錢幣分類及清點裝置設計

林劍鋒 林偉青

【摘 要】針對2016年（第七屆）全國大學生機械創新設計大賽三個主題中的“錢幣的分類、清點、整理機械裝置”進行了分析與設計。該主題貼近人們的現實生活，在提高大學生創新能力的同時又可以給生活帶來了方便。設計過程中要盡量符合高效、便利及個性化等特點，在達到相同目的的情況下盡可能使裝置機構簡單，加工方便，成本低，經濟性好等優點。

【關鍵詞】硬幣 紙幣 分類 清點

隨著國家經濟的發展和社會的不斷進步，環保意識逐漸成為人民群眾的第一觀念，越來越多人習慣搭公交出門。但是問題就來了，面對各種各樣的錢幣，公交公司人員應該怎樣進行快速且有效地分類呢？銀行從事金融方面以及生活中的我們將面臨同樣問題。本文將對于硬幣和紙幣進行分開闡述和分析，可為參加第七屆機械設計大賽提供資源

國內有部分人曾研究過同類產品，但因價格高昂且技術較為復雜而沒有廣泛推廣。以下所分析的分類裝置中各有各的優缺點，但體現的主題是經濟與環保。

1硬幣清分機

硬幣清分機的結構是由1底座、2擋圈、3旋轉盤、4轉盤底板、5滑道、6光電管以及7電機等七個主要部分構成。其結構如圖1所示。該裝置實現的功能是對于混在一起的硬進行分類及清點，最終在數碼管顯示器上顯示所有硬幣的數量及總額。該裝置的轉盤底板自右向左設有孔徑自大到小的硬幣孔，依次為1元、 1角（大）、5角、1角（?。┧膫€孔。1電機通過螺釘固定在4轉盤底板上，3旋轉盤則直接安裝在電機軸上，電機帶動旋轉盤旋轉，并且與轉盤底板相互貼合。硬幣清分機進行工作時，剛開始啟動電機，然后將混雜的硬幣放入旋轉盤上，此時由擋圈擋住。電機帶動旋轉盤轉動，旋轉盤上的硬幣就會做圓周運動，接著不同直徑的硬幣就會落到對應的孔內，硬幣滑入滑道，繼而滑入不同的儲幣箱內，實現硬幣的分類與清分。當硬幣在滑道中滑動時，安裝在6光電管的光電傳感器將會對移動的硬幣進行計數，并將最后的數量及金額顯示在數碼管顯示器上。

圖1 硬幣清分機結構圖

2利用直徑大小不同的硬幣分類裝置

該硬幣分類裝置的適用范圍是1元、5角以及1角（新版）。其硬幣分離板實物圖如圖3所示。工作原理：將硬幣分離板傾斜50至60度，目的是讓硬幣能夠利用自身重力作用沿滑道滑下。先將混雜的三種硬幣放入滑道入口，硬幣在重力作用下下滑。第一分離出口的滑道直徑為5角的直徑，1元硬幣則在一定速度條件下沖出主滑道，進入1元指定滑道。第二分離出口的滑道直徑為新版1角直徑，其原理與1元類似。1元和5角分離后，剩下直徑最小的新版1角即滑入指定滑道。

圖3 硬幣分離板

經過分離后的三種直徑大小不同的硬幣進入各自的豎直儲存道內，安裝在豎直儲存道上的光敏傳感器對硬幣進行計數，計數裝置用光電三極管作為檢測元件，檢測原理如圖4所示。

圖4 計數原理圖

圖中黑色掉入儲存道的硬幣，Vi為24V電源電壓，Vo為輸出電壓，A和B分別是發光二極管的發射端和接收端，R1和R2為限流電阻器。計數原理：當若干個硬幣通過圖示位置時，每通過一個接收端就會收到一個光信號，通過N個就收到N個光信號，此時輸出端也會輸出N個電脈沖信號。采用一單片機對輸出的電脈沖信號的下降沿進行計數，并且在LED數碼顯示管將結果顯示出來。

該硬幣分類裝置的優點是分離裝置簡單易懂，加工成本低，經濟性能好。缺點是不能分離出舊版1角硬幣。改善的方案是在1元分離道和5角分離道中間增加一個舊版1角分離道，其滑道直徑為小于舊版1角且稍大于5角的尺寸，以便于讓舊版1角因滑道尺寸不足而滑出主滑道從而進入指定的滑道。

3紙幣清分系統1

紙幣清分系統的機械結構圖如圖5所示。該系統主要由DSP處理器、A/D轉換器、SDARM存儲器、USB傳輸控制模塊、CIS傳感器以及FPGA控制器等模塊組成。其工作原理：將紙幣放入接鈔位置，此時位置傳感器產生系統處理啟動脈沖信號，系統從休眠狀態進入數據采集狀態。接著紙幣進入采集檢測部分，接觸式圖像傳感器（Contact Image Sensor，簡稱CIS）根據軟件預設發出綠色、藍色、紅色或紫外光、紅外光以及三基色混色等對紙幣進行光照，其反射回來的光線經過光電轉換轉變為電壓信號，然后經模擬/數字（Analog/Digital，簡稱A/D）轉換芯片將電壓模擬信號轉變成數字模擬信號，并送入FPGA控制芯片進行圖像數據重排、保存以及組合處理。

圖5 紙幣清分系統1的機械結構圖

FPGA控制模塊獲取到的圖像數據保存到外部動態隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，簡稱SDRAM）中，其后續圖像處理工作將由數字信號處理器（Digital Sigal Processor，簡稱DSP）模塊負責。DSP圖像處理模塊和FPGA采集模塊共用高速SDRAM存儲器，可達到處理及時、效率高等優點。DSP處理模塊的分析結果控制分鈔部分的機械動作以及紙幣的識別。與此同時，紙幣的采集圖像可以通過串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）傳輸控制傳送給上位機進行更復雜詳細的數據保存與處理。

4紙幣清分系統2

紙幣清分系統的組成結構如圖6所示。該系統分為識別過程和訓練過程，訓練過程如下分析：

第一步，圖像預處理。

第二步，特征提取?；谡麖埣垘诺奶卣魈崛。虼藢⒓垘琶娣e均勻分成5行50列，在每一個特征塊內計算像素的平均灰度作為這一區域的特征，由此構成了250（5*50）維識別特征，最后進行K-L變換降到了36維。

第三步，基于結構風險最小化GMM的高斯分量個數的確定。根據統計學習理論中關于風險上屆的定義，我們可以得出經驗上屆公式當中分子的計算。又因為極大似然值與損失函數的定義之間存在聯系，所以可將EM迭代中對似然值的估計直接引進來，即可得到經驗風險。要保證訓練過程是效率問題，即不可能對各種分量進行一一驗證。所以從（1，，2，4，8，16，32）任選一個，其中使得結構風險上屆最小的值將作為高斯分量個數。

第四步，EM迭代，估計高斯混合模型中的參數。通過以上步驟可確定每一類紙幣樣本高斯分量的個數。然后進行EM迭代，對GMM模型中方差、中心以及分量系數進行估計。如果EM迭代的訓練參數收斂，就要保存訓練得到的參數集合，就是指該種紙幣樣本的GMM模板，以便于識別階段使用。

識別過程如下分析：

識別過程的第一步和第二步和訓練過程一樣。

第三步，讀取訓練階段保存的各類紙幣特征的模板。

第四步，GMM模板匹配。即將各紙幣類型的參考模板與待識別的特征矢量相匹配，其所屬類型為似然值最大的那一類。當最大似然值小于某個閾值，則作為拒識處理。

圖6 紙幣清分系統2的組成結構

5結語

針對硬幣分類及清點裝置的設計，利用直徑大小不同的硬幣分類裝置具有明顯的結構簡單，加工制造成本低，經濟性能好等優點；硬幣清分機所實現的功能與硬幣分類裝置類似，其缺點是結構較復雜。

針對錢幣清分系統，1和2系統實現的功能一樣，但1系統較2系統簡單，主要采用機械結構和傳感器；2系統則對軟件要求較高?？傊Y構簡單，加工成本低，環保且能實現特定分類及清點功能就是我們所要達到的效果。

參考文獻：

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作者簡介：林劍鋒（1993—），男，福建莆田人，福建農林大學機電工程學院車輛工程。