零錢兌換裝置的設計

于嘉慧 陳亞楠 默潤樸 張可可 劉云漢 周寶楓

摘 要 隨著社會的發展，科學技術不斷進步，便民設施越來越完善。雖然很多地方都已經進入了無幣化的電子交易模式，給廣大消費者和商家帶來了方便，但是，在中國大眾會有無零錢的不便情況，基于這個問題，我們設計了用來實現公交網絡購票與零錢兌換的裝置。公交網絡購票與零錢兌換裝置由電子找零機、投幣機、掃碼支付購票系統（支付寶、微信）和回單打印系統四個部分組成。本文就零錢兌換裝置的設計進行了詳細的研究與分析，并且對該裝置的操作方式以及發展前景進行了展望。

【關鍵詞】零錢兌換裝置 單片機 紙幣識別 步進電機

1 緒言

近幾年，城市交通系統是我國大部分城市的主要交通方式，隨著居民乘車次數和公交車輛的不斷增加，全自動的零錢兌換裝置是必不可少的。該項目的設計實現基于嵌入式技術的無人值守零錢兌換置，能夠被安置在景區、公交站或者乘客比較集中的其他地方，能夠實現大額紙幣兌換的功能，方便的普通群眾的日常生活。本文闡述了零錢兌換裝置的研究與設計的研究背景，現狀以及發展方向和前景展望，并且明確指出了現階段中零錢兌換裝置中可能出現的問題。

1.1 選題背景及其研究意義

公共交通系統連接了城市與農村地區，是我們大部分城市的交通系統，它的功能的質量和工作效率會直接影響人們的正常工作和生活，隨著綠色出行的推進，公交、地鐵等便民綠色交通方式的出現，人們大多選擇了公共交通方式出行，并且出行次數不斷增加[1]。由此，公共交通系統的路線分布變得越來越廣泛。目前的乘車收費方式已經不能滿足人們的出行需求了，公交車的現金零錢兌換和電子購票乘車的需求也越來越迫切，所以我們的產品應運而生。

1.2 現狀分析

在國內，有知識產權局獲得信息：2003年武漢市出現一種新型的只能投幣箱，用來解決公交車找零的問題。但是，在國內這只是個別現象。

在國外，街頭巷尾早已推出零錢兌換機。十幾年前，美國的Coinstar公司開始推出零錢兌換機：市民只要往兌換機里投幣，它就會自動計算按10%的費用收取手續費后，將應兌換出的零鈔和憑證小票一起從窗口兌出。據調查，日本，首爾也已經出現了零錢兌換機。

1.3 裝置的整體設計

我們主要的研究工作是設計出一種方便快捷的零錢兌換裝置。該裝置由電子找零機、投幣機、回單打印系統三個部分組成。該裝置主要包括了兩個部分：控制部分和機械部分。控制部分進行掃碼，從而獲得相應的信息，然后它向執行部件發出執行的命令和執行的方式。進行零錢兌換的執行的部件的機械部分，例如電子找零機、投幣機，它的具體作用是在軟件的控制下實現精確的計算并輸出零錢。投幣機由紙幣識別和分類系統和零錢兌換執行系統組成，它集成了IC卡收費系統，將人們投入的紙幣進行識別、分類、并找回相應的零錢數量。

2 系統的基本構成及工作原理

圖1為系統的結構圖，該系統分為以下五個部分。

其各自的工作原理級功能表現如下：

（1）公交網絡購票與IC卡識別系統的主要用途是進行公交系統的電子收費。

（2）零錢兌換和找零系統的核心控制器件是89C51單片機，其主要功能是：通過特定的功能區讀取紙幣信息并進行識別出紙幣面值信息；并且傳送出所需要找零錢數額的顯示信號；并且能夠檢測裝置內是否缺錢或者少錢；其次，它能夠控制步進電機，最后正確地輸出零錢數。

（3）運行流程：當裝置的控制系統接收到紙幣識別系統送來的紙幣信息后，將該信息存入寄存器，然后再啟動對應的掃描識別程序，將所識別到的數值與紙幣識別系統送來的紙幣信息相比較，從而輸出相應的零錢，由此實現零錢兌換及找零功能。控制器控制顯示器顯示找零數值以及二維碼的顯示，兌換選項等。

3 系統硬件主要有以下四個模塊

3.1 單片機模塊

單片機即單片微型計算機，在現如今的生活中，其實單片機隨處可見，例如我們經常使用的電冰箱，空調等。眾所周知，單片機是一種集成電路芯片，又被稱為微控制器，由于其眾多優點且結合本產品實際情況而選擇單片機成為其中一個硬件模塊，且單片機的發展速度飛快、其結構組成與指令系統都著重滿足工控要求，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

3.2 紙幣識別模塊

識別紙幣的方法有許多種方法，例如：

（1）紫外線（UV）識別技術

（2）磁性識別技術

（3）弱磁編碼識別技術

（4）紅外線（IR）識別技術

（5）3D識別技術

（6）色敏識別技術

（7）圖像識別技術等等。

一般紙幣識別都是利用DSP技術與CPLD技術和CCD技術相結合。這樣的產品都已經成為集成模塊了，而該三項技術又適用于本裝置，所以本裝置可能的話也會運用該技術。

3.3 顯示器模塊

目前顯示器的裝置多種多樣，其中，發光二極管顯示器（簡稱為LED）。它的的配置靈活，安裝操作十分簡便，并且具有連接方式方便，價格便宜等優點，所以我們選用了二位共陰極的LED顯示器作為我們的顯示器模塊的用件。

3.4 電機控制模塊

圖2為一種常見的小步距的三相反應式步進電機剖面示意圖。

步進電機，是一種將電脈沖轉換成相應角位移或線位移的電磁機械裝置，而且步進電機可以快速啟停，相比于直流電機而言步進電機的定位功能就很出色了。對本裝置來說兩種電機原理上都可以，但綜合考慮對比優缺點我們選用了交流電機中的步進電機作為該裝置的電機控制模塊。

4 軟件系統及其特點

4.1 軟件系統主程序流程圖

軟件系統主程序流程圖如圖3所示。

幣值讀取子程序流程圖如圖4。

5 實驗遇到的問題與總結

5.1 電源模塊

初期單片機供電采用12V轉5V，使用7805芯片制作穩壓電源，但由于步進電機需要較大的電流，導致7805容易過熱，且電機不能正常運轉。最后采用獨立電源。

5.2 機械執行機構

設計時出現機械摩擦現象，步進電機轉動時間較長時會出現角度偏差，情況較嚴重時出現卡死堵轉現象。經機械打磨有機玻璃底盤和鋒利風翅情況有改善。

5.3 兌換量大

面值較大的紙幣如果全部兌換成一元紙幣， 既不方便攜帶，也不能更好的別人們帶來便利。我們要解決的就是通過系統設置，讓裝置能夠自動的兌換出小面值紙幣和一元零錢。

5.4 找零失誤

在裝置應用過程中，當系統的硬件和軟件出現問題時，可能會造成找零失誤，需要做定期檢查維修裝置。

6 前景展望

隨著高新技術的不斷發展，越來越多的自動化產品應用于我們的生活，為我們帶來便利。我們這個裝置將為大家提供一種方便快捷的兌換方式，它將極大地便利人們的生活。此外，零錢兌換系統具有結構緊湊，功能穩定，可以實現不同面額紙幣的兌換等特點，將該零錢兌換裝置的信息統計工作進一步網絡化。文中所描述的零錢兌換裝置，這是一個能夠給大眾帶來很多便利的裝置，操作簡便，適用面廣泛，而且能夠大大減輕從事公共交通系統的人員的工作負擔，對群眾而言，出門在外再也不用為換零錢而到處碰壁了。我認為，這種裝置的實現并適時利用將會大大促進社會的發展，和人類文明的進步。

參考文獻

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作者簡介

于嘉慧（1996-），女，山東省平度市人。大學本科在讀。研究方向為工程造價方向。

作者單位

河北建筑工程學院 河北省張家口市 075000