李 夢，王曉云

（安徽信息工程學(xué)院 機械工程系，安徽 蕪湖 241000）

基于單片機技術(shù)的硬幣分類計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計

李 夢，王曉云

（安徽信息工程學(xué)院 機械工程系，安徽 蕪湖 241000）

我國現(xiàn)有的硬幣分類計數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高.該文基于硬幣不同面值的尺寸不同，設(shè)計機械分類裝置，主要包括出幣裝置，分類軌道，計數(shù)裝置和硬幣收集裝置.分類后的硬幣利用光電傳感器進行計數(shù)，通過搭建51單片機系統(tǒng)，設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動模塊、電源模塊、控制模塊和計數(shù)LED數(shù)碼管顯示模塊，完成對不同面值硬幣的計數(shù)，并將數(shù)值顯示在系統(tǒng)的面板上.該系統(tǒng)開發(fā)的實物經(jīng)過多次試驗驗證，能夠高效地完成硬幣的分類和計數(shù)統(tǒng)計，識別率達到99%以上，具有很高的工作穩(wěn)定性，同時也擁有一定的市場推廣價值.

硬幣分類；單片機；光電計數(shù)；數(shù)碼管顯示

目前我國流通廣泛的硬幣面值主要有1元、5角、大1角、小1角.它們分別的直徑為 25mm、22mm、20mm、18mm.國內(nèi)外采用硬幣免試識別的方法有很多，如圖像分析法、電渦流傳感器法、旋轉(zhuǎn)碼盤編碼器脈沖識別法等.這些方法識別硬幣面值效率高，但成本也相對較高，系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜，特別是圖像法對硬幣表面的潔凈度要求也很高[1].基于此，本設(shè)計提出利用成本較低的機械結(jié)構(gòu)裝置完成對硬幣的分類識別，搭建單片機系統(tǒng)完成硬幣的數(shù)量統(tǒng)計，通過數(shù)碼管LED顯示相應(yīng)的結(jié)果，實現(xiàn)方法簡單，穩(wěn)定性強，識別效率高，具有良好的可讀界面[2].

1 研究背景及意義

社會上一些行業(yè)，例如公交公司、銀行、超市等每天都會接觸大量的不同面值的硬幣，清點硬幣的工作大部分仍采用人工清點的方式，人工清點這些硬幣費時費力，而且會增加勞動成本，所以市場上急需一種可以快速分類不同面值的硬幣，并能實現(xiàn)準確計數(shù)功能，以及后續(xù)可以擴展鑒別真假和自動包裝的功能，以實現(xiàn)機器代替人工清點硬幣的工作.而現(xiàn)有的硬幣分類計數(shù)器功能單一，造價昂貴，效率較低，不適合向中小型企業(yè)推廣，所以本課題旨在設(shè)計并研發(fā)一種價格低廉，效率較高，功能更全的新一代硬幣分類計數(shù)機[3].

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1 結(jié)構(gòu)效果圖

該系統(tǒng)通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了對不同面值硬幣的分離和收集，借助電路的硬件設(shè)計完成了按鈕的輸入控制和LED數(shù)碼管的計數(shù)顯示，設(shè)計效果圖如圖1所示.其中主要結(jié)構(gòu)包括出幣裝置，分類裝置，計數(shù)裝置，收集裝置.電路的硬件設(shè)計主要包括光電常感器識別檢測、電機的調(diào)速控制、數(shù)碼管的計數(shù)顯示、控制按鈕的控制等模塊.

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)硬幣的傳輸流動順序，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)依次為出幣裝置、分類裝置和收集裝置.出幣裝置由圓盤和滑塊軌道組成，由二個電機驅(qū)動完成硬幣的移動和待分類.分類裝置是根據(jù)硬幣的面值直徑不同開始在分離軌道上對應(yīng)直徑數(shù)值的空隙.軌道空間擺放位置與X-Y平面成收30度夾角，與Y-Z平面也成30度夾角，硬幣進去軌道后會在重力的作用下自行下落并分類.集裝置由四個可移動的抽屜組成，硬幣分類計數(shù)后掉入抽屜里進行收集，該抽屜向外抽可取出硬幣.系統(tǒng)整體設(shè)計示意圖如圖2所示.

圖2 硬幣分類示意圖

3.1 出幣裝置

出幣裝置工作時，被分離的所有硬幣存于上盤儲存腔中，固定于上盤軸心處安裝有電機，硬幣在上盤電機轉(zhuǎn)動的帶動下做離心運動，向圓盤的外邊緣靠近.通過程序的設(shè)定電機間歇式加、減速轉(zhuǎn)動，此時硬幣則隨之相應(yīng)運動，在慣性力的作用下產(chǎn)生位移，最終由洞口逐步落入下盤，達到大量硬幣分量進行出幣的目的.下盤安裝螺旋槳，在直流減速電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，推動儲存腔中的硬幣落入下盤洞口，洞口下面安裝轉(zhuǎn)接軌道，從下盤掉落的硬幣進入轉(zhuǎn)接軌道，在轉(zhuǎn)接軌道末端還裝有一個限位滑塊21，確保硬幣非堆積的運送.

3.2 硬幣分類軌道

硬幣分類軌道的設(shè)計與X-Y平面成30度夾角，與Y-Z平面也成30度夾角，硬幣進軌道后會在重力的作用下自行下落并分類，示意圖如圖3所示.依據(jù)調(diào)整的恰當(dāng)角度，硬幣將挨著鑲條（圖中標識14）由曲形軌道（圖中標識13）滑入直軌道（圖中標識15）.在長為250mm、寬為30mm的直軌道上距離鑲條2mm處（圖中標識16）依次切出寬分別為17mm、18mm、20mm、22mm，長均為60mm的矩形通孔（圖中標識17），硬幣滑過以上不同寬度的矩形通孔時，分別分類出蘭花一角、荷花與梅花五角、菊花一角、牡丹與菊花一元.

圖3 硬幣分類軌道

3.3 計數(shù)軌道

分類后的硬幣進入計數(shù)軌道.為了避免硬幣下落對軌道的短距離沖擊，設(shè)計為弧形過渡曲面，以減小硬幣的沖擊強度，避免硬幣彈跳產(chǎn)生誤差.同時，為了讓硬幣與即將進入分類口的硬幣保持一定距離，確保計數(shù)精度，在立槽的末端安裝光電傳感器，通過通斷信號識別硬幣的經(jīng)過此時，并以此作為硬幣數(shù)量的計數(shù).

3.4 硬幣的收集

硬幣的收集裝置安裝機器底部，正對計數(shù)裝置的正下方，為了方便收集并整理硬幣，該結(jié)構(gòu)設(shè)計為抽屜式推拉結(jié)構(gòu)，如圖4所示.

圖4 硬幣收集裝置

3.5 整體外觀和布局

系統(tǒng)經(jīng)過加工，外觀效果為：上側(cè)是進料漏斗，硬幣從漏斗倒入，漏斗正下方放置四個3位數(shù)碼管，分別顯示不同硬幣的數(shù)目，數(shù)碼管下方是兩個控制按鈕，分別進行開始和計數(shù)清零信號動作.硬幣計數(shù)完畢掉落在盒中，當(dāng)前的硬幣數(shù)量顯示在LED界面上，下側(cè)的抽屜設(shè)計巧妙，方便人員收取[4].

4 系統(tǒng)控制電路設(shè)計

4.1 硬件電路總體設(shè)計

本設(shè)計采用51單片機控制，整體設(shè)計包括電源模塊、主控電路及數(shù)碼管顯示模塊、驅(qū)動模塊、直流電機控制模塊等主要部分組成[5].通過設(shè)計電路和實驗室制版相結(jié)合，進行電路設(shè)計和實驗驗證.

4.2 電源模塊

本模塊采用成品220v轉(zhuǎn)12v直流開關(guān)電源.降壓模塊采用LM2596降壓芯片.

4.3 主控電路及數(shù)碼管顯示模塊

主控電路采用單片機控制，主控芯片采用STC89C52，通過軟件編程實現(xiàn)對整個電路的控制.數(shù)碼管顯示器采用4塊3位0.56英寸共陰數(shù)碼管，由于單片機I/O口的驅(qū)動電流較小，所以采用了74HC573鎖存器驅(qū)動數(shù)碼管，其電路原理圖如圖5所示.

圖5 數(shù)碼管驅(qū)動原理圖

4.4 直流電機模塊

由于本機器需要用到多個直流減速電機，對于這些電機有的需要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)及PWM調(diào)速的功能[6]，所以我們采用了一款L298N的雙H橋電機驅(qū)動芯片.

5 試驗

5.1 單種硬幣和四種硬幣投入對比實驗

第一組：只投入40個1角硬幣；第二組：只投入40個5角硬幣；第三組：只投入40個老式一角硬幣；第四組：只投入40個一元硬幣；第五組：投入以上硬幣每種各10個，總數(shù)也為40個；試驗結(jié)果第一組用時20.4秒，第二組用時21.2秒，第三組用時22.3秒，第四組用時21.5秒，第五組用時21.8秒，對比發(fā)現(xiàn)每組用時幾乎相同.

5.2 硬幣分類計數(shù)效率實驗

在本試驗中，隨機配比含有40枚60枚和80枚不同面值的硬幣組，倒入進料口中，不同時間內(nèi)把硬幣全部分類并計數(shù)出每種硬幣的數(shù)量，準確度可以達到百分之百.

6 結(jié)論

本設(shè)計可高效地完成對硬幣的分類和計數(shù).隨著應(yīng)用的推廣可用于大型公交公司、銀行或小型超市、商戶使用，以實現(xiàn)用機器代替人清點硬幣的工作，體積較小，不用時儲藏方便，造價較低，批量生產(chǎn)成本更低[7].

〔1〕裴進靈.一體化硬幣識別及找零機的設(shè)計[J].機械管理開發(fā),2004(4):19-20.

〔2〕劉藝柱.硬幣識別器傳感線圈參數(shù)設(shè)計及改進[J].磁性材料及器件.硬幣自動分選裝置的研究與制作[J].內(nèi)燃機與配件,2010,41(3):57-60.

〔3〕郭素娜.基于電渦流傳感器的硬幣識別系統(tǒng)的設(shè)計[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2010,29(2):229-232.

〔4〕王亞.硬幣識別檢測裝置[D].中南大學(xué),2009.

〔5〕杜衍喆.基于單片機的硬幣識別系統(tǒng)開發(fā)[J].自動化應(yīng)用,2016(3):31-32.

〔6〕傅霖來.基于機器視覺的硬幣識別系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué),2009.

〔7〕張宇珩.基于應(yīng)變傳感器的硬幣識別裝置的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013(1):124.

TH71

A

1673-260X（2017）11-0048-02

2017-09-17

國家自然科學(xué)基金資助項目（61272540）；2016年安徽省教育廳自然科學(xué)基金重大項目（KJ2016SD07）