基于单片机技术的硬币分类计数系统设计

2017-12-01王晓云

赤峰学院学报·自然科学版 2017年21期

关键词：数码管硬币计数

李梦，王晓云

（安徽信息工程学院机械工程系，安徽芜湖 241000）

基于单片机技术的硬币分类计数系统设计

李梦，王晓云

（安徽信息工程学院机械工程系，安徽芜湖 241000）

我国现有的硬币分类计数系统的结构复杂，成本较高.该文基于硬币不同面值的尺寸不同，设计机械分类装置，主要包括出币装置，分类轨道，计数装置和硬币收集装置.分类后的硬币利用光电传感器进行计数，通过搭建51单片机系统，设计相应的驱动模块、电源模块、控制模块和计数LED数码管显示模块，完成对不同面值硬币的计数，并将数值显示在系统的面板上.该系统开发的实物经过多次试验验证，能够高效地完成硬币的分类和计数统计，识别率达到99%以上，具有很高的工作稳定性，同时也拥有一定的市场推广价值.

硬币分类；单片机；光电计数；数码管显示

目前我国流通广泛的硬币面值主要有1元、5角、大1角、小1角.它们分别的直径为 25mm、22mm、20mm、18mm.国内外采用硬币免试识别的方法有很多，如图像分析法、电涡流传感器法、旋转码盘编码器脉冲识别法等.这些方法识别硬币面值效率高，但成本也相对较高，系统实现复杂，特别是图像法对硬币表面的洁净度要求也很高[1].基于此，本设计提出利用成本较低的机械结构装置完成对硬币的分类识别，搭建单片机系统完成硬币的数量统计，通过数码管LED显示相应的结果，实现方法简单，稳定性强，识别效率高，具有良好的可读界面[2].

1 研究背景及意义

社会上一些行业，例如公交公司、银行、超市等每天都会接触大量的不同面值的硬币，清点硬币的工作大部分仍采用人工清点的方式，人工清点这些硬币费时费力，而且会增加劳动成本，所以市场上急需一种可以快速分类不同面值的硬币，并能实现准确计数功能，以及后续可以扩展鉴别真假和自动包装的功能，以实现机器代替人工清点硬币的工作.而现有的硬币分类计数器功能单一，造价昂贵，效率较低，不适合向中小型企业推广，所以本课题旨在设计并研发一种价格低廉，效率较高，功能更全的新一代硬币分类计数机[3].

2 系统整体设计

图1 结构效果图

该系统通过机械结构的设计，实现了对不同面值硬币的分离和收集，借助电路的硬件设计完成了按钮的输入控制和LED数码管的计数显示，设计效果图如图1所示.其中主要结构包括出币装置，分类装置，计数装置，收集装置.电路的硬件设计主要包括光电常感器识别检测、电机的调速控制、数码管的计数显示、控制按钮的控制等模块.

3 系统结构设计

根据硬币的传输流动顺序，系统的结构依次为出币装置、分类装置和收集装置.出币装置由圆盘和滑块轨道组成，由二个电机驱动完成硬币的移动和待分类.分类装置是根据硬币的面值直径不同开始在分离轨道上对应直径数值的空隙.轨道空间摆放位置与X-Y平面成收30度夹角，与Y-Z平面也成30度夹角，硬币进去轨道后会在重力的作用下自行下落并分类.集装置由四个可移动的抽屉组成，硬币分类计数后掉入抽屉里进行收集，该抽屉向外抽可取出硬币.系统整体设计示意图如图2所示.

图2 硬币分类示意图

3.1 出币装置

出币装置工作时，被分离的所有硬币存于上盘储存腔中，固定于上盘轴心处安装有电机，硬币在上盘电机转动的带动下做离心运动，向圆盘的外边缘靠近.通过程序的设定电机间歇式加、减速转动，此时硬币则随之相应运动，在惯性力的作用下产生位移，最终由洞口逐步落入下盘，达到大量硬币分量进行出币的目的.下盘安装螺旋桨，在直流减速电机的带动下旋转，推动储存腔中的硬币落入下盘洞口，洞口下面安装转接轨道，从下盘掉落的硬币进入转接轨道，在转接轨道末端还装有一个限位滑块21，确保硬币非堆积的运送.

3.2 硬币分类轨道

硬币分类轨道的设计与X-Y平面成30度夹角，与Y-Z平面也成30度夹角，硬币进轨道后会在重力的作用下自行下落并分类，示意图如图3所示.依据调整的恰当角度，硬币将挨着镶条（图中标识14）由曲形轨道（图中标识13）滑入直轨道（图中标识15）.在长为250mm、宽为30mm的直轨道上距离镶条2mm处（图中标识16）依次切出宽分别为17mm、18mm、20mm、22mm，长均为60mm的矩形通孔（图中标识17），硬币滑过以上不同宽度的矩形通孔时，分别分类出兰花一角、荷花与梅花五角、菊花一角、牡丹与菊花一元.

图3 硬币分类轨道

3.3 计数轨道

分类后的硬币进入计数轨道.为了避免硬币下落对轨道的短距离冲击，设计为弧形过渡曲面，以减小硬币的冲击强度，避免硬币弹跳产生误差.同时，为了让硬币与即将进入分类口的硬币保持一定距离，确保计数精度，在立槽的末端安装光电传感器，通过通断信号识别硬币的经过此时，并以此作为硬币数量的计数.

3.4 硬币的收集

硬币的收集装置安装机器底部，正对计数装置的正下方，为了方便收集并整理硬币，该结构设计为抽屉式推拉结构，如图4所示.

图4 硬币收集装置

3.5 整体外观和布局

系统经过加工，外观效果为：上侧是进料漏斗，硬币从漏斗倒入，漏斗正下方放置四个3位数码管，分别显示不同硬币的数目，数码管下方是两个控制按钮，分别进行开始和计数清零信号动作.硬币计数完毕掉落在盒中，当前的硬币数量显示在LED界面上，下侧的抽屉设计巧妙，方便人员收取[4].

4 系统控制电路设计

4.1 硬件电路总体设计

本设计采用51单片机控制，整体设计包括电源模块、主控电路及数码管显示模块、驱动模块、直流电机控制模块等主要部分组成[5].通过设计电路和实验室制版相结合，进行电路设计和实验验证.

4.2 电源模块

本模块采用成品220v转12v直流开关电源.降压模块采用LM2596降压芯片.

4.3 主控电路及数码管显示模块

主控电路采用单片机控制，主控芯片采用STC89C52，通过软件编程实现对整个电路的控制.数码管显示器采用4块3位0.56英寸共阴数码管，由于单片机I/O口的驱动电流较小，所以采用了74HC573锁存器驱动数码管，其电路原理图如图5所示.

图5 数码管驱动原理图

4.4 直流电机模块

由于本机器需要用到多个直流减速电机，对于这些电机有的需要实现正反转及PWM调速的功能[6]，所以我们采用了一款L298N的双H桥电机驱动芯片.

5 试验

5.1 单种硬币和四种硬币投入对比实验

第一组：只投入40个1角硬币；第二组：只投入40个5角硬币；第三组：只投入40个老式一角硬币；第四组：只投入40个一元硬币；第五组：投入以上硬币每种各10个，总数也为40个；试验结果第一组用时20.4秒，第二组用时21.2秒，第三组用时22.3秒，第四组用时21.5秒，第五组用时21.8秒，对比发现每组用时几乎相同.