一種新型硬幣分揀機的模塊化創新設計*

周興華，程麗麗，唐 杰，楊立英，孫 曉※

（1.吉林大學應用技術學院，吉林長春 130012；2.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 130025）

0 引言

硬幣作為一種小面額流通貨幣，以其耐磨損、易回收、攜帶方便等優點，在公交車、超市等收費系統中流通甚廣[1]。然而，大量的硬幣流通、匯集勢必增大分揀操作的工作量，此時為了降低人工勞動強度，節約人力成本，硬幣分揀機應運而生[2-4]。而目前市面上及在研究的硬幣分揀機存在如下問題：1）結構簡單、價格低廉但分揀功能不理想、穩定性差；2）分揀迅速準確但結構復雜、價格昂貴[5]。為了設計出更加合理、實用的硬幣分揀機，本文提供了一種新的硬幣分揀機設計思路，希望能夠將其中的設計思想應用到實際的生產生活當中，對工業的發展產生一定的推動作用。

1 系統總體設計方案

本設計欲實現硬幣的準確分離、分揀、計數顯示功能。根據系統不同的實現功能，對實現方案進行設計，其中分離方案采用旋轉聯動機構配合硬幣自身的重力完成；分揀方案包含檢測和分揀兩個過程，由于不同面值硬幣的重量不同（假幣5.9克，1元硬幣6.1克，5角硬幣3.5克，1角硬幣3.2克，多次測量取平均值），對不同面值硬幣的檢測采用稱重傳感器配合轉換電路進行。檢測完成之后，采用傾斜滑道配合開關閘門完成硬幣的分揀過程；在稱重傳感器測量硬幣重量的過程中，通過軟件及液晶顯示器即可實現計數顯示功能。系統方案控制框圖如圖1所示。

圖1 硬幣分揀機控制框圖

系統整體結構的三維CAD圖形如圖2所示。

2 系統模塊化設計

模塊化是將一個復雜的系統或過程按照一定的聯系規則分解為可進行獨立設計的半自律性的子系統的行為[6]。根據模塊化設計思想的內涵，本文將硬幣分揀機系統分為主控模塊、硬幣分離輸送模塊、硬幣檢測模塊、硬幣分揀模塊。

圖2 機械結構三維設計模型

2.1 主控模塊

相較于STC80C51單片機復雜的硬件設置和編程操作[7]，本設計中控制器采用Arduino2560單片機，其具有編程簡單、傳輸速度快、功耗低的特點，而且Arduino產品軟硬件均是開源的，方便設計人員學習和使用[8]。

2.2 硬幣分離輸送模塊

硬幣分離，即利用機械或電氣設備將大量堆積的硬幣分散開來，形成可對單個硬幣進行處理的過程。對于硬幣的分離形式，主要分為離心力式分離、摩擦力式分離以及重力式分離[2]。借鑒上述部分設計思想，本文設計了一種新型的硬幣分離方式，具體機構如圖3所示，圖中分離盤由驅動電機、頂層固定盤、中間旋轉盤和底層固定盤構成，頂層固定盤和底層固定盤之間的設計距離稍大于一元硬幣的厚度，小于兩個一角硬幣的厚度之和，中間旋轉盤的厚度略小于兩層之間距離。三個盤的邊緣等直徑位置均鉆有稍大于一元硬幣直徑大小的圓孔，頂層固定盤和底層固定盤的兩圓孔位置彼此錯開，頂層圓孔與儲幣桶聯通，底層圓孔正下方的位置放置稱重模塊。

圖3 三維模型結構（側仰視圖）

硬幣分離輸送過程為：1）儲幣桶中硬幣在自身重力作用下，有一枚硬幣落入頂層固定盤的圓孔中；2）電機帶動中間旋轉盤旋轉，當旋轉至中間旋轉盤圓孔與頂層固定盤圓孔圓心重合時，硬幣落入中間旋轉盤圓孔中；3）旋轉盤繼續旋轉，將硬幣分離，當旋轉至中間旋轉盤圓孔與底層固定盤圓孔圓心重合時，硬幣從底層固定盤圓孔落入稱重模塊中，完成硬幣的分離輸送。

2.3 硬幣檢測模塊

本設計通過重量對硬幣進行檢測，檢測傳感器為電阻應變式壓力傳感器配合信號處理模塊，其中電阻應變式壓力傳感器具體原理及實物如圖4所示。

圖4 惠斯通電橋及傳感器實物

信號處理模塊選用HX711運算放大及24位AD轉換處理器。HX711AD轉換模塊可在芯片內部內置放大器，可選放大倍數為32、64、128倍，程序中選用了128倍的放大倍數，當輸出電壓為滿量程電壓9 mV時，放大后的電壓為1 152 mV。測量精度可達到0.1g。

2.4 硬幣分揀模塊

本文巧妙的設計了如圖3所示的聯動機構，該聯動機構由固定在中間旋轉盤上的旋轉桿和稱重模塊上的擋桿構成，當中間旋轉盤在旋轉的過程中，旋轉桿觸碰擋桿將稱重模塊中硬幣擋板打開，硬幣從稱重模塊中掉落入硬幣分揀模塊的滑道上。中間旋轉盤每旋轉一周，打開一次硬幣擋板，實現一枚硬幣掉落。

硬幣分揀模塊由傾斜滑道和滑道中設置的四個閘門，以及控制閘門開閉的舵機構成。當稱重模塊測量出硬幣的重量，判斷屬于何種硬幣，驅動舵機使相應的閘門打開，中間旋轉盤在旋轉的過程中，觸發聯動機構，實現一枚硬幣掉落入硬幣分揀模塊的滑道上，硬幣依靠自身重力下滑，并在閘門開啟處落入對應的集幣盒槽中，完成硬幣的分揀收集。

滑道的傾斜角度大小的選擇根據滑道表面的摩擦系數和硬幣下滑的初速度確定。本設計中滑道采用亞克力板構造，表面光滑，通過試驗，滑道傾斜角度與硬幣下落狀態的關系如表1所示。

本文綜合考慮下落速度與分揀精度，確定傾斜角度為30度。

表1 滑道傾斜角度與硬幣下落狀態關系

3 實物搭建及實驗

根據以上設計思想，通過Pro/Engineer軟件建立整體機械結構的三維模型，進行運動仿真，檢查干涉情況，確認運動正常無干涉后，將三維圖形轉化為二維圖形輸出或生成機床可以識別的程序代碼，進行加工制造。制造完成的樣機實物如圖5所示。

圖5 測試實物模型

本硬幣分揀機分揀硬幣的工作過程為：1）面值為1角、5角、1元的硬幣和假幣混雜放入儲幣桶中；2）電機帶動分離盤中的中間旋轉盤旋轉，將儲幣桶中的單枚硬幣分離并運送入稱重模塊中；3）稱重模塊測量硬幣的重量，并將數值計入Arduino程序；4）程序判斷屬于何種面值的硬幣，并驅動相應的硬幣分揀模塊中的傾斜滑道閘門打開；5）硬幣從稱重模塊中掉落并在傾斜滑道中滑落或滾落的過程中，掉入相應的集幣盒分槽中。分離盤中的中間旋轉盤每轉一周，完成一枚硬幣的分離、分揀、計數顯示功能。

通過實驗測試，本硬幣分揀機運行狀態良好，可以精確的實現硬幣的分離、分揀、計數顯示功能。

4 結束語

本文采用模塊化設計思想，設計了一種基于Arduino控制的硬幣分揀機。該分揀機摒棄了傳統的硬幣分離方式，巧妙的設計了新型的硬幣分離、分揀聯動機構，結合電阻應變壓力傳感器、24位AD轉換器、傾斜滑道、舵機等結構實現硬幣的準確分離、分揀、計數顯示功能。該設計具有體積小，質量輕，結構原理簡單等優點，整體實現效果良好，可為硬幣分揀設備的發展制造提供新的設計思路。

［1］林君，趙新月.簡易電子式硬幣分揀裝置的設計［J］.山東工業技術，2016（23）：141-141.

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［3］雷永剛，韋沛東，侯文龍，等.一種簡潔硬幣分揀機的設計與實現［J］.河南科技，2016（7）：61-62.

［4］丁鳳娟，洪騰蛟，陳康迪，等.第五套人民幣硬幣分揀機結構設計與制造［J］.安徽科技學院學報，2016，30（5）：71-74.

［5］夏開虎，伍文進，夏輝.一種新型硬幣分揀機構的設計與研究［J］.科學技術創新，2017（4）：101-102.

［6］孫明陽.汽車造型模塊化設計研究［D］.長春：吉林大學，2014.

［7］錢鴻志，胡天立，陳智，等.一種基于STC80C51單片機的智能硬幣分揀機的設計［J］.無線互聯科技，2017（9）：58-59.

［8］楊志芹.基于Arduino單片機的智能灌溉系統設計與應用［J］.機電工程技術，2016，45（11）：80-83.