一种智能钱币分类清点装置的研制

赵鹏，张菁，郭敏

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)*

一种智能钱币分类清点装置的研制

赵鹏，张菁，郭敏

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)*

针对公交车、银行等对硬币纸币混合钱币分类、清点难的问题，提出了一种改进型的投币装置，实现对逐个投入钱币的分类清点功能.该系统以单片机为控制器，利用风机分离纸币，并统计纸币数量.根据不同面值硬币的直径设计轨道，利用舵机带动连杆装置使不同面值硬币分离，利用安装在轨道上的光电传感器实时统计硬币数量.主机采用LCD实时显示硬币总面额和纸币数量并通过无线收发模块传送至从机实现对钱币统计的实时监控.实验证明，该系统集便携、分类清点钱币精度高、工作性能稳定等优点，对应用于各种场合的投币装置的改进有一定的指导意义.

投币装置；钱币分类；单片机；币值统计；主从机

0 引言

硬币纸币的分类、整理、清点过程是一种连续的动态过程.传统的公交车投币机靠人眼识别币值，特别是对于一角、五角面额的硬币容易计数混淆，且会分散工作人员的注意力，后期钱币的整理工作更要耗费大量的人力.在人工智能高速发展的今天，设计一款智能化程度高的投币系统，克服以上缺点有重要的意义.本文提出的投币装置，在改进机械结构的同时，增加处理器、传感器和传动装置，实现对钱币的分类、整理、清点的同时还可以通过从机远程监控[1-3].

1 投币装置结构设计及原理

该投币装置的主视图和硬币分离轨道的三维图分别如图1、2所示.整个装置模型利用亚克力板通过胶接或螺钉固定，硬币分离轨道使用3D打印技术打印而成，材质为光敏树脂.

当纸币和硬币从投币口落入纸币硬币分离斗时，红外光电开关根据通过采样间隔判断降落速度确定是否为纸币，如果为纸币则按设定转速启动风机，不同面额的单张纸币随风力进入纸币分离器后落入纸币储存箱，同时单片机对纸币计数.

图1 投币装置主视图

图2 硬币分离轨道3D图

如果为硬币，则风机不启动，硬币自由下落至硬币分离斗，过渡通道确保硬币落入垂直的硬币轨道.如果为一元硬币由于其直径过大，卡在一元硬币分离轨道口，安装在该处的U型光电传感器检测到一元硬币计数并由单片机控制舵机逆时针转动45°，带动连杆向斜上方运动，将一元硬币推入一元硬币分离轨道后落入一元硬币储存箱，同时舵机带动连杆复位.五角硬币分类与一元相似，而一角硬币直径最小直接通过一元、五角硬币轨道经由一角光电传感器检测后落入一角硬币储存箱.从而实现对逐个投入的硬币的分离和统计功能.

用于检测纸币的漫反射式红外光电传感器及用于检测硬币一元、五角、一角的U型光电传感器的采集结果由单片机处理后在LCD显示的同时通过无线收发模块发送至从机实时显示.

2 控制电路设计

2.1 主机电源电路设计

主机既可以利用220V单相交流电经整流、滤波、稳压环节后供给系统电能也可以利用12 V蓄电池供电.具体主机电源电路如图3所示.

图3 主机电源电路

设u为整流输出电压,U2为变压器变压后的有效值,整流输出电压的平均值U为：

(1)

整流后的输出u可利用傅氏级数分解为：

(2)

脉动系数S为基波峰值与平均值之比，则其脉动系数为：

(3)

由u的傅氏级数的展开式可知整流后输出为脉动直流电，通过滤波使其平滑，滤波电路采用LC-π型滤波，其综合了电感滤波和电容滤波的优点滤波效果较好.由于电感的直流电阻小，交流阻抗大，因而直流分量经过电感后基本无衰减，而交流分量经过jwL分压后，降低了输出电压的脉动成分[4].其中，KBU610为整流桥堆额定电流为6A，最高耐压值为1 000V，将18V交流电转换为脉动的直流电；三端稳压器LM7805、LM7812实现系统所需+5V、+12V的电压变换.

为了提高系统的便携性，可以利用双掷开关切换至蓄电池，由12V蓄电池直接给系统供电，所需的+5V则通过稳压器LM7805输出.同时，在蓄电池电量不够时，经市电变换后的+12V直流电也可以给蓄电池充电.

2.2 主机控制电路设计

控制电路是主机利用STC89C52单片机控制光电传感器、舵机、风机、LCD显示器及无线收发模块等使其协调工作.其中光电传感器型号为ITR9606，其实质是一个带凹槽的光耦，其与光耦内部LED相接的电阻为限流电阻，与三极管集电极相接的为上拉电阻，当凹槽处有硬币通过时，三极管截止输出高电平，无硬币通过时三极管饱和导通输出低电平，单片机I/O口根据一元、五角、一角光电传感器的电平变化确定硬币数量并计数.

舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180°，适用于需要不断变化并可以保持的驱动器中，利用单片机程序控制舵机转角使其带动连杆将一元、五角硬币推入相应轨道后复位[5].红外传感器则配合风机工作，由于单片机I/O口输出电流较小，风机采用L298驱动器驱动，L298为双全桥电机驱动芯片，驱动信号为TTL电平与单片机兼容，其中L298驱动器6引脚为驱动器使能端，利用单片机的延时设置占空比，实现风机的PWM调速[6-7].显示电路由图形液晶显示器LCD12864组成，采用串行连接方式，节省了单片机的I/O资源.无线收发模块NRF24L01为工作在2.4～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，最大传输距离为1 000m，负责将采集的数据传输至从机，实现从机对主机的工作状态实时监控.报警电路采用PNP型晶体管驱动，实现投币过程的提示功能.为了定时计数器的使用方便，单片机的时钟电路采用的晶振为12MHz，是单片机系统运行的基本前提.复位电路具备上电复位和手动复位，实现系统的初始化或防止程序跑飞.

从机由显示电路和无线收发电路组成，与主机的电路连接方式相同，方便PCB布局、布线及程序的移植.

3 软件设计与仿真

3.1 主程序设计

主程序是程序的入口，主要调用显示子程序和无线收发子程序，实现对钱币的统计、舵机及风机的控制.具体流程图如图4所示.

图4 主程序流程图

3.2 舵机控制信号仿真

舵机型号为ES08MA，其控制信号为周期为20ms的PWM信号，其中脉冲宽度从0.5～2.5ms，相对应的舵盘位置为-90°～90°，呈线性变化[8].即提供一定的脉宽，其输出轴就会保持在一定对应角度，无论外界转矩如何改变，直到给其提供一个另外宽度的脉冲信号，才会改变输出角度到新的对应位置上，具体输出转角与输入脉冲关系如图5所示.

图5 舵机脉宽调制

舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度1.5ms的基准信号，内部输出比较器将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而转换为电机的转动信号[9-10].利用单片机定时计数器产生的PWM信号控制转角带动连杆装置，将硬币推入相应的分离轨道并复位.其中一元硬币、五角硬币舵机的控制信号分别采用STC89C52单片机的定时器T0、T1产生，推送转角为-45°，复位转角为45°，利用Proteus对定时器T0产生推送转角为-45°的PWM信号进行仿真[11].

4 系统测试及存在问题分析

4.1 系统测试

将该系统应用于公交车投币装置中，由于舵机控制硬币分离需要占用一定的时间，当逐个投入纸币或硬币的时间间隔大于1s时，系统能运行稳定并实时显示不同硬币的币值、硬币总额，能将纸币分离并统计逐个投入的单张纸币的数量.具体从机实物如图6所示.

图6 从机实物图

4.2 系统测试过程中存在问题分析

(1)系统无法识别一分硬币 系统结构中硬币按直径不同设置相应的分离轨道，一分硬币直径最小，无分离轨道，直接落入相应的储存箱.由于重力加速度的原因，通过光电传感器的时间非常快，导致传感器输出脉冲宽度较窄，单片机在处理其它程序过程中来不及识别.通过优化主程序，在主程序设计中将判断一分硬币的优先级设置为最高，而显示子程序、无线收发子程序等在后期调用，有效解决了一分硬币识别难的问题.

(2)舵机和风机不能正常工作 舵机输出轴转角与输入信号脉宽和周期精度要求非常高，设计初期为了节约单片机定时器资源，利用延时程序产生PWM信号误差非常大，导致舵机转角难以控制.利用单片机定时器T0、T1产生PWM信号，其精度为1μs，可以实现对舵机的精确控制.风机转速的大小直接影响风力大小，从而决定纸币能否随风向落入纸币分离器，而对于风机转速的调节也是通过输入驱动器L298的ENA引脚的PWM信号的占空比调节，同时风机转动时间为5s，由于单片机内部定时器T0、T1资源已经全部占用，无法产生精确的PWM信号和定时功能，此时采用延时产生对风机调速的PWM信号和5s的运行时间，有效的解决了单片机内部资源紧缺的情况，且控制效果良好.

(3)从机无法接收数据 主从机寄存器配置不一致，从而传输机制不同，导致无法通信.在初始化配置寄存器时和发送方保持一致，同时使能应答信号，此时发送和接收就进入一个标准状态，即：主机发送—等待应答—发送失败自动重发—触发中断；从机接收—应答—触发中断，从而实现从机对主机发送数据的实时接收与显示.

5 结论

本文通过对智能钱币分类清点装置的结构设计、原理分析、软件设计与仿真等各个环节的介绍，完成了实物的制作与调试，总结了调试过程中所遇到的问题及解决的措施.该投币装置可分别采用市电和蓄电池供电，增强了系统的便携性；利用主从机无线监控模式使该设计更加合理；利用图形液晶显示器的实时显示也使该系统更加直观化.纸币和硬币的分离与统计，有效降低了工作人员后期的分拣与清点的工作量.为后续以提高投币装置效率的批量混合钱币的实时分类清点、层叠式纸币的分离、纸币值识别、真伪鉴别打下坚实的基础.

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Development of Intelligent Classified Money Counting Machine

ZHAO Peng, ZHANG Jing, GUO Min

(School of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China)

An improved money counting machine controlled by MCU is designed, which classifies and counts paper money one by one in order to solve problems of sorting and counting coins and paper money in buses and banks. In this device, money is classified and counted through a master-slave machine because tacks are designed according to the different diameters of coins which is separated by linkage system driven by steering engine, and the number of coins is counted by the photoelectric sensor installed on the tracks. LCD is used on the main frame to display the total number of coins and paper money and transit the information to slave machine by wireless transmission module to realize the real-time monitoring. The experiment shows that the system has the advantages of portability, high accuracy in classified money counting and stable performance which is of certain guiding significance in improvement of money collection device in various occasions.

fare-collection device; money classification; MCU; monetary value statistics; master-slave machine

1673- 9590(2017)02- 0108- 04

2016-04-26 基金项目：陕西省教育厅专项科研计划资助项目(15JK1864)

赵鹏(1982-)，男，讲师，硕士，主要从事故障诊断、数据采集与处理的研究 E- mail:zhaopeng9500@126.com.

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