便攜式硬幣智能分揀計數包裝機的設計

沈海鳴， 華洋

（重慶文理學院，重慶 402160）

0 引言

硬幣作為一種主要的流通貨幣，是一個國家金融系統中不可缺少的重要組成部分，其較紙幣而言，具有規格統一，不易磨損的優點。隨著時代的不斷發展，硬幣在自動售貨、公交、零售等行業被廣泛使用。但數量龐大的硬幣整理分類工作，卻嚴重阻礙了硬幣的流通。

目前有一些學者和科研機構從硬幣的特點著手來設計了部分硬幣清分機構，但機構相對復雜、體積大、功能不夠全面，不能夠廣泛推廣應用。因此，設計一種便攜式智能硬幣分揀的裝置具有重要的實際意義和應用前景。

1 設計原理及總體結構設計

該設計主要利用不同幣種在直徑上的區別，通過直徑不同的分揀孔進行分揀。為使分揀功能更精確，該設計采用二級分揀，即在第1層分揀軌道分揀出一元硬幣，第2層分揀軌道分揀出五角，余下的即為一角硬幣，最終實現對3個幣種的分揀。現在市面上主要流通的硬幣特征如表1。

表1 第五套硬幣特征表

該設計的整體結構如圖1所示，主要由以下3部分組成：分揀裝置、計數裝置、包裝裝置。其工作原理為：硬幣通過漏斗，在重力作用下，進入分揀篩選軌道，通過分揀軌道分揀后，進入收集軌道，在經過收集軌道時，傳感器進行計數，然后落入儲幣筒，電動機轉動帶動轉輪將儲幣筒移出以備后續包裝。

2 主要零部件設計

2.1 分揀裝置設計

圖1 裝置整體結構圖

該裝置的分揀軌道結構如圖2所示，分揀軌道第1層主要是實現對1元硬幣的分離功能，分揀軌道寬為27 mm，長為250 mm。在分揀軌道第1層上有直徑為22 mm，長為110 mm的分揀孔，五角和一角硬幣通過分揀孔掉落到第2層分揀軌道。第2層分揀軌道寬為22 mm，長為250 mm，在分揀軌道上有直徑為20 mm，長為110 mm的分揀孔，待五角與一角硬幣進入第2層分揀軌道后，一角硬幣通過分揀孔離開分揀軌道，進入收集軌道，五角硬幣沿分揀軌道進入收集軌道。此外，在硬幣通過漏斗進入分揀軌道之前，還加裝有1個緩沖軌道，此軌道的作用是防止硬幣堆疊和增加硬幣的勢能，使硬幣有足夠的速度通過分揀軌道。

圖2 分揀軌道結構示意圖

2.2 收集包裝裝置設計

收集包裝裝置主要由儲幣筒、轉輪、儲料桶、收集軌道組成。儲幣筒是為了對硬幣進行收集包裝的裝置，因為硬幣的直徑存在差異，所以設計的儲幣桶尺寸也有差異，3種硬幣對應的儲幣筒直徑分別為27 mm、23 mm、21 mm，此外還要保證儲幣筒內壁表面光滑，以防止硬幣卡住，儲幣筒結構如圖3所示。轉輪是為了存放儲幣筒和將儲幣筒移出的裝置，每個轉輪上設有3個可以存放相同尺寸儲幣筒的存儲位，每個存儲位的夾角為120°，3個儲存位分別對應收集軌道出口、儲料筒出口和儲幣筒取出口，轉輪結構如圖4所示。儲料筒是存放儲幣筒的裝置，當1個儲幣筒被取出轉輪后，儲料桶會補充轉輪儲存位的儲幣筒。收集軌道的作用是：使硬幣沿特定軌道落入儲幣筒同時起到緩沖作用，收集軌道上裝有傳感器可對硬幣進行計數。收集包裝裝置整體結構如圖5所示。

圖3 儲幣筒結構示意圖

圖4 轉輪結構示意圖

圖5 收集包裝裝置整體結構示意圖

2.3 傳動裝置設計

該設計傳動類型為齒輪傳動。工作過程為：當計數值達到預設值（在控制程序中預設的硬幣數量）時，單片機發出信號，控制步進電動機逆時針轉動120°，電動機轉動通過齒輪傳動帶動轉輪逆時針轉動120°，從而實現將裝有硬幣的儲幣筒移出。傳動裝置系統圖如圖6所示。在電動機選用方面，考慮到裝置所承受的載荷不大，所需動力也不是很大，但需要精確的轉動角度，綜合考慮和根據以往實驗經驗選用電動機為STP-42D206二相四線步進電動機，STP-42D206電動機參數如表2所示。

表2 STP-42D206電動機參數

圖6 傳動裝置系統圖

3 控制系統設計

控制系統主要由電源電路、單片機、擴展存儲器、傳感器檢測電路、步進電動機驅動控制電路等組成。單片機選用性價比比較高的AT89C51芯片，用來實現整個系統的控制；擴展存儲器用于程序的存儲，為數據統計和故障分析服務；檢測電路采用紅外對射傳感器檢測在紅外發光二極管和光敏三極管之間有無物體通過，當硬幣經過收集軌道擋住光束時，這時接收端會輸出1個高電平脈沖信號傳輸給單片機進行計數；如果沒有物體經過該區域時，發射頭與接收頭間的紅外線就不會被遮擋，此時接收端會輸出一個低電平脈沖信號傳輸給單片機；步進電動機用來驅動轉輪帶動儲幣筒旋轉，實現硬幣的分揀后的成批輸出。由于單片機無法直接驅動步進電動機，需要在單片機與步進電動機之間加裝一個步進電動機驅動器，步進電動機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，可以通過控制輸入脈沖的數量、頻率和電動機繞組通電順序，獲得所需要的轉角、轉速及轉動方向，從而達到調速和定位的目的。當無脈沖信號輸入時，在繞組電流的激勵下，步進電動機可以實現鎖相。整個控制系統電路如圖7所示。

4 結語

該設計根據硬幣物理直徑的大小對硬幣進行分揀，雖然不具備辨偽功能，但可以對我國現有的硬幣實現快速準確地分揀、計數和包裝。該裝置采用軌道式硬幣分揀結構，具有結構簡單、操作方便，可替代人工分揀硬幣，可有效解決硬幣清理分類帶來的難題，同時采用控制電路實現對硬幣的計數與包裝，提高了工作效率和工作質量。此外，該裝置體積小、成本低、質量輕、攜帶方便，因此具有良好的實用與推廣價值。

圖7 控制系統電路圖

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