基于單片機技術的硬幣分類計數系統設計

李 夢，王曉云

（安徽信息工程學院 機械工程系，安徽 蕪湖 241000）

基于單片機技術的硬幣分類計數系統設計

李 夢，王曉云

（安徽信息工程學院 機械工程系，安徽 蕪湖 241000）

我國現有的硬幣分類計數系統的結構復雜，成本較高.該文基于硬幣不同面值的尺寸不同，設計機械分類裝置，主要包括出幣裝置，分類軌道，計數裝置和硬幣收集裝置.分類后的硬幣利用光電傳感器進行計數，通過搭建51單片機系統，設計相應的驅動模塊、電源模塊、控制模塊和計數LED數碼管顯示模塊，完成對不同面值硬幣的計數，并將數值顯示在系統的面板上.該系統開發的實物經過多次試驗驗證，能夠高效地完成硬幣的分類和計數統計，識別率達到99%以上，具有很高的工作穩定性，同時也擁有一定的市場推廣價值.

硬幣分類；單片機；光電計數；數碼管顯示

目前我國流通廣泛的硬幣面值主要有1元、5角、大1角、小1角.它們分別的直徑為 25mm、22mm、20mm、18mm.國內外采用硬幣免試識別的方法有很多，如圖像分析法、電渦流傳感器法、旋轉碼盤編碼器脈沖識別法等.這些方法識別硬幣面值效率高，但成本也相對較高，系統實現復雜，特別是圖像法對硬幣表面的潔凈度要求也很高[1].基于此，本設計提出利用成本較低的機械結構裝置完成對硬幣的分類識別，搭建單片機系統完成硬幣的數量統計，通過數碼管LED顯示相應的結果，實現方法簡單，穩定性強，識別效率高，具有良好的可讀界面[2].

1 研究背景及意義

社會上一些行業，例如公交公司、銀行、超市等每天都會接觸大量的不同面值的硬幣，清點硬幣的工作大部分仍采用人工清點的方式，人工清點這些硬幣費時費力，而且會增加勞動成本，所以市場上急需一種可以快速分類不同面值的硬幣，并能實現準確計數功能，以及后續可以擴展鑒別真假和自動包裝的功能，以實現機器代替人工清點硬幣的工作.而現有的硬幣分類計數器功能單一，造價昂貴，效率較低，不適合向中小型企業推廣，所以本課題旨在設計并研發一種價格低廉，效率較高，功能更全的新一代硬幣分類計數機[3].

2 系統整體設計

圖1 結構效果圖

該系統通過機械結構的設計，實現了對不同面值硬幣的分離和收集，借助電路的硬件設計完成了按鈕的輸入控制和LED數碼管的計數顯示，設計效果圖如圖1所示.其中主要結構包括出幣裝置，分類裝置，計數裝置，收集裝置.電路的硬件設計主要包括光電常感器識別檢測、電機的調速控制、數碼管的計數顯示、控制按鈕的控制等模塊.

3 系統結構設計

根據硬幣的傳輸流動順序，系統的結構依次為出幣裝置、分類裝置和收集裝置.出幣裝置由圓盤和滑塊軌道組成，由二個電機驅動完成硬幣的移動和待分類.分類裝置是根據硬幣的面值直徑不同開始在分離軌道上對應直徑數值的空隙.軌道空間擺放位置與X-Y平面成收30度夾角，與Y-Z平面也成30度夾角，硬幣進去軌道后會在重力的作用下自行下落并分類.集裝置由四個可移動的抽屜組成，硬幣分類計數后掉入抽屜里進行收集，該抽屜向外抽可取出硬幣.系統整體設計示意圖如圖2所示.

圖2 硬幣分類示意圖

3.1 出幣裝置

出幣裝置工作時，被分離的所有硬幣存于上盤儲存腔中，固定于上盤軸心處安裝有電機，硬幣在上盤電機轉動的帶動下做離心運動，向圓盤的外邊緣靠近.通過程序的設定電機間歇式加、減速轉動，此時硬幣則隨之相應運動，在慣性力的作用下產生位移，最終由洞口逐步落入下盤，達到大量硬幣分量進行出幣的目的.下盤安裝螺旋槳，在直流減速電機的帶動下旋轉，推動儲存腔中的硬幣落入下盤洞口，洞口下面安裝轉接軌道，從下盤掉落的硬幣進入轉接軌道，在轉接軌道末端還裝有一個限位滑塊21，確保硬幣非堆積的運送.

3.2 硬幣分類軌道

硬幣分類軌道的設計與X-Y平面成30度夾角，與Y-Z平面也成30度夾角，硬幣進軌道后會在重力的作用下自行下落并分類，示意圖如圖3所示.依據調整的恰當角度，硬幣將挨著鑲條（圖中標識14）由曲形軌道（圖中標識13）滑入直軌道（圖中標識15）.在長為250mm、寬為30mm的直軌道上距離鑲條2mm處（圖中標識16）依次切出寬分別為17mm、18mm、20mm、22mm，長均為60mm的矩形通孔（圖中標識17），硬幣滑過以上不同寬度的矩形通孔時，分別分類出蘭花一角、荷花與梅花五角、菊花一角、牡丹與菊花一元.

圖3 硬幣分類軌道

3.3 計數軌道

分類后的硬幣進入計數軌道.為了避免硬幣下落對軌道的短距離沖擊，設計為弧形過渡曲面，以減小硬幣的沖擊強度，避免硬幣彈跳產生誤差.同時，為了讓硬幣與即將進入分類口的硬幣保持一定距離，確保計數精度，在立槽的末端安裝光電傳感器，通過通斷信號識別硬幣的經過此時，并以此作為硬幣數量的計數.

3.4 硬幣的收集

硬幣的收集裝置安裝機器底部，正對計數裝置的正下方，為了方便收集并整理硬幣，該結構設計為抽屜式推拉結構，如圖4所示.

圖4 硬幣收集裝置

3.5 整體外觀和布局

系統經過加工，外觀效果為：上側是進料漏斗，硬幣從漏斗倒入，漏斗正下方放置四個3位數碼管，分別顯示不同硬幣的數目，數碼管下方是兩個控制按鈕，分別進行開始和計數清零信號動作.硬幣計數完畢掉落在盒中，當前的硬幣數量顯示在LED界面上，下側的抽屜設計巧妙，方便人員收取[4].

4 系統控制電路設計

4.1 硬件電路總體設計

本設計采用51單片機控制，整體設計包括電源模塊、主控電路及數碼管顯示模塊、驅動模塊、直流電機控制模塊等主要部分組成[5].通過設計電路和實驗室制版相結合，進行電路設計和實驗驗證.

4.2 電源模塊

本模塊采用成品220v轉12v直流開關電源.降壓模塊采用LM2596降壓芯片.

4.3 主控電路及數碼管顯示模塊

主控電路采用單片機控制，主控芯片采用STC89C52，通過軟件編程實現對整個電路的控制.數碼管顯示器采用4塊3位0.56英寸共陰數碼管，由于單片機I/O口的驅動電流較小，所以采用了74HC573鎖存器驅動數碼管，其電路原理圖如圖5所示.

圖5 數碼管驅動原理圖

4.4 直流電機模塊

由于本機器需要用到多個直流減速電機，對于這些電機有的需要實現正反轉及PWM調速的功能[6]，所以我們采用了一款L298N的雙H橋電機驅動芯片.

5 試驗

5.1 單種硬幣和四種硬幣投入對比實驗

第一組：只投入40個1角硬幣；第二組：只投入40個5角硬幣；第三組：只投入40個老式一角硬幣；第四組：只投入40個一元硬幣；第五組：投入以上硬幣每種各10個，總數也為40個；試驗結果第一組用時20.4秒，第二組用時21.2秒，第三組用時22.3秒，第四組用時21.5秒，第五組用時21.8秒，對比發現每組用時幾乎相同.

5.2 硬幣分類計數效率實驗

在本試驗中，隨機配比含有40枚60枚和80枚不同面值的硬幣組，倒入進料口中，不同時間內把硬幣全部分類并計數出每種硬幣的數量，準確度可以達到百分之百.

6 結論

本設計可高效地完成對硬幣的分類和計數.隨著應用的推廣可用于大型公交公司、銀行或小型超市、商戶使用，以實現用機器代替人清點硬幣的工作，體積較小，不用時儲藏方便，造價較低，批量生產成本更低[7].

〔1〕裴進靈.一體化硬幣識別及找零機的設計[J].機械管理開發,2004(4):19-20.

〔2〕劉藝柱.硬幣識別器傳感線圈參數設計及改進[J].磁性材料及器件.硬幣自動分選裝置的研究與制作[J].內燃機與配件,2010,41(3):57-60.

〔3〕郭素娜.基于電渦流傳感器的硬幣識別系統的設計[J].河南理工大學學報（自然科學版）,2010,29(2):229-232.

〔4〕王亞.硬幣識別檢測裝置[D].中南大學,2009.

〔5〕杜衍喆.基于單片機的硬幣識別系統開發[J].自動化應用,2016(3):31-32.

〔6〕傅霖來.基于機器視覺的硬幣識別系統研究[D].天津大學,2009.

〔7〕張宇珩.基于應變傳感器的硬幣識別裝置的設計[J].數字技術與應用,2013(1):124.

TH71

A

1673-260X（2017）11-0048-02

2017-09-17

國家自然科學基金資助項目（61272540）；2016年安徽省教育廳自然科學基金重大項目（KJ2016SD07）