一種智能錢幣分類清點裝置的研制

趙鵬，張菁，郭敏

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)*

一種智能錢幣分類清點裝置的研制

趙鵬，張菁，郭敏

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)*

針對公交車、銀行等對硬幣紙幣混合錢幣分類、清點難的問題，提出了一種改進型的投幣裝置，實現(xiàn)對逐個投入錢幣的分類清點功能.該系統(tǒng)以單片機為控制器，利用風機分離紙幣，并統(tǒng)計紙幣數(shù)量.根據(jù)不同面值硬幣的直徑設(shè)計軌道，利用舵機帶動連桿裝置使不同面值硬幣分離，利用安裝在軌道上的光電傳感器實時統(tǒng)計硬幣數(shù)量.主機采用LCD實時顯示硬幣總面額和紙幣數(shù)量并通過無線收發(fā)模塊傳送至從機實現(xiàn)對錢幣統(tǒng)計的實時監(jiān)控.實驗證明，該系統(tǒng)集便攜、分類清點錢幣精度高、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，對應用于各種場合的投幣裝置的改進有一定的指導意義.

投幣裝置；錢幣分類；單片機；幣值統(tǒng)計；主從機

0 引言

硬幣紙幣的分類、整理、清點過程是一種連續(xù)的動態(tài)過程.傳統(tǒng)的公交車投幣機靠人眼識別幣值，特別是對于一角、五角面額的硬幣容易計數(shù)混淆，且會分散工作人員的注意力，后期錢幣的整理工作更要耗費大量的人力.在人工智能高速發(fā)展的今天，設(shè)計一款智能化程度高的投幣系統(tǒng)，克服以上缺點有重要的意義.本文提出的投幣裝置，在改進機械結(jié)構(gòu)的同時，增加處理器、傳感器和傳動裝置，實現(xiàn)對錢幣的分類、整理、清點的同時還可以通過從機遠程監(jiān)控[1-3].

1 投幣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

該投幣裝置的主視圖和硬幣分離軌道的三維圖分別如圖1、2所示.整個裝置模型利用亞克力板通過膠接或螺釘固定，硬幣分離軌道使用3D打印技術(shù)打印而成，材質(zhì)為光敏樹脂.

當紙幣和硬幣從投幣口落入紙幣硬幣分離斗時，紅外光電開關(guān)根據(jù)通過采樣間隔判斷降落速度確定是否為紙幣，如果為紙幣則按設(shè)定轉(zhuǎn)速啟動風機，不同面額的單張紙幣隨風力進入紙幣分離器后落入紙幣儲存箱，同時單片機對紙幣計數(shù).

圖1 投幣裝置主視圖

圖2 硬幣分離軌道3D圖

如果為硬幣，則風機不啟動，硬幣自由下落至硬幣分離斗，過渡通道確保硬幣落入垂直的硬幣軌道.如果為一元硬幣由于其直徑過大，卡在一元硬幣分離軌道口，安裝在該處的U型光電傳感器檢測到一元硬幣計數(shù)并由單片機控制舵機逆時針轉(zhuǎn)動45°，帶動連桿向斜上方運動，將一元硬幣推入一元硬幣分離軌道后落入一元硬幣儲存箱，同時舵機帶動連桿復位.五角硬幣分類與一元相似，而一角硬幣直徑最小直接通過一元、五角硬幣軌道經(jīng)由一角光電傳感器檢測后落入一角硬幣儲存箱.從而實現(xiàn)對逐個投入的硬幣的分離和統(tǒng)計功能.

用于檢測紙幣的漫反射式紅外光電傳感器及用于檢測硬幣一元、五角、一角的U型光電傳感器的采集結(jié)果由單片機處理后在LCD顯示的同時通過無線收發(fā)模塊發(fā)送至從機實時顯示.

2 控制電路設(shè)計

2.1 主機電源電路設(shè)計

主機既可以利用220V單相交流電經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)后供給系統(tǒng)電能也可以利用12 V蓄電池供電.具體主機電源電路如圖3所示.

圖3 主機電源電路

設(shè)u為整流輸出電壓,U2為變壓器變壓后的有效值,整流輸出電壓的平均值U為：

(1)

整流后的輸出u可利用傅氏級數(shù)分解為：

(2)

脈動系數(shù)S為基波峰值與平均值之比，則其脈動系數(shù)為：

(3)

由u的傅氏級數(shù)的展開式可知整流后輸出為脈動直流電，通過濾波使其平滑，濾波電路采用LC-π型濾波，其綜合了電感濾波和電容濾波的優(yōu)點濾波效果較好.由于電感的直流電阻小，交流阻抗大，因而直流分量經(jīng)過電感后基本無衰減，而交流分量經(jīng)過jwL分壓后，降低了輸出電壓的脈動成分[4].其中，KBU610為整流橋堆額定電流為6A，最高耐壓值為1 000V，將18V交流電轉(zhuǎn)換為脈動的直流電；三端穩(wěn)壓器LM7805、LM7812實現(xiàn)系統(tǒng)所需+5V、+12V的電壓變換.

為了提高系統(tǒng)的便攜性，可以利用雙擲開關(guān)切換至蓄電池，由12V蓄電池直接給系統(tǒng)供電，所需的+5V則通過穩(wěn)壓器LM7805輸出.同時，在蓄電池電量不夠時，經(jīng)市電變換后的+12V直流電也可以給蓄電池充電.

2.2 主機控制電路設(shè)計

控制電路是主機利用STC89C52單片機控制光電傳感器、舵機、風機、LCD顯示器及無線收發(fā)模塊等使其協(xié)調(diào)工作.其中光電傳感器型號為ITR9606，其實質(zhì)是一個帶凹槽的光耦，其與光耦內(nèi)部LED相接的電阻為限流電阻，與三極管集電極相接的為上拉電阻，當凹槽處有硬幣通過時，三極管截止輸出高電平，無硬幣通過時三極管飽和導通輸出低電平，單片機I/O口根據(jù)一元、五角、一角光電傳感器的電平變化確定硬幣數(shù)量并計數(shù).

舵機是一種位置伺服驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過180°，適用于需要不斷變化并可以保持的驅(qū)動器中，利用單片機程序控制舵機轉(zhuǎn)角使其帶動連桿將一元、五角硬幣推入相應軌道后復位[5].紅外傳感器則配合風機工作，由于單片機I/O口輸出電流較小，風機采用L298驅(qū)動器驅(qū)動，L298為雙全橋電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動信號為TTL電平與單片機兼容，其中L298驅(qū)動器6引腳為驅(qū)動器使能端，利用單片機的延時設(shè)置占空比，實現(xiàn)風機的PWM調(diào)速[6-7].顯示電路由圖形液晶顯示器LCD12864組成，采用串行連接方式，節(jié)省了單片機的I/O資源.無線收發(fā)模塊NRF24L01為工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，最大傳輸距離為1 000m，負責將采集的數(shù)據(jù)傳輸至從機，實現(xiàn)從機對主機的工作狀態(tài)實時監(jiān)控.報警電路采用PNP型晶體管驅(qū)動，實現(xiàn)投幣過程的提示功能.為了定時計數(shù)器的使用方便，單片機的時鐘電路采用的晶振為12MHz，是單片機系統(tǒng)運行的基本前提.復位電路具備上電復位和手動復位，實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化或防止程序跑飛.

從機由顯示電路和無線收發(fā)電路組成，與主機的電路連接方式相同，方便PCB布局、布線及程序的移植.

3 軟件設(shè)計與仿真

3.1 主程序設(shè)計

主程序是程序的入口，主要調(diào)用顯示子程序和無線收發(fā)子程序，實現(xiàn)對錢幣的統(tǒng)計、舵機及風機的控制.具體流程圖如圖4所示.

圖4 主程序流程圖

3.2 舵機控制信號仿真

舵機型號為ES08MA，其控制信號為周期為20ms的PWM信號，其中脈沖寬度從0.5～2.5ms，相對應的舵盤位置為-90°～90°，呈線性變化[8].即提供一定的脈寬，其輸出軸就會保持在一定對應角度，無論外界轉(zhuǎn)矩如何改變，直到給其提供一個另外寬度的脈沖信號，才會改變輸出角度到新的對應位置上，具體輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖關(guān)系如圖5所示.

圖5 舵機脈寬調(diào)制

舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度1.5ms的基準信號，內(nèi)部輸出比較器將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而轉(zhuǎn)換為電機的轉(zhuǎn)動信號[9-10].利用單片機定時計數(shù)器產(chǎn)生的PWM信號控制轉(zhuǎn)角帶動連桿裝置，將硬幣推入相應的分離軌道并復位.其中一元硬幣、五角硬幣舵機的控制信號分別采用STC89C52單片機的定時器T0、T1產(chǎn)生，推送轉(zhuǎn)角為-45°，復位轉(zhuǎn)角為45°，利用Proteus對定時器T0產(chǎn)生推送轉(zhuǎn)角為-45°的PWM信號進行仿真[11].

4 系統(tǒng)測試及存在問題分析

4.1 系統(tǒng)測試

將該系統(tǒng)應用于公交車投幣裝置中，由于舵機控制硬幣分離需要占用一定的時間，當逐個投入紙幣或硬幣的時間間隔大于1s時，系統(tǒng)能運行穩(wěn)定并實時顯示不同硬幣的幣值、硬幣總額，能將紙幣分離并統(tǒng)計逐個投入的單張紙幣的數(shù)量.具體從機實物如圖6所示.

圖6 從機實物圖

4.2 系統(tǒng)測試過程中存在問題分析

(1)系統(tǒng)無法識別一分硬幣 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中硬幣按直徑不同設(shè)置相應的分離軌道，一分硬幣直徑最小，無分離軌道，直接落入相應的儲存箱.由于重力加速度的原因，通過光電傳感器的時間非常快，導致傳感器輸出脈沖寬度較窄，單片機在處理其它程序過程中來不及識別.通過優(yōu)化主程序，在主程序設(shè)計中將判斷一分硬幣的優(yōu)先級設(shè)置為最高，而顯示子程序、無線收發(fā)子程序等在后期調(diào)用，有效解決了一分硬幣識別難的問題.

(2)舵機和風機不能正常工作 舵機輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號脈寬和周期精度要求非常高，設(shè)計初期為了節(jié)約單片機定時器資源，利用延時程序產(chǎn)生PWM信號誤差非常大，導致舵機轉(zhuǎn)角難以控制.利用單片機定時器T0、T1產(chǎn)生PWM信號，其精度為1μs，可以實現(xiàn)對舵機的精確控制.風機轉(zhuǎn)速的大小直接影響風力大小，從而決定紙幣能否隨風向落入紙幣分離器，而對于風機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)也是通過輸入驅(qū)動器L298的ENA引腳的PWM信號的占空比調(diào)節(jié)，同時風機轉(zhuǎn)動時間為5s，由于單片機內(nèi)部定時器T0、T1資源已經(jīng)全部占用，無法產(chǎn)生精確的PWM信號和定時功能，此時采用延時產(chǎn)生對風機調(diào)速的PWM信號和5s的運行時間，有效的解決了單片機內(nèi)部資源緊缺的情況，且控制效果良好.

(3)從機無法接收數(shù)據(jù) 主從機寄存器配置不一致，從而傳輸機制不同，導致無法通信.在初始化配置寄存器時和發(fā)送方保持一致，同時使能應答信號，此時發(fā)送和接收就進入一個標準狀態(tài)，即：主機發(fā)送—等待應答—發(fā)送失敗自動重發(fā)—觸發(fā)中斷；從機接收—應答—觸發(fā)中斷，從而實現(xiàn)從機對主機發(fā)送數(shù)據(jù)的實時接收與顯示.

5 結(jié)論

本文通過對智能錢幣分類清點裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、原理分析、軟件設(shè)計與仿真等各個環(huán)節(jié)的介紹，完成了實物的制作與調(diào)試，總結(jié)了調(diào)試過程中所遇到的問題及解決的措施.該投幣裝置可分別采用市電和蓄電池供電，增強了系統(tǒng)的便攜性；利用主從機無線監(jiān)控模式使該設(shè)計更加合理；利用圖形液晶顯示器的實時顯示也使該系統(tǒng)更加直觀化.紙幣和硬幣的分離與統(tǒng)計，有效降低了工作人員后期的分揀與清點的工作量.為后續(xù)以提高投幣裝置效率的批量混合錢幣的實時分類清點、層疊式紙幣的分離、紙幣值識別、真?zhèn)舞b別打下堅實的基礎(chǔ).

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Development of Intelligent Classified Money Counting Machine

ZHAO Peng, ZHANG Jing, GUO Min

(School of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China)

An improved money counting machine controlled by MCU is designed, which classifies and counts paper money one by one in order to solve problems of sorting and counting coins and paper money in buses and banks. In this device, money is classified and counted through a master-slave machine because tacks are designed according to the different diameters of coins which is separated by linkage system driven by steering engine, and the number of coins is counted by the photoelectric sensor installed on the tracks. LCD is used on the main frame to display the total number of coins and paper money and transit the information to slave machine by wireless transmission module to realize the real-time monitoring. The experiment shows that the system has the advantages of portability, high accuracy in classified money counting and stable performance which is of certain guiding significance in improvement of money collection device in various occasions.

fare-collection device; money classification; MCU; monetary value statistics; master-slave machine

1673- 9590(2017)02- 0108- 04

2016-04-26 基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(15JK1864)

趙鵬(1982-)，男，講師，碩士，主要從事故障診斷、數(shù)據(jù)采集與處理的研究 E- mail:zhaopeng9500@126.com.

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