柳雅文 左豐豪 張凱 張蕾 朱琳 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院

錢幣分離計(jì)數(shù)機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

柳雅文 左豐豪 張凱 張蕾 朱琳 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院

如今隨著公交系統(tǒng)遍及廣泛，貨幣流通過程中免不了使用大量的硬幣，社會對硬幣的快速分類整理及清點(diǎn)需求與日俱增，基于這一實(shí)際情況，本文主要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)了一種錢幣分離、計(jì)數(shù)裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)一元、五角硬幣的分離工作，主要針對于公交車上的硬幣，利用其外形尺寸的差別進(jìn)行分離。硬幣分離之后，進(jìn)入各自的通道中，在通道的末尾設(shè)有金屬感應(yīng)器，可以計(jì)錄通過硬幣的數(shù)量。本裝置加工簡單，制作方便，針對性強(qiáng)，性價(jià)比較高，調(diào)試簡單，既便于人們的出行及消費(fèi)，又減少了用于人工整理、清點(diǎn)錢幣的開支，彌補(bǔ)了目前投幣系統(tǒng)單一的存儲功能的缺憾。

硬幣分離 計(jì)數(shù) 收集 高效

隨著貿(mào)易迅速發(fā)展，自動(dòng)化商業(yè)機(jī)械有了越來越廣泛地應(yīng)用。錢幣分離機(jī)作為自動(dòng)化商業(yè)系的代表，有極大的市場需求，在錢幣的識別、分類方面它能給人們的生活帶來了極大地方便。傳統(tǒng)的硬幣分離方式為人工分離，其效率較慢，成本高，提高硬幣的分離效率在當(dāng)下顯得尤為重要，這也是本次項(xiàng)目研究的意義所在。硬幣相比紙幣來說有減少病菌的傳播、耐磨損、易回收等無可替代的優(yōu)勢，從長遠(yuǎn)來說節(jié)省了國家造幣開支，由此占領(lǐng)了小面額貨幣市場。隨著硬幣的使用頻率逐漸增加，硬幣分離以及統(tǒng)計(jì)成為一個(gè)亟待解決的社會難題。在我國，硬幣的投放量還將大幅度增加，相應(yīng)的配套使用的儀器和設(shè)備數(shù)量龐大，種類繁多。據(jù)市場調(diào)查，目前市場上的一個(gè)投幣箱價(jià)格在1500-2000元左右，成本較高。目前在大多數(shù)情況下這些硬幣收集后，一般是由人工分揀計(jì)數(shù)，誤差比較大、計(jì)數(shù)效率也不高，而且加大了對雇傭員工成本投入，這些因素都大大制約了公交行業(yè)的發(fā)展。因此，針對于公交車上的硬幣，設(shè)計(jì)一種便捷、可靠的具有分離、計(jì)數(shù)并且收集功能的裝置對交通行業(yè)的發(fā)展、硬幣的流通來說都至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外已經(jīng)有多種能夠?qū)崿F(xiàn)硬幣的分離、計(jì)數(shù)、整理甚至其他更多功能的儀器裝置的研究。有一種滑槽式硬幣清分機(jī)是在對滑槽式硬幣清分機(jī)市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，對滑槽式硬幣清分機(jī)的整體造型進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。還有一種基于PC/104總線工控機(jī)的硬幣清分裝置,實(shí)現(xiàn)硬幣的快速鑒偽、面值清分、金額累計(jì)等功能,這都是相當(dāng)智能化的機(jī)器了。還有比較傳統(tǒng)的一種曲柄搖桿式硬幣分離機(jī)的設(shè)計(jì)，是利用各種面值硬幣直徑大小的不同，利用篩箱來進(jìn)行分離，采用的曲柄搖桿裝置，使篩箱震動(dòng)起來，增強(qiáng)分離器中硬幣重心的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)硬幣分離；另一種獨(dú)特的階梯式軌道硬幣清分機(jī)，采用特殊的三階梯式分離軌道實(shí)現(xiàn)不同尺寸硬幣分類，并且利用可旋轉(zhuǎn)的雙筒收集裝置，有效地解決了分類計(jì)數(shù)問題。除此之外還有基于Solid Works的錢幣自動(dòng)分離器，可實(shí)現(xiàn)硬幣的分類和計(jì)數(shù)；底部收納盒實(shí)現(xiàn)硬幣的包裝整理；還有種通過送幣漏斗到達(dá)送幣盤，送幣盤在旋轉(zhuǎn)的過程中實(shí)現(xiàn)錢幣的分離的機(jī)器，并且由設(shè)置在導(dǎo)槽兩側(cè)面的傳感器完成硬幣的清分計(jì)數(shù)過程。另外，還有一種由毛刷根據(jù)不同幣值的硬幣直徑判斷通過的紙硬幣的性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)不同紙硬幣的分離，目前有將此設(shè)計(jì)應(yīng)用于無人售票的公交車上。

但是以上的設(shè)計(jì)裝置不是設(shè)備造價(jià)太高，就是儀器太過于笨重，實(shí)際運(yùn)用起來還是有很大的局限性，不滿足市場需要。于是為了解決現(xiàn)有裝置所存在的問題，基于現(xiàn)有研究的總結(jié)分析進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了如下裝置。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖1錢幣分離計(jì)數(shù)機(jī)俯視圖

圖2錢幣分離計(jì)數(shù)機(jī)三維立體圖

1.機(jī)架2.轉(zhuǎn)盤3.滾筒支撐板4.導(dǎo)軌5.硬幣擋板6.滾筒7.電機(jī)8.通道固定板9.五角硬幣通道及金屬感應(yīng)計(jì)數(shù)器10.五角硬幣收集槽11.一元硬幣收集槽12.一元硬幣通道及金屬感應(yīng)計(jì)數(shù)器

1.2 具體安裝方式

硬幣支撐板5通過螺栓固定到滾筒6上，然后滾筒6通過螺栓固定安裝到滾筒支承面3上，轉(zhuǎn)盤2也通過軸承安裝到滾筒支承面3上，導(dǎo)軌4也通過螺栓固定到滾筒支承面3上，然后滾筒支承面3通過螺栓連接固定到機(jī)架1，進(jìn)而電機(jī)7通過螺栓固定到機(jī)架1上。五角硬幣通道及金屬感應(yīng)器9、一元硬幣通道及金屬感應(yīng)器12通過螺栓固定到通道固定板8上，并且通道固定板8通過螺栓固定到機(jī)架1上，五角硬幣收集槽10、一元硬幣收集槽11通過螺栓固定到機(jī)架1上。由轉(zhuǎn)盤2、導(dǎo)軌4、五角硬幣通道及金屬感應(yīng)器9、一元硬幣通道及金屬感應(yīng)器12、五角硬幣收集槽10、一元隱硬幣收集槽11組成了裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.3 工作原理

硬幣清分機(jī)的工作原理是：將硬幣放入機(jī)器上方的滾筒中，電機(jī)帶動(dòng)滾筒內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，利用離心力作用將硬幣從滾筒的開口處甩出。甩出的硬幣進(jìn)入導(dǎo)軌裝置，利用硬幣直徑大小不同的原理，一元硬幣通過導(dǎo)軌，五角硬幣因直徑比較小從中間縫隙落下實(shí)現(xiàn)分離。通過導(dǎo)軌的硬幣進(jìn)入通道中，由于在導(dǎo)軌下方的通道中設(shè)有金屬感應(yīng)器，用于對落下的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)硬幣達(dá)到一百個(gè)時(shí)，給單片機(jī)傳遞信號將儲有硬幣的收集槽轉(zhuǎn)出，實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)收集。最終一元與五角硬幣分別落入各自的硬幣收集槽，實(shí)現(xiàn)分類收集與整理。

1.4 硬幣的分離裝置

通過實(shí)際測量得出：

一元硬幣：直徑25mm，厚1.85mm；

五角硬幣：直徑20.5mm，厚1.65mm；

機(jī)器制作主要針對于公交車上收集的一元五角硬幣，將硬幣放入滾筒的轉(zhuǎn)盤上，利用離心力將硬幣離心甩出。本裝置的設(shè)計(jì)是滾筒開口在切線方向26mm寬，開口高度距轉(zhuǎn)盤2mm，使硬幣較容易的甩出。甩出的硬幣進(jìn)入導(dǎo)軌（圖3）中，一元硬幣可以在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，而五角硬幣將從中間縫隙掉落，可以設(shè)計(jì)導(dǎo)軌上部寬26mm中間的縫隙寬21mm，這樣便實(shí)現(xiàn)了硬幣的分離。

圖3導(dǎo)軌

1.5 硬幣的計(jì)數(shù)及指定個(gè)數(shù)輸出

硬幣分離之后，進(jìn)入各自的通道中。由于硬幣是金屬材料，所以在通道的末尾設(shè)有金屬感應(yīng)器，每通過一枚硬幣，感應(yīng)器計(jì)數(shù)器便可以累加一次，進(jìn)而可以記錄通過硬幣的數(shù)量。硬幣計(jì)數(shù)后落入各自硬幣收集槽中。當(dāng)硬幣達(dá)到指定數(shù)量后，將信號傳給單片機(jī)，利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，將硬幣收集槽轉(zhuǎn)出，實(shí)現(xiàn)硬幣的指定數(shù)量的收集與整理。

1.6 應(yīng)用及調(diào)整

本裝置為實(shí)現(xiàn)指定個(gè)數(shù)輸出，利用金屬感應(yīng)器計(jì)數(shù)硬幣數(shù)量，將信號轉(zhuǎn)給單片機(jī)，經(jīng)過輸入制定的匯編程序處理后，給步進(jìn)電機(jī)發(fā)射脈沖使其轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止硬幣過多導(dǎo)致導(dǎo)軌堵塞，在滾筒開口處進(jìn)行流量控制使硬幣大約一圈可以轉(zhuǎn)出一枚，一分鐘可分離大約200個(gè)到400個(gè)硬幣。指定個(gè)數(shù)輸出可以根據(jù)需要修改匯編程序，相應(yīng)的硬幣槽的高度及轉(zhuǎn)機(jī)扭矩也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而可以指定任意個(gè)數(shù)硬幣的收集以及輸出。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)比的選取

2.1.1 傳動(dòng)比選取

對硬幣進(jìn)行受力分析，硬幣若能夠離心甩出，則轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力 應(yīng)大于硬幣對轉(zhuǎn)盤的摩擦力 。 為主軸轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)盤半徑， 為硬幣與轉(zhuǎn)盤的摩擦系數(shù)。

為了讓硬幣較快分離，提高轉(zhuǎn)速，取 ，經(jīng)驗(yàn)證，該傳動(dòng)比滿足硬幣離心要求。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)選取

帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤以及大量硬幣旋轉(zhuǎn)(這里假設(shè)有100個(gè)一元硬幣在轉(zhuǎn)盤上時(shí)啟動(dòng))，以及如果硬幣阻擋在滾筒開口處，需要利用摩擦將硬幣轉(zhuǎn)出。

所選電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min，功率為120w。

2.2 帶輪及帶數(shù)的選擇

由于空間有限，這里使用一級傳動(dòng)比 =7。由于功率較低，參考利用洗衣機(jī)上帶輪的設(shè)計(jì)，帶型選用Z型帶。

經(jīng)驗(yàn)證，符合要求。

2.3 單片機(jī)控制電路圖

圖4控制電路圖

圖4中89C52(1)為計(jì)數(shù)功能，89C52(2)為控制電機(jī)動(dòng)作。電機(jī)選用42步進(jìn)電機(jī)，扭矩大小為0.7

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.4.1 分離階段

硬幣進(jìn)入工作區(qū)，混合幣在電動(dòng)滾筒施加的離心力作用下被拋入導(dǎo)軌，利用硬幣直徑大小不同的原理，在導(dǎo)軌內(nèi)部陣列了一系列直徑介于五角硬幣和一元硬幣的裝置，分布于導(dǎo)軌表面，一元硬幣通過導(dǎo)軌，五角硬幣因直徑比較小從中間縫隙落下實(shí)現(xiàn)分離。

2.4.2 感應(yīng)階段

通道末端設(shè)置的金屬感應(yīng)器對進(jìn)入的硬幣感應(yīng)敏銳，準(zhǔn)確，可對經(jīng)過篩選的硬幣進(jìn)行精確計(jì)數(shù)，并將信號轉(zhuǎn)給單片機(jī)，經(jīng)過輸入制定的匯編程序處理后，給步進(jìn)電機(jī)發(fā)射脈沖使其轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4.3 計(jì)數(shù)階段

通過單片機(jī)原理，對所感應(yīng)的硬幣進(jìn)行累加，當(dāng)硬幣達(dá)到預(yù)定設(shè)置值時(shí)，硬幣收集槽自動(dòng)轉(zhuǎn)出進(jìn)行分類收集，并將混合幣有效分離并計(jì)數(shù)。

3 單片機(jī)編程應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能：

通過第一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)功能。硬幣通過一次金屬感應(yīng)器，金屬感應(yīng)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖，單片機(jī)接受到一個(gè)信號便記一次數(shù)。這里利用1602LCD顯示器顯示。將LCD顯示器初始化，設(shè)硬幣個(gè)數(shù)為x，通過將x對1000取余除以100后作為百位上的數(shù)字顯示，將x對100取余后除以10作為十位上的數(shù)字顯示，將x對10取余后作為個(gè)位上的數(shù)字顯示。從而使硬幣的個(gè)數(shù)顯示到顯示屏上。

3.2 控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)：

將硬幣的個(gè)數(shù)信號傳遞給下一個(gè)單片機(jī)，若個(gè)數(shù)能被5整除則給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖，使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定步數(shù)，從而使硬幣收集槽旋轉(zhuǎn)90度，將存在硬幣槽中的5個(gè)硬幣旋轉(zhuǎn)出來，從而實(shí)現(xiàn)硬幣的整理收集。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

我們制作的機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)將大量的一元、五角硬幣的分離，指定個(gè)數(shù)整理輸出的功能。“錢幣分離計(jì)數(shù)機(jī)”創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

（1）利用離心的原理使硬幣輸入導(dǎo)軌，進(jìn)而通過設(shè)計(jì)導(dǎo)軌，利用硬幣直徑大小不同來分離硬幣，分離速度比較快效果也很穩(wěn)定。

（2）金屬感應(yīng)器靈敏可靠，與感應(yīng)與分離速度相協(xié)調(diào)，技術(shù)準(zhǔn)確，不漏數(shù)多數(shù)。

（3）機(jī)器設(shè)計(jì)可以指定個(gè)數(shù)輸出，輸出的個(gè)數(shù)可以根據(jù)具體需要設(shè)定，一個(gè)到一百個(gè)皆可，輸出硬幣為豎直一列排列，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了硬幣的整理目的，為下一步給硬幣包裝提供了方便。

（4）顯示屏上顯示的是當(dāng)前在硬幣槽中取出硬幣的數(shù)目，這樣可以簡單、精確的計(jì)算出硬幣的總個(gè)數(shù)。

（5）該裝置外形簡單，原理清晰，運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠，適用于各種自動(dòng)投幣場所，高效，環(huán)保，既方便了消費(fèi)，又降低了成本，且節(jié)省人力。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)裝置改進(jìn)了原始的投幣箱，實(shí)現(xiàn)了對硬幣分類、整理和計(jì)數(shù)功能，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，操作簡單，造價(jià)低，可用于無人售票系統(tǒng)的公交車。該裝置可以及時(shí)處理乘客投入的錢幣，緩解現(xiàn)有錢幣回收到公交公司由點(diǎn)鈔員清點(diǎn)工作量大和效率低的問題。使用該裝置分離、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確并且節(jié)省了大量的人力及成本支出，具有一定的市場前景與推廣價(jià)值。

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R730.58

A

朱琳（通訊作者），男，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)、太陽能利用工程技術(shù)與裝備研究，和工程制圖、計(jì)算機(jī)繪圖、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等方面的教學(xué)工作。