邱海飛，李偉濤，楊 光，牛曉雪

（西京學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

1 引言

日常生活中，很多行業(yè)每天都會面臨大量的硬幣流通與分點，例如銀行、超市、公交公司及地鐵站等，如何快速、精確地回收和清點各類不同面額的混合硬幣，一直是相關(guān)行業(yè)、領(lǐng)域研究和探索的技術(shù)熱點[1]。面對大量的硬幣清點工作，傳統(tǒng)的人工清點不僅費時費力，而且難免出錯，不能保證準確率。此外，目前已有的硬幣分點機械大多功能單一、效率不高，不能很好地實現(xiàn)大批量混合硬幣的高效分類與精確清點[2]，難以適應(yīng)相關(guān)行業(yè)及場所對于硬幣分點工作的預(yù)期要求。

設(shè)計研制了一種針對混合硬幣自動分類與清點的機械裝置，能夠在快速分揀混合硬幣的同時實現(xiàn)其自動精確清點，避免了耗時費力的人工清點過程，有效提高了硬幣分點的工作效率。

2 硬幣分點原理

根據(jù)不同規(guī)格硬幣的直徑差異，利用可振動傾斜滑道分揀混合硬幣[3]?；辣砻嬖O(shè)計有分揀1角、5角硬幣的圓孔和分揀1元硬幣的矩形空心區(qū)域，如圖1所示。

圖1 分揀滑道結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Sorting Ramp

其中，1角硬幣分揀圓孔有4個，孔徑：19.5mm＞19mm（實際1角硬幣直徑）；5角硬幣分揀圓孔有3個，孔徑：24mm＞20.5（實際5角硬幣直徑）；最下方的矩形空心區(qū)域為1元硬幣分揀區(qū)，尺寸為134*55mm，遠大于實際1元硬幣的直徑（25mm）。進入分揀區(qū)的硬幣借助自身慣性和滑道低頻振動沿傾斜表面向下運動，并按照硬幣直徑大小依次（1角→5角→1元）掉落至回收盒，實現(xiàn)混合硬幣的快速分揀。

另外，在回收盒下方裝有專門針對硬幣清點而開發(fā)的高精度電子計數(shù)裝置，可對回收的1角、5角及1元硬幣進行實時計數(shù)與清點，并將清點完成的硬幣數(shù)量和金額顯示于LCD屏上，實現(xiàn)回收硬幣的精確清點。

3 設(shè)計方案

3.1 電氣系統(tǒng)及硬件組成

考慮到硬幣分點機械的使用場所、工作負載及效率等因素[4]，選用一種三相直流電機進行動力輸入，其主要參數(shù)包括功率60W；電壓 220V；頻率：60Hz；輸出轉(zhuǎn)速：（0～40）r/min。為了提高硬幣分點效率，對電機進行調(diào)速控制，調(diào)速范圍：（18～40）r/min。當硬幣分點工作量較大時，可通過調(diào)速控制面板提高電機轉(zhuǎn)速，由此調(diào)節(jié)傳送帶輸送硬幣的速度，提高工作效率。

硬幣清點與計數(shù)由通過C語言開發(fā)的電路控制系統(tǒng)實現(xiàn)，主要包括單片機、電阻應(yīng)變片壓力傳感器、液晶顯示屏及相關(guān)電氣控制元件等，具體硬件組成主要包括：YL-33 51+AVR最小系統(tǒng)、STC12C5A60S2芯片、LCD12864顯示屏、3路壓力傳感器（HX711模塊）、蜂鳴器、DC-DC降壓模塊及電源適配器（12V、1A）。

HX711是24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，其管腳功能，如圖2所示。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。HX711芯片與后端STC12C5A60S2（MCU）芯片的接口連接，所有控制信號由管腳驅(qū)動，3路稱重模塊均采用通道A，可編程增益為128，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV或±40mV。HX711芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源4.3V，直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源。

圖2 HX711管腳功能Fig.2 Pin Function of HX711

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

硬幣回收清點過程需要進行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三部分組成，即電阻應(yīng)變片壓力傳感器、HX711 A/D轉(zhuǎn)換芯片及主控單片機MCU。通過由4組1KΩ電阻應(yīng)變片組成的壓力傳感器采用硬幣重量數(shù)據(jù)，然后經(jīng)由HX711模塊進行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后送入至主控單片機MCU進行數(shù)據(jù)處理和程序執(zhí)行。

圖3 數(shù)據(jù)采集過程Fig.3 Process of Data Acquisition

3.2.2 硬幣清點實現(xiàn)程序

整個電路系統(tǒng)由（12V、1A）電源適配供電，DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊將12V電壓降壓為標準的5V電壓，為YL-33 51+AVR最小系統(tǒng)、3路稱重模塊以及蜂鳴器供電，按下電源開關(guān)后，LCD 12864會顯示基本界面信息，表示系統(tǒng)可以正常工作。

硬幣清點過程，如圖4所示。3路（1角、5角、1元）電阻應(yīng)變片壓力傳感器將硬幣的重量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，HX711AD模塊把所采集的模擬電壓增益128倍后處理成24bit的數(shù)字量，并通過（P3.6，P3.7）、（P3.4，P3.5）、（P1.6，P1.7）三組數(shù)據(jù)、時鐘口送入主控單片機MCU。

圖4 硬幣清點工作流程Fig.4 Workflow of Coin Counting

STC12C5A60S2單片機會實時采集外部模擬電壓的變化量，并經(jīng)MCU數(shù)據(jù)處理以后，通過P2數(shù)據(jù)口送至LCD 12864上直觀、準確地顯示所采集到的外界信息。另外，當MCU檢測到硬幣1角、5角、1元的數(shù)量有任何一類超過100枚時，蜂鳴器會長鳴報警提示用戶有超重現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)硬幣清點原理及流程，利用C語言編寫硬幣清點主程序。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計創(chuàng)意和功能要求，要求樣機模型外觀新穎、結(jié)構(gòu)輕巧、成本低廉、性能可靠[5]。首先從產(chǎn)品設(shè)計角度對各機械零部件進行造型，然后確定其結(jié)構(gòu)及細節(jié)特征，主要機械零部件包括：機架、水平傳送帶、分揀滑道、分流罩、曲面漏斗、回收盒及亞克力板等。

在SolidWorks2015平臺上對各零部件進行三維CAD建模，最終設(shè)計完成的數(shù)字樣機，如圖5所示。樣機設(shè)計過程涉及多種現(xiàn)代CAD設(shè)計方法，如特征建模、單一數(shù)據(jù)庫、虛擬裝配、標準件庫、運動仿真、動畫制作及工程圖設(shè)計等[6-7]。裝配設(shè)計過程要求各零部件之間無干涉，確保數(shù)字樣機的設(shè)計精度和可靠性。

圖5 數(shù)字樣機總裝模型Fig.5 Assembly Model of Virtual Prototype

5 實物樣機

根據(jù)數(shù)字樣機結(jié)構(gòu)及工程圖紙制作實物樣機，采用工業(yè)鋁型材及亞克力板組裝機架結(jié)構(gòu)，其他零部件如帶傳動、亞克力板、單片機、控制開關(guān)、微型振動片、12864液晶屏等，都按照設(shè)計位置安裝在機架之上。樣機制作過程涉及相關(guān)機加工和工藝處理，如打孔、切割、磨削及銑削等；對于部分非標件和關(guān)鍵零部件[8]，通過3D打印進行制作，如分揀滑道、分流罩、曲面漏斗、回收盒及滑道支撐等。對3D打印模型進行工藝后處理，如去支撐、拋光、打孔及噴色等[9-10]，然后將其組裝到機架之上，最終制作完成實物樣機，如圖6所示。

圖6 實物樣機Fig.6 The Physical Prototype

6 結(jié)語

相對于同類產(chǎn)品，這種新型硬幣自動分點裝置不僅簡單、精準、高效，而且具有良好、穩(wěn)定的硬幣分點效能。實際測試表明，該裝置能夠方便、快捷地實現(xiàn)混合硬幣（1角、5角及1元硬幣）的自動分類與清點，可適用于銀行、超市及公交公司等場所，具有良好的應(yīng)用價值及市場推廣前景。