，進(jìn)入豎直的兩板之間，其中一個(gè)為動(dòng)板，另一個(gè)為定板。通過控制步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)控制動(dòng)板作水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使兩板間距周期變化，紙幣在重力作用下繼續(xù)下落。動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，上端步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶上的撥針將豎直的紙幣撥倒，下端步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶上的撥針將紙幣自右端推至左側(cè)。整理好的紙幣通過控制舵機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)落入下面的紙幣分類機(jī)構(gòu)。

2.2 紙幣分類機(jī)構(gòu)

紙幣上方顏色識(shí)別傳感器負(fù)責(zé)采集信號，不同面額的紙幣對應(yīng)不同的RGB，采用8G-4R-4B二值化[1]進(jìn)行RGB數(shù)值處理，使之產(chǎn)生顯著差別，從而實(shí)現(xiàn)不同紙幣的分類。通過控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)捻鈔輪，實(shí)現(xiàn)紙幣的單張輸出，每次識(shí)別到當(dāng)前紙幣的面額之后，通過控制下方步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)，帶動(dòng)固定在滑臺(tái)上方的收集盒前進(jìn)或后退，使不同的紙幣落入對應(yīng)的收集盒中。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件部分

采用TCS3200顏色傳感器收集紙幣的RGB數(shù)據(jù)，ATmega2560芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Ramps1.4拓展板和a4988驅(qū)動(dòng)板作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板，組成一個(gè)基于Ardunio Mega 2560控制的系統(tǒng)。通過控制各接口輸出的高低電平來控制各個(gè)部件，通過多個(gè)數(shù)字接口進(jìn)行信號傳輸，按時(shí)序通過I/O接口控制各部件工作狀態(tài)。對在正常清點(diǎn)中各傳感器接收到的信號進(jìn)行取樣、識(shí)別，并寄存起來，作為檢測的依據(jù)，同時(shí)根據(jù)比較算法得到該面值紙幣的特征信號。清點(diǎn)紙幣時(shí)，把顏色傳感器接收到的信號參數(shù)與原寄存起來的信號參數(shù)進(jìn)行比較、判斷，發(fā)出指令，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)移動(dòng)，將不同紙幣分別傳送到對應(yīng)的紙幣收集盒中。

3.1 單片機(jī)單元

系統(tǒng)采用Arduino Mega2560作為核心電路板，其最大的特點(diǎn)就是具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出，特別適合以Mega2560處理器為核心的需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口，1個(gè)16 MHz晶體振蕩器，1個(gè)USB口，1個(gè)電源插座，1個(gè)ICSP header和1個(gè)復(fù)位按鈕[2]。鑒于Arduino Mega 2560強(qiáng)大的功能，選擇其作為紙幣整理分類機(jī)的核心處理器。紙幣整理分類機(jī)包含多個(gè)部件，其中5路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板占用10個(gè)數(shù)字I/O接口，顏色傳感器占用一個(gè)中斷0引腳、4個(gè)數(shù)字I/O接口，語音模塊占用2個(gè)數(shù)字I/O接口，顯示屏占用2個(gè)數(shù)字I/O接口。Arduino Mega 2560可滿足該紙幣整理分類機(jī)的數(shù)據(jù)處理需求。系統(tǒng)所用主控板如圖2所示。

圖2 Arduino Mega 2560

3.2 顏色傳感器單元

TCS3200可編程的彩色光頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測量應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)三原色感應(yīng)原理，如果已知構(gòu)成各種顏色的三原色值，即可知道所測物體的顏色。對于TCS3200 ，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色通過[3]。例如，當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其他濾波器就可以得到藍(lán)色光或綠色光的光強(qiáng)。通過這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS3200 傳感器上光的顏色。

通過顏色傳感器得到紙幣RGB值后，再經(jīng)過8G-4R-4B二值化處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)特征，進(jìn)行紙幣分類。系統(tǒng)所用的顏色傳感器如圖3所示。

圖3 TCS3200顏色傳感器

3.3 顯示單元

系統(tǒng)選擇 LCD1602液晶顯示器，其具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以顯示字符和數(shù)字，顯示容量為 2行16個(gè)字。在系統(tǒng)中，將第一行的16個(gè)字分為“1yuan 5jiao zong”，同時(shí)將不同紙幣的數(shù)量、總金額對應(yīng)到第二行的16個(gè)字。在數(shù)據(jù)通信方面，采用兩條雙向的串行線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸(I2C協(xié)議)，極大地簡化了電路，使整個(gè)系統(tǒng)簡單而不失功能。

3.4 語音播放單元

本系統(tǒng)選擇mini voice M3語音播放模塊，該語音播放模塊體積小、集成度高、音量大、可靠穩(wěn)定，可以通過單片機(jī)單元選擇播放存入存儲(chǔ)卡內(nèi)的指定音頻[4]，如發(fā)送指令“play,0001,$ ”便播放0001號文件，具有操作簡單、可控性高的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用異步串口通信UART接口2傳輸數(shù)據(jù)[4]，實(shí)現(xiàn)語音提示、語音播報(bào)總數(shù)量的功能。

3.5 拓展板單元

Ramps1.4 連接強(qiáng)大的Arduino MEGA平臺(tái)，并擁有充足的擴(kuò)展空間。除了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口外，Ramps 1.4提供了大量其他應(yīng)用電路的擴(kuò)展接口，是一款更換零件方便，擁有強(qiáng)大的升級能力和擴(kuò)展模塊化設(shè)計(jì)的Arduino擴(kuò)展板。除五路步進(jìn)電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號接口外，自定義LCD1602屏、顏色傳感器、mini voice M3語音播放模塊的數(shù)字I/O接口，將所有接口集中在Ramps1.4拓展板上實(shí)現(xiàn)了裝置一體化、自動(dòng)化。

3.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35 V及2 A，A4988包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。系統(tǒng)所用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖4所示。

圖4 A4988

4 軟件部分

系統(tǒng)利用Arduino IDE開發(fā)環(huán)境編寫控制程序。該開發(fā)環(huán)境基于C語言，主要的參數(shù)功能都已經(jīng)函數(shù)化，直接調(diào)用函數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)各模塊的功能[5]。該程序采用模塊化編程，程序由系統(tǒng)主程序、初始化子程序、PWM步進(jìn)電機(jī)調(diào)速子程序、LCD1602液晶顯示子程序、語音提示子程序和顏色傳感器識(shí)別子程序組成。

主系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 結(jié)論

本文提出了一種可對紙幣進(jìn)行整理和分類的實(shí)現(xiàn)方法。通過動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上撥針撥倒紙幣，下?lián)茚樛讫R紙幣實(shí)現(xiàn)紙幣的整理，通過顏色傳感器測得紙幣RGB值，通過8G-4R-4B二值化處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)二值化數(shù)據(jù)特征進(jìn)行紙幣分類。該紙幣整理分類裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可減少人力物力的消耗，達(dá)到較佳的紙幣分類效果，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 蔡世捷.基于MATLAB的樹木圖像分割研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2005.

[2] 崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(4)：123-125.

[3] 張菁，楊應(yīng)平，章金敏，等.基于TCS3200D的顏色再現(xiàn)與分類[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013，46(2)：257-260.

[4] 馬光.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 程晨.Arduino 開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南:AVR 篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

Design of paper currency sorting control system based on Arduino

Chen Fangqi，Lin Ziyu，Huang Kaihong，Zhou Yujing，Zhao Jianzhu

(College of Engineering，China Agriculture University，Beijing 100083，China)

A paper currency sorting control system was designed based on Arduino. With the Arduino mega 2560 as the control center and a combination of stepper motor driver, color sensor ,viewing screen, voice broadcast module，the system realized the functions of paper currency collating ,sorting ,display and voice broadcast. Using Arduino integrated development environment to write the program, the system achieved both paper currency collating by imitating the process of manual work of paper currency collating and paper currency sorting by color sensor data collection and algorithm control .And the design proved to be reliable and stable by experiments.

paper currency collating ; Arduino; paper currency sorting; color discrimination

首都高校第八屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽(201605)

TP274

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.003

陳芳琪,林子鈺,黃凱鴻，等. 基于Arduino的紙幣整理分類控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：11-13.

2016-07-04)

陳芳琪(1995-)，男，本科生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

林子鈺(1994-)，女，本科生，主要研究方向：車輛工程。

黃凱鴻(1994-)，男，本科生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。