周興華，程麗麗，唐 杰，楊立英，孫 曉※

（1.吉林大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130012；2.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130025）

0 引言

硬幣作為一種小面額流通貨幣，以其耐磨損、易回收、攜帶方便等優(yōu)點，在公交車、超市等收費系統(tǒng)中流通甚廣[1]。然而，大量的硬幣流通、匯集勢必增大分揀操作的工作量，此時為了降低人工勞動強度，節(jié)約人力成本，硬幣分揀機應(yīng)運而生[2-4]。而目前市面上及在研究的硬幣分揀機存在如下問題：1）結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉但分揀功能不理想、穩(wěn)定性差；2）分揀迅速準(zhǔn)確但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴[5]。為了設(shè)計出更加合理、實用的硬幣分揀機，本文提供了一種新的硬幣分揀機設(shè)計思路，希望能夠?qū)⑵渲械脑O(shè)計思想應(yīng)用到實際的生產(chǎn)生活當(dāng)中，對工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生一定的推動作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本設(shè)計欲實現(xiàn)硬幣的準(zhǔn)確分離、分揀、計數(shù)顯示功能。根據(jù)系統(tǒng)不同的實現(xiàn)功能，對實現(xiàn)方案進(jìn)行設(shè)計，其中分離方案采用旋轉(zhuǎn)聯(lián)動機構(gòu)配合硬幣自身的重力完成；分揀方案包含檢測和分揀兩個過程，由于不同面值硬幣的重量不同（假幣5.9克，1元硬幣6.1克，5角硬幣3.5克，1角硬幣3.2克，多次測量取平均值），對不同面值硬幣的檢測采用稱重傳感器配合轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行。檢測完成之后，采用傾斜滑道配合開關(guān)閘門完成硬幣的分揀過程；在稱重傳感器測量硬幣重量的過程中，通過軟件及液晶顯示器即可實現(xiàn)計數(shù)顯示功能。系統(tǒng)方案控制框圖如圖1所示。

圖1 硬幣分揀機控制框圖

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的三維CAD圖形如圖2所示。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計

模塊化是將一個復(fù)雜的系統(tǒng)或過程按照一定的聯(lián)系規(guī)則分解為可進(jìn)行獨立設(shè)計的半自律性的子系統(tǒng)的行為[6]。根據(jù)模塊化設(shè)計思想的內(nèi)涵，本文將硬幣分揀機系統(tǒng)分為主控模塊、硬幣分離輸送模塊、硬幣檢測模塊、硬幣分揀模塊。

圖2 機械結(jié)構(gòu)三維設(shè)計模型

2.1 主控模塊

相較于STC80C51單片機復(fù)雜的硬件設(shè)置和編程操作[7]，本設(shè)計中控制器采用Arduino2560單片機，其具有編程簡單、傳輸速度快、功耗低的特點，而且Arduino產(chǎn)品軟硬件均是開源的，方便設(shè)計人員學(xué)習(xí)和使用[8]。

2.2 硬幣分離輸送模塊

硬幣分離，即利用機械或電氣設(shè)備將大量堆積的硬幣分散開來，形成可對單個硬幣進(jìn)行處理的過程。對于硬幣的分離形式，主要分為離心力式分離、摩擦力式分離以及重力式分離[2]。借鑒上述部分設(shè)計思想，本文設(shè)計了一種新型的硬幣分離方式，具體機構(gòu)如圖3所示，圖中分離盤由驅(qū)動電機、頂層固定盤、中間旋轉(zhuǎn)盤和底層固定盤構(gòu)成，頂層固定盤和底層固定盤之間的設(shè)計距離稍大于一元硬幣的厚度，小于兩個一角硬幣的厚度之和，中間旋轉(zhuǎn)盤的厚度略小于兩層之間距離。三個盤的邊緣等直徑位置均鉆有稍大于一元硬幣直徑大小的圓孔，頂層固定盤和底層固定盤的兩圓孔位置彼此錯開，頂層圓孔與儲幣桶聯(lián)通，底層圓孔正下方的位置放置稱重模塊。

圖3 三維模型結(jié)構(gòu)（側(cè)仰視圖）

硬幣分離輸送過程為：1）儲幣桶中硬幣在自身重力作用下，有一枚硬幣落入頂層固定盤的圓孔中；2）電機帶動中間旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至中間旋轉(zhuǎn)盤圓孔與頂層固定盤圓孔圓心重合時，硬幣落入中間旋轉(zhuǎn)盤圓孔中；3）旋轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，將硬幣分離，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至中間旋轉(zhuǎn)盤圓孔與底層固定盤圓孔圓心重合時，硬幣從底層固定盤圓孔落入稱重模塊中，完成硬幣的分離輸送。

2.3 硬幣檢測模塊

本設(shè)計通過重量對硬幣進(jìn)行檢測，檢測傳感器為電阻應(yīng)變式壓力傳感器配合信號處理模塊，其中電阻應(yīng)變式壓力傳感器具體原理及實物如圖4所示。

圖4 惠斯通電橋及傳感器實物

信號處理模塊選用HX711運算放大及24位AD轉(zhuǎn)換處理器。HX711AD轉(zhuǎn)換模塊可在芯片內(nèi)部內(nèi)置放大器，可選放大倍數(shù)為32、64、128倍，程序中選用了128倍的放大倍數(shù)，當(dāng)輸出電壓為滿量程電壓9 mV時，放大后的電壓為1 152 mV。測量精度可達(dá)到0.1g。

2.4 硬幣分揀模塊

本文巧妙的設(shè)計了如圖3所示的聯(lián)動機構(gòu)，該聯(lián)動機構(gòu)由固定在中間旋轉(zhuǎn)盤上的旋轉(zhuǎn)桿和稱重模塊上的擋桿構(gòu)成，當(dāng)中間旋轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)的過程中，旋轉(zhuǎn)桿觸碰擋桿將稱重模塊中硬幣擋板打開，硬幣從稱重模塊中掉落入硬幣分揀模塊的滑道上。中間旋轉(zhuǎn)盤每旋轉(zhuǎn)一周，打開一次硬幣擋板，實現(xiàn)一枚硬幣掉落。

硬幣分揀模塊由傾斜滑道和滑道中設(shè)置的四個閘門，以及控制閘門開閉的舵機構(gòu)成。當(dāng)稱重模塊測量出硬幣的重量，判斷屬于何種硬幣，驅(qū)動舵機使相應(yīng)的閘門打開，中間旋轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)的過程中，觸發(fā)聯(lián)動機構(gòu)，實現(xiàn)一枚硬幣掉落入硬幣分揀模塊的滑道上，硬幣依靠自身重力下滑，并在閘門開啟處落入對應(yīng)的集幣盒槽中，完成硬幣的分揀收集。

滑道的傾斜角度大小的選擇根據(jù)滑道表面的摩擦系數(shù)和硬幣下滑的初速度確定。本設(shè)計中滑道采用亞克力板構(gòu)造，表面光滑，通過試驗，滑道傾斜角度與硬幣下落狀態(tài)的關(guān)系如表1所示。

本文綜合考慮下落速度與分揀精度，確定傾斜角度為30度。

表1 滑道傾斜角度與硬幣下落狀態(tài)關(guān)系

3 實物搭建及實驗

根據(jù)以上設(shè)計思想，通過Pro/Engineer軟件建立整體機械結(jié)構(gòu)的三維模型，進(jìn)行運動仿真，檢查干涉情況，確認(rèn)運動正常無干涉后，將三維圖形轉(zhuǎn)化為二維圖形輸出或生成機床可以識別的程序代碼，進(jìn)行加工制造。制造完成的樣機實物如圖5所示。

圖5 測試實物模型

本硬幣分揀機分揀硬幣的工作過程為：1）面值為1角、5角、1元的硬幣和假幣混雜放入儲幣桶中；2）電機帶動分離盤中的中間旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，將儲幣桶中的單枚硬幣分離并運送入稱重模塊中；3）稱重模塊測量硬幣的重量，并將數(shù)值計入Arduino程序；4）程序判斷屬于何種面值的硬幣，并驅(qū)動相應(yīng)的硬幣分揀模塊中的傾斜滑道閘門打開；5）硬幣從稱重模塊中掉落并在傾斜滑道中滑落或滾落的過程中，掉入相應(yīng)的集幣盒分槽中。分離盤中的中間旋轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周，完成一枚硬幣的分離、分揀、計數(shù)顯示功能。

通過實驗測試，本硬幣分揀機運行狀態(tài)良好，可以精確的實現(xiàn)硬幣的分離、分揀、計數(shù)顯示功能。

4 結(jié)束語

本文采用模塊化設(shè)計思想，設(shè)計了一種基于Arduino控制的硬幣分揀機。該分揀機摒棄了傳統(tǒng)的硬幣分離方式，巧妙的設(shè)計了新型的硬幣分離、分揀聯(lián)動機構(gòu)，結(jié)合電阻應(yīng)變壓力傳感器、24位AD轉(zhuǎn)換器、傾斜滑道、舵機等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硬幣的準(zhǔn)確分離、分揀、計數(shù)顯示功能。該設(shè)計具有體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)原理簡單等優(yōu)點，整體實現(xiàn)效果良好，可為硬幣分揀設(shè)備的發(fā)展制造提供新的設(shè)計思路。

［1］林君，趙新月.簡易電子式硬幣分揀裝置的設(shè)計［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2016（23）：141-141.

［2］郝志偉，劉思聰.新型硬幣分揀包裝機的設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016（22）：68-70.

［3］雷永剛，韋沛東，侯文龍，等.一種簡潔硬幣分揀機的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.河南科技，2016（7）：61-62.

［4］丁鳳娟，洪騰蛟，陳康迪，等.第五套人民幣硬幣分揀機結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造［J］.安徽科技學(xué)院學(xué)報，2016，30（5）：71-74.

［5］夏開虎，伍文進(jìn)，夏輝.一種新型硬幣分揀機構(gòu)的設(shè)計與研究［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（4）：101-102.

［6］孫明陽.汽車造型模塊化設(shè)計研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2014.

［7］錢鴻志，胡天立，陳智，等.一種基于STC80C51單片機的智能硬幣分揀機的設(shè)計［J］.無線互聯(lián)科技，2017（9）：58-59.

［8］楊志芹.基于Arduino單片機的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］.機電工程技術(shù)，2016，45（11）：80-83.