智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐設(shè)計(jì)

潘迪，齊慶堃，陳玉斌，薛佳雨，崔光浩

（桂林信息科技學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)的科技飛速發(fā)展，人們的生活中越來(lái)越多的物品正朝著更加智能化、人性化的方向發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和電子商務(wù)的普遍化也影響了硬幣和紙幣。雖然使用量和流通量都在下降，但人們?cè)诔俗卉嚒⒌罔F或購(gòu)買小額的商品時(shí)，已經(jīng)習(xí)慣使用硬幣和紙幣來(lái)完成交易。

我們經(jīng)常面臨以下問(wèn)題：想買一些小東西，但零錢不夠，須從存錢罐內(nèi)取錢。當(dāng)打開它時(shí)，發(fā)現(xiàn)很多零錢，有一元，五角，一角的硬幣和小面額紙幣非常零散，我們要找到自己所需的現(xiàn)金非常麻煩。所以硬幣和紙幣的存儲(chǔ)是非常重要的，但普通的存錢罐只有簡(jiǎn)單存放硬幣的功能，卻沒(méi)有分揀和清點(diǎn)不同金額的功能。在這個(gè)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)的智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐完成了多項(xiàng)功能，讓普通存錢罐變得更加智能化、多樣化。

1 智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐的總體設(shè)計(jì)方案

與傳統(tǒng)存錢罐相比，本項(xiàng)目制作的智能電子儲(chǔ)蓄罐具有很多優(yōu)勢(shì)。普通存錢罐只有存放硬幣的功能，不能顯示硬幣和紙幣數(shù)量，但是本項(xiàng)目的存錢罐中的全部金額可以準(zhǔn)確顯示在液晶顯示屏上，讓用戶更容易知道自己存有多少錢。并且將不同面額的硬幣和紙幣分開儲(chǔ)存，還可以在屏幕上顯示幣種和數(shù)量。為了避免電量不足的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)不僅可以通過(guò)電池供電，還可以通過(guò)USB接口供電，電池也可以更換。

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的控制中心是STM32單片機(jī)，包括電源、硬幣識(shí)別、紙幣識(shí)別、顯示模塊和存儲(chǔ)模塊，組成的智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐。面對(duì)我國(guó)目前流通的硬幣和紙幣，這款產(chǎn)品具有面額識(shí)別、存款金額統(tǒng)計(jì)、時(shí)間顯示、鬧鐘等基本功能，與傳統(tǒng)存錢罐相比，本項(xiàng)目制作的智能電子儲(chǔ)蓄罐具有更多優(yōu)勢(shì)。如外觀設(shè)計(jì)的多樣性，產(chǎn)品的多功能性和實(shí)用性等等，讓本產(chǎn)品在市面上有了更大的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 外觀設(shè)計(jì)

外觀通過(guò)3D建模設(shè)計(jì)，有別于市面上傳統(tǒng)的存錢罐采用陶瓷和塑料材質(zhì)，該設(shè)計(jì)由樹脂材料制成，提高了產(chǎn)品的耐用性，并且區(qū)別于普通儲(chǔ)蓄罐單一的外觀，本設(shè)計(jì)可使用3D建模制作出不同的外觀，可根據(jù)不同人群的需求進(jìn)行定制，滿足不同人群的喜好。

2 智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)處理信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)輸零錢、液晶屏顯示、硬幣和紙幣識(shí)別模塊的傳感器等功能都需要電源供電才能正常進(jìn)行。本設(shè)計(jì)總電壓為5V，此電壓可以保證在供電安全的情況下使單片機(jī)和其他各功能正常使用。在線路方面，為了滿足各模塊的線路連接方便，在設(shè)計(jì)智能電子儲(chǔ)蓄罐時(shí)，預(yù)留了布線的空間，使布線整齊美觀。最后，本項(xiàng)目的供電方面采用的是可充電鋰電池，取代了一次性使用的干電池，充電方式采用目前很常見(jiàn)的USB口充電法，這大大提高了產(chǎn)品的環(huán)保性和實(shí)用性。

2.2 硬幣識(shí)別模塊

關(guān)于硬幣進(jìn)行真假鑒別，不同于市面上相似產(chǎn)品采用的識(shí)別率高的辦法，像有圖像法或電渦流傳感器法，這些辦法成本高、系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)條件要求較高，不適合一些小項(xiàng)目使用。本項(xiàng)目通過(guò)利用硬幣本身的特性和紅外傳感器進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)出一種低成本的硬幣面值識(shí)別裝置。硬幣識(shí)別模塊是由一個(gè)帶有三個(gè)不同孔徑的滑道和紅外傳感器組成，硬幣經(jīng)過(guò)進(jìn)入、識(shí)別到分類存儲(chǔ)的過(guò)程。在設(shè)計(jì)此模塊時(shí)，我們利用硬幣的慣性和直徑大小不同這一屬性，設(shè)計(jì)出一個(gè)帶有不同孔徑的滑道，讓硬幣在滑道上從不同大小的孔徑中滾落，以此實(shí)現(xiàn)硬幣識(shí)別的功能。此模塊在投幣口設(shè)有一段導(dǎo)軌，滑道的寬度為2mm，使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪，隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，投入的硬幣可以一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)入滑道，并準(zhǔn)確落入相應(yīng)的位置。19mm、20.5mm、25mm的開孔對(duì)應(yīng)1角、5角、1元這3種不同尺寸，滑道與地面的傾斜角度為61°，可將三種不同面值的硬幣分類在設(shè)定的收納盒內(nèi)。不同的硬幣在掉落時(shí)通過(guò)傳感器檢測(cè)區(qū)域。傳感器接收到信號(hào)后，會(huì)將傳感器產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行計(jì)數(shù)并由顯示模塊顯示。

本模塊采用的是紅外對(duì)射式光電開關(guān)傳感器，由發(fā)射端發(fā)出紅外射線，接收端接收。光電開關(guān)是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。 光電傳感器有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測(cè)電路。 發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)不間斷地發(fā)射光束，有物體經(jīng)過(guò)光線切斷，便輸出信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)電路，濾出有效信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣的檢測(cè)。

2.3 紙幣識(shí)別模塊

紙幣識(shí)別模塊不同于硬幣識(shí)別模塊，此模塊主體是由送鈔口、顏色傳感器組成，由電機(jī)完成向前或向后傳送紙幣。此模塊設(shè)計(jì)的槽口自動(dòng)吞鈔，只需將鈔票的前緣插入吞幣口的前緣，它就會(huì)送至識(shí)別區(qū)域。兩個(gè)TCS3472顏色傳感器位于紙幣識(shí)別區(qū)域。每個(gè)人民幣顏色的不同，根據(jù)讀取識(shí)別出的RGB值，對(duì)比識(shí)別不同紙幣的RGB值。比如毛主席領(lǐng)口100元的標(biāo)準(zhǔn)RGB值是#be0f2d。檢測(cè)到的鈔票必須在一定范圍內(nèi)進(jìn)行識(shí)別，以顏色識(shí)別的方式識(shí)別其面值，并統(tǒng)一收集。TB6612FBG 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制電機(jī)工作，通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)前后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鈔票進(jìn)出。識(shí)別成功后，電機(jī)向前移動(dòng)吞下鈔票；如果識(shí)別失敗，則向反方向移動(dòng)吐出鈔票。

本模塊使用TCS3472顏色傳感器，通過(guò)連接LED，傳感器提供紅色，綠色，藍(lán)色（RGB）和清晰光感應(yīng)值的數(shù)字輸出。集成紅外阻擋濾光片可最大限度地減少入射光的紅外光譜成分，并可精確地進(jìn)行顏色測(cè)量。具有高靈敏度，寬動(dòng)態(tài)范圍和紅外阻隔濾波器。最小化 IR 和 UV 光譜分量效應(yīng)，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的顏色測(cè)量。并且?guī)в协h(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)和可屏蔽中斷。通過(guò) I2C 接口通信。

2.4 顯示模塊與交互模塊

此模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的模塊，主要是由一個(gè)顯示屏構(gòu)成。由單片機(jī)控制，除正常顯示時(shí)間以及金額變動(dòng)以外，可與其交互使用一些其他功能，增加了產(chǎn)品的功能。智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐顯示與交互模塊，主要用于控制和展示儲(chǔ)蓄罐不同幣種數(shù)量以及儲(chǔ)蓄罐內(nèi)的總金額。屏幕無(wú)任務(wù)工作時(shí)，運(yùn)行的是鬧鐘功能，顯示時(shí)間和日期，這很好地提升了本產(chǎn)品的實(shí)用性。當(dāng)進(jìn)入訪問(wèn)界面時(shí)，會(huì)看到當(dāng)前的存款金額。投幣時(shí)，屏幕會(huì)實(shí)時(shí)顯示增加的金額。每種貨幣對(duì)應(yīng)的提款時(shí)間表和提款金額將顯示在屏幕上，還可以在智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐屏幕上看到不同面額的硬幣和硬幣的數(shù)量和總量。這種多樣的顯示方式，是本產(chǎn)品的特色之一，豐富使用者的體驗(yàn)感。

2.5 紙幣真?zhèn)巫R(shí)別

此模塊由紫外線LED燈構(gòu)成，當(dāng)遇到無(wú)法識(shí)別的紙幣時(shí)，儲(chǔ)蓄罐會(huì)通過(guò)送鈔口吐出紙幣，可由使用者自行通過(guò)點(diǎn)亮紫外線LED燈后驗(yàn)證紙幣上是否會(huì)產(chǎn)生金色水印，再在顯示屏上添加該紙幣，使系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用于統(tǒng)計(jì)總金額。

2.6 紙、硬幣儲(chǔ)存模塊

硬幣紙幣的存放容器在設(shè)計(jì)時(shí)，模仿日常生活中抽屜的形狀，設(shè)計(jì)出可推拉式的收納盒。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的硬幣和紙幣存放在可拉出式收納盒中。硬幣一旦通過(guò)鑒別模塊并被識(shí)別，就會(huì)落入對(duì)應(yīng)硬幣的收納盒，然后按不同面額分類存放。當(dāng)紙幣通過(guò)轉(zhuǎn)移模塊和識(shí)別模塊，也會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的紙幣收納盒。而存放紙幣的收納盒尺寸略大于100元人民幣，滿足各種面額人民幣存放的需求，拉出抽屜后紙幣會(huì)整齊地排列在收納盒里。

3 智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言

本設(shè)計(jì)使用 C 作為軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言，C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)優(yōu)良、可模塊化、易于修改，可以大大提高硬件實(shí)現(xiàn)效率。C 語(yǔ)言與其他語(yǔ)言相比，程序語(yǔ)言相對(duì)容易學(xué)習(xí)，且遵循句子執(zhí)行算法。C語(yǔ)言還提供了許多功能，包括系統(tǒng)創(chuàng)建的和用戶定義， 編譯器提供的主要文件包含可用于程序開發(fā)的許多基本函數(shù)。在使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序的過(guò)程中，將程序模塊化、結(jié)構(gòu)化，對(duì)于每一層，它們可以在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行定制，以優(yōu)化程序執(zhí)行效率。

圖形交互界面通過(guò)LVGL來(lái)執(zhí)行，LVGL集成了占用小、多平臺(tái)使用、移植簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、開源免費(fèi)等一系列特點(diǎn)。而且LVGL用C語(yǔ)言編寫，可以實(shí)現(xiàn)最大的兼容性（與C ++兼容），模擬器可在沒(méi)有嵌入式硬件的PC上啟動(dòng)嵌入式GUI設(shè)計(jì)，同時(shí)LVGL作為一個(gè)圖形庫(kù)，它自帶著接近三十多種小工具可以供開發(fā)者使用。因此我們的應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用LVGL庫(kù)來(lái)創(chuàng)建GUI。它包含一個(gè)HAL（硬件抽象層）接口，用于注冊(cè)顯示和輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序除特定的驅(qū)動(dòng)程序外，它還有其他的功能，可驅(qū)動(dòng)顯示器GPU、讀取觸摸板或按鈕的輸入。

3.2 程序原理

圖形交互界面借助了LVGL框架。LVGL集成了占用小、多平臺(tái)使用、移植簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、開源免費(fèi)一系列特點(diǎn)。而且LVGL用C語(yǔ)言編寫，可以實(shí)現(xiàn)最大的兼容性（與C++兼容），它包含一個(gè)HAL（硬件抽象層）接口，用于注冊(cè)顯示和輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。除特定的驅(qū)動(dòng)程序外，它還有其他的功能，可驅(qū)動(dòng)顯示器GPU、讀取觸摸板或按鈕的輸入。此外還提供了模擬器可在沒(méi)有嵌入式硬件的網(wǎng)頁(yè)上啟動(dòng)進(jìn)行GUI的設(shè)計(jì)和測(cè)試。我們的應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用LVGL庫(kù)的基本按鈕、標(biāo)簽、圖片框、樣式等基本組件來(lái)搭建應(yīng)用界面。

程序初始化LVGL界面時(shí)，首先提供硬件相關(guān)的LCD顏色數(shù)據(jù)寫函數(shù)和LCD觸控?cái)?shù)據(jù)讀函數(shù)，以及界面的布局信息。進(jìn)入主循環(huán)后，不斷調(diào)用LVGL組件層，由LVGL通過(guò)LCD觸控?cái)?shù)據(jù)讀函數(shù)收集觸控信息，計(jì)算出點(diǎn)陣界面的顏色值，最后使用LCD顏色數(shù)據(jù)寫函數(shù)將界面更新到硬件上；同時(shí)調(diào)用觸控動(dòng)作相應(yīng)的交互邏輯。LVGL組件、硬件、主循環(huán)和交互邏輯以及LCD數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)的層級(jí)和界面更新序列圖如圖7所示。

3.3 硬幣模塊設(shè)計(jì)流程圖

硬幣面值分揀裝置，利用硬幣的直徑、質(zhì)量因面值不同而不同的特性，讓不同面值的硬幣在投入后，在滑道上滑行，在經(jīng)過(guò)不同尺寸的方孔時(shí)候，分別落入對(duì)應(yīng)的硬幣槽當(dāng)中，以此實(shí)現(xiàn)不同面額硬幣分類；同時(shí)當(dāng)硬幣槽的邊緣安裝的紅外感應(yīng)裝置被落入的硬幣遮擋后，會(huì)發(fā)送低電平信號(hào)至單片機(jī)。程序的輪詢檢測(cè)代碼的流程圖如圖8所示。

4 測(cè)試

調(diào)試工作對(duì)于項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程而言是必不可少的一環(huán)，在針對(duì)目前市面上流行的一塊、五毛、一毛不同面值的硬幣，以及對(duì)當(dāng)下發(fā)行的不同面值人民幣，進(jìn)行了逐個(gè)多次反復(fù)測(cè)試。首先我們根據(jù)3D建模設(shè)計(jì)出外殼，對(duì)智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐進(jìn)行組裝。在組裝的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些位置需要一些調(diào)整，才能正常進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試。在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試時(shí)，從逐個(gè)放入不同面值的硬幣開始，測(cè)試其能否完成不同面值硬幣的分類存儲(chǔ)和識(shí)別。在多次逐個(gè)測(cè)試之后，開始一次放入多枚相同、不同面值的硬幣進(jìn)行測(cè)試。在不同面值硬幣被分類存儲(chǔ)之后，經(jīng)過(guò)紅外傳感器的感應(yīng)，單片機(jī)接收到信號(hào)之后在屏幕上顯示出相應(yīng)的提示信息。在經(jīng)過(guò)上百次的測(cè)試之后，硬幣的錯(cuò)誤基本在2%～3%之間，基本實(shí)現(xiàn)了硬幣的識(shí)別功能。在進(jìn)行紙幣測(cè)試時(shí)，在逐個(gè)放入一塊、五塊、十塊、二十塊、五十塊、一百塊不同面值的紙幣之后，觀察不同面值紙幣的識(shí)別情況。可以通過(guò)記錄不同面值的識(shí)別、屏幕的顯示情況，在計(jì)算感應(yīng)所需要的時(shí)間之后，再對(duì)紙幣吸收器進(jìn)行調(diào)整，保證每次放入的紙幣都可以被顏色傳感器感應(yīng)到，并對(duì)其進(jìn)行總額計(jì)算，最后調(diào)整智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐附加功能的正確運(yùn)行，以保證智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐各項(xiàng)功能運(yùn)行正常。

表1 硬幣識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試

5 結(jié)論

智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐旨在幫助使用者解決日常生活中零錢的整理與統(tǒng)計(jì)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有實(shí)用性和功能多樣性，在保證存錢罐存錢基本的作用以外，我們添加了更多的功能、設(shè)計(jì)更加人性化。顯示屏無(wú)任務(wù)時(shí)的時(shí)間顯示，對(duì)不同面額硬幣的分類儲(chǔ)存等特色，這極大程度上增加了實(shí)用性，讓本項(xiàng)目相比較普通存錢罐有了更大的競(jìng)爭(zhēng)力。智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐優(yōu)化了儲(chǔ)蓄罐的功能，總體設(shè)計(jì)朝著更加智能化、多樣化的方向發(fā)展。

我們所設(shè)計(jì)的智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐以STM32單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)出由電源模塊、紙幣識(shí)別、硬幣識(shí)別、顯示和交互模塊以及存儲(chǔ)模塊組成。根據(jù)程序的設(shè)計(jì)，智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐可以通過(guò)分揀模塊和硬幣識(shí)別模塊將不同的硬幣送入到滑道上，之后掉入不同尺寸的方孔，使硬幣可以準(zhǔn)確地存放在儲(chǔ)蓄罐中。同時(shí)，智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐屏幕會(huì)準(zhǔn)確及時(shí)地顯示不同幣種的金額和總金額。如果用戶需要取款，則有硬幣抽屜和紙幣抽屜可用。綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)的智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐具有自動(dòng)識(shí)別金額、自動(dòng)記錄存入金額、設(shè)置總金額顯示的功能。平時(shí)用戶可以將智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐放置在顯眼的地方，通過(guò)顯示功能，時(shí)刻提醒著用戶，養(yǎng)成良好的金錢觀。

這種設(shè)計(jì)為那些需要滿足使用智能電子儲(chǔ)蓄存錢罐對(duì)零錢需求的人提供了一個(gè)清晰的思路。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是用途廣泛，經(jīng)久耐用，方便人們?cè)谌粘Ｉ钪薪y(tǒng)計(jì)和存取零錢。當(dāng)用戶在使用過(guò)程中，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多種功能可以滿足用戶對(duì)智能儲(chǔ)蓄存錢罐的需求，給用戶帶來(lái)方便。