錢幣分離計數機的研究與設計

柳雅文 左豐豪 張凱 張蕾 朱琳 西北農林科技大學機械與電子工程學院

錢幣分離計數機的研究與設計

柳雅文 左豐豪 張凱 張蕾 朱琳 西北農林科技大學機械與電子工程學院

如今隨著公交系統遍及廣泛，貨幣流通過程中免不了使用大量的硬幣，社會對硬幣的快速分類整理及清點需求與日俱增，基于這一實際情況，本文主要創新設計了一種錢幣分離、計數裝置。該裝置可以實現一元、五角硬幣的分離工作，主要針對于公交車上的硬幣，利用其外形尺寸的差別進行分離。硬幣分離之后，進入各自的通道中，在通道的末尾設有金屬感應器，可以計錄通過硬幣的數量。本裝置加工簡單，制作方便，針對性強，性價比較高，調試簡單，既便于人們的出行及消費，又減少了用于人工整理、清點錢幣的開支，彌補了目前投幣系統單一的存儲功能的缺憾。

硬幣分離 計數 收集 高效

隨著貿易迅速發展，自動化商業機械有了越來越廣泛地應用。錢幣分離機作為自動化商業系的代表，有極大的市場需求，在錢幣的識別、分類方面它能給人們的生活帶來了極大地方便。傳統的硬幣分離方式為人工分離，其效率較慢，成本高，提高硬幣的分離效率在當下顯得尤為重要，這也是本次項目研究的意義所在。硬幣相比紙幣來說有減少病菌的傳播、耐磨損、易回收等無可替代的優勢，從長遠來說節省了國家造幣開支，由此占領了小面額貨幣市場。隨著硬幣的使用頻率逐漸增加，硬幣分離以及統計成為一個亟待解決的社會難題。在我國，硬幣的投放量還將大幅度增加，相應的配套使用的儀器和設備數量龐大，種類繁多。據市場調查，目前市場上的一個投幣箱價格在1500-2000元左右，成本較高。目前在大多數情況下這些硬幣收集后，一般是由人工分揀計數，誤差比較大、計數效率也不高，而且加大了對雇傭員工成本投入，這些因素都大大制約了公交行業的發展。因此，針對于公交車上的硬幣，設計一種便捷、可靠的具有分離、計數并且收集功能的裝置對交通行業的發展、硬幣的流通來說都至關重要。

目前國內外已經有多種能夠實現硬幣的分離、計數、整理甚至其他更多功能的儀器裝置的研究。有一種滑槽式硬幣清分機是在對滑槽式硬幣清分機市場調研的基礎上，對滑槽式硬幣清分機的整體造型進行了創新設計。還有一種基于PC/104總線工控機的硬幣清分裝置,實現硬幣的快速鑒偽、面值清分、金額累計等功能,這都是相當智能化的機器了。還有比較傳統的一種曲柄搖桿式硬幣分離機的設計，是利用各種面值硬幣直徑大小的不同，利用篩箱來進行分離，采用的曲柄搖桿裝置，使篩箱震動起來，增強分離器中硬幣重心的不穩定性，實現硬幣分離；另一種獨特的階梯式軌道硬幣清分機，采用特殊的三階梯式分離軌道實現不同尺寸硬幣分類，并且利用可旋轉的雙筒收集裝置，有效地解決了分類計數問題。除此之外還有基于Solid Works的錢幣自動分離器，可實現硬幣的分類和計數；底部收納盒實現硬幣的包裝整理；還有種通過送幣漏斗到達送幣盤，送幣盤在旋轉的過程中實現錢幣的分離的機器，并且由設置在導槽兩側面的傳感器完成硬幣的清分計數過程。另外，還有一種由毛刷根據不同幣值的硬幣直徑判斷通過的紙硬幣的性質，以實現不同紙硬幣的分離，目前有將此設計應用于無人售票的公交車上。

但是以上的設計裝置不是設備造價太高，就是儀器太過于笨重，實際運用起來還是有很大的局限性，不滿足市場需要。于是為了解決現有裝置所存在的問題，基于現有研究的總結分析進行創新，設計了如下裝置。

1 設計方案

1.1 總體設計結構

圖1錢幣分離計數機俯視圖

圖2錢幣分離計數機三維立體圖

1.機架2.轉盤3.滾筒支撐板4.導軌5.硬幣擋板6.滾筒7.電機8.通道固定板9.五角硬幣通道及金屬感應計數器10.五角硬幣收集槽11.一元硬幣收集槽12.一元硬幣通道及金屬感應計數器

1.2 具體安裝方式

硬幣支撐板5通過螺栓固定到滾筒6上，然后滾筒6通過螺栓固定安裝到滾筒支承面3上，轉盤2也通過軸承安裝到滾筒支承面3上，導軌4也通過螺栓固定到滾筒支承面3上，然后滾筒支承面3通過螺栓連接固定到機架1，進而電機7通過螺栓固定到機架1上。五角硬幣通道及金屬感應器9、一元硬幣通道及金屬感應器12通過螺栓固定到通道固定板8上，并且通道固定板8通過螺栓固定到機架1上，五角硬幣收集槽10、一元硬幣收集槽11通過螺栓固定到機架1上。由轉盤2、導軌4、五角硬幣通道及金屬感應器9、一元硬幣通道及金屬感應器12、五角硬幣收集槽10、一元隱硬幣收集槽11組成了裝置的執行機構。

1.3 工作原理

硬幣清分機的工作原理是：將硬幣放入機器上方的滾筒中，電機帶動滾筒內部的轉盤轉動，利用離心力作用將硬幣從滾筒的開口處甩出。甩出的硬幣進入導軌裝置，利用硬幣直徑大小不同的原理，一元硬幣通過導軌，五角硬幣因直徑比較小從中間縫隙落下實現分離。通過導軌的硬幣進入通道中，由于在導軌下方的通道中設有金屬感應器，用于對落下的硬幣進行計數，當硬幣達到一百個時，給單片機傳遞信號將儲有硬幣的收集槽轉出，實現硬幣的計數收集。最終一元與五角硬幣分別落入各自的硬幣收集槽，實現分類收集與整理。

1.4 硬幣的分離裝置

通過實際測量得出：

一元硬幣：直徑25mm，厚1.85mm；

五角硬幣：直徑20.5mm，厚1.65mm；

機器制作主要針對于公交車上收集的一元五角硬幣，將硬幣放入滾筒的轉盤上，利用離心力將硬幣離心甩出。本裝置的設計是滾筒開口在切線方向26mm寬，開口高度距轉盤2mm，使硬幣較容易的甩出。甩出的硬幣進入導軌（圖3）中，一元硬幣可以在導軌上運動，而五角硬幣將從中間縫隙掉落，可以設計導軌上部寬26mm中間的縫隙寬21mm，這樣便實現了硬幣的分離。

圖3導軌

1.5 硬幣的計數及指定個數輸出

硬幣分離之后，進入各自的通道中。由于硬幣是金屬材料，所以在通道的末尾設有金屬感應器，每通過一枚硬幣，感應器計數器便可以累加一次，進而可以記錄通過硬幣的數量。硬幣計數后落入各自硬幣收集槽中。當硬幣達到指定數量后，將信號傳給單片機，利用單片機控制步進電機，將硬幣收集槽轉出，實現硬幣的指定數量的收集與整理。

1.6 應用及調整

本裝置為實現指定個數輸出，利用金屬感應器計數硬幣數量，將信號轉給單片機，經過輸入制定的匯編程序處理后，給步進電機發射脈沖使其轉動。為了防止硬幣過多導致導軌堵塞，在滾筒開口處進行流量控制使硬幣大約一圈可以轉出一枚，一分鐘可分離大約200個到400個硬幣。指定個數輸出可以根據需要修改匯編程序，相應的硬幣槽的高度及轉機扭矩也需要進行相應的調整，從而可以指定任意個數硬幣的收集以及輸出。

2 理論設計計算

2.1 電動機與傳動比的選取

2.1.1 傳動比選取

對硬幣進行受力分析，硬幣若能夠離心甩出，則轉盤旋轉產生的離心力 應大于硬幣對轉盤的摩擦力 。 為主軸轉速，為轉盤半徑， 為硬幣與轉盤的摩擦系數。

為了讓硬幣較快分離，提高轉速，取 ，經驗證，該傳動比滿足硬幣離心要求。

2.1.2 電動機選取

帶動轉盤以及大量硬幣旋轉(這里假設有100個一元硬幣在轉盤上時啟動)，以及如果硬幣阻擋在滾筒開口處，需要利用摩擦將硬幣轉出。

所選電機轉速為1400r/min，功率為120w。

2.2 帶輪及帶數的選擇

由于空間有限，這里使用一級傳動比 =7。由于功率較低，參考利用洗衣機上帶輪的設計，帶型選用Z型帶。

經驗證，符合要求。

2.3 單片機控制電路圖

圖4控制電路圖

圖4中89C52(1)為計數功能，89C52(2)為控制電機動作。電機選用42步進電機，扭矩大小為0.7

2.4 實驗驗證

2.4.1 分離階段

硬幣進入工作區，混合幣在電動滾筒施加的離心力作用下被拋入導軌，利用硬幣直徑大小不同的原理，在導軌內部陣列了一系列直徑介于五角硬幣和一元硬幣的裝置，分布于導軌表面，一元硬幣通過導軌，五角硬幣因直徑比較小從中間縫隙落下實現分離。

2.4.2 感應階段

通道末端設置的金屬感應器對進入的硬幣感應敏銳，準確，可對經過篩選的硬幣進行精確計數，并將信號轉給單片機，經過輸入制定的匯編程序處理后，給步進電機發射脈沖使其轉動。

2.4.3 計數階段

通過單片機原理，對所感應的硬幣進行累加，當硬幣達到預定設置值時，硬幣收集槽自動轉出進行分類收集，并將混合幣有效分離并計數。

3 單片機編程應用

3.1 實現計數功能：

通過第一個單片機進行編程，實現硬幣的計數功能。硬幣通過一次金屬感應器，金屬感應器產生一個脈沖，單片機接受到一個信號便記一次數。這里利用1602LCD顯示器顯示。將LCD顯示器初始化，設硬幣個數為x，通過將x對1000取余除以100后作為百位上的數字顯示，將x對100取余后除以10作為十位上的數字顯示，將x對10取余后作為個位上的數字顯示。從而使硬幣的個數顯示到顯示屏上。

3.2 控制步進電機運動：

將硬幣的個數信號傳遞給下一個單片機，若個數能被5整除則給步進電機驅動器一個脈沖，使步進電機旋轉指定步數，從而使硬幣收集槽旋轉90度，將存在硬幣槽中的5個硬幣旋轉出來，從而實現硬幣的整理收集。

4 創新點

我們制作的機器能夠實現將大量的一元、五角硬幣的分離，指定個數整理輸出的功能。“錢幣分離計數機”創新點主要有：

（1）利用離心的原理使硬幣輸入導軌，進而通過設計導軌，利用硬幣直徑大小不同來分離硬幣，分離速度比較快效果也很穩定。

（2）金屬感應器靈敏可靠，與感應與分離速度相協調，技術準確，不漏數多數。

（3）機器設計可以指定個數輸出，輸出的個數可以根據具體需要設定，一個到一百個皆可，輸出硬幣為豎直一列排列，同時實現了硬幣的整理目的，為下一步給硬幣包裝提供了方便。

（4）顯示屏上顯示的是當前在硬幣槽中取出硬幣的數目，這樣可以簡單、精確的計算出硬幣的總個數。

（5）該裝置外形簡單，原理清晰，運行平穩，性能可靠，適用于各種自動投幣場所，高效，環保，既方便了消費，又降低了成本，且節省人力。

5 結束語

本設計裝置改進了原始的投幣箱，實現了對硬幣分類、整理和計數功能，結構簡單，維修方便，操作簡單，造價低，可用于無人售票系統的公交車。該裝置可以及時處理乘客投入的錢幣，緩解現有錢幣回收到公交公司由點鈔員清點工作量大和效率低的問題。使用該裝置分離、計數準確并且節省了大量的人力及成本支出，具有一定的市場前景與推廣價值。

[1]林毅聰，林志凱，蘭夢月.公交車錢幣分離器.南方農機,2016

[2]沈建成，常文春，焦愛勝，劉立美，張全忠.一種全自動硬幣分離計數裝置的設計.工業儀表與自動化裝置,2017(2):126-128

[3]金發慶.傳感技術與運用.3版.北京：機械工業出版社，2012[4]劉倩倩，趙一鳴，伸展瑜，李敏.硬幣分離兌換設計.探索與觀察，2016（17）：40

[5]黃敏，朱曉林等．硬幣自動分類器的研制．機電產品開發與創新，2013(6):43－45

[6]趙慧民．一種基于多向量分析的硬幣鑒別分類的實現技術研究.安防科技，2007(2):8－11

[7]張鈺唯.硬幣自動分配器．科學啟蒙，2010(2):18

[8]高艷芳,豆賀,佟晗,薛貝貝,李小海.設計一種小型硬幣分離機．中國科技信息,2017(7):54-55

[9]馮大鵬，何新超，于江豪.高效硬幣自動分類裝置的設計．湖北理工學院學報,2016(5):8-11

[10]趙海賢,禹順如.硬幣分離及清點裝置的設計及研究．科技創新,2017(8):28-29

[11]石憲，李曉丹，安寶明，等.一種新型公交投幣箱設計.裝備制造技術，2015（11）：193-194

[12]阮正鑫，羅鴻，吳桐.簡便型公交車零錢自動分類裝置.南方農機 ,2016（8）：67

[13]陳鵬，劉焱，劉文祥.基于FDM的滑槽式硬幣清分機設計．機械設計，2016（11）：118-120

[14]顏華敏,張秀彬,李宇濤.基于PC/104總線的硬幣清分機研制.微型電腦應用,2004(20):16-17,48

[15]梁艷，尚偉偉，馬澤華，楊少聰，安勇勇.曲柄搖桿式硬幣分離機設計.科技視界,2016（27）:178

[16]陳光,張益民蘭,文強,楊琪偉.一種階梯式軌道硬幣清分機.科技創新,2016(29):83

[17]楊岳峰,張曉凱,楊天闊,石軒瑀,李遠東,孫佳南.基于SolidWorks的錢幣自動分離器機械結構的創新性設計．機械工程師,2017(2):98-99

[18]朱國維,王國秀.圖形液晶顯示模塊MGLS-19264在智能地震檢波器中的應用.北京工業職業技術學院學報,2003(2):37-40

[19]濮良貴,紀名剛.機械設計.8版.北京:高等教育出版社,2005

[20]李戀,葛霖.一種基于分離盤的新型硬幣清分機的優化設計．工程與技術，2016（12）：188-190

[21]張雨萍.應用于公交車的錢幣清分投幣機．科技與創新,2016(15):81

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朱琳（通訊作者），男，博士，副教授，主要從事農業裝備創新設計、太陽能利用工程技術與裝備研究，和工程制圖、計算機繪圖、三維實體造型設計基礎等方面的教學工作。