一种新型硬币分拣机的模块化创新设计*

周兴华，程丽丽，唐 杰，杨立英，孙 晓※

（1.吉林大学应用技术学院，吉林长春 130012；2.吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春 130025）

0 引言

硬币作为一种小面额流通货币，以其耐磨损、易回收、携带方便等优点，在公交车、超市等收费系统中流通甚广[1]。然而，大量的硬币流通、汇集势必增大分拣操作的工作量，此时为了降低人工劳动强度，节约人力成本，硬币分拣机应运而生[2-4]。而目前市面上及在研究的硬币分拣机存在如下问题：1）结构简单、价格低廉但分拣功能不理想、稳定性差；2）分拣迅速准确但结构复杂、价格昂贵[5]。为了设计出更加合理、实用的硬币分拣机，本文提供了一种新的硬币分拣机设计思路，希望能够将其中的设计思想应用到实际的生产生活当中，对工业的发展产生一定的推动作用。

1 系统总体设计方案

本设计欲实现硬币的准确分离、分拣、计数显示功能。根据系统不同的实现功能，对实现方案进行设计，其中分离方案采用旋转联动机构配合硬币自身的重力完成；分拣方案包含检测和分拣两个过程，由于不同面值硬币的重量不同（假币5.9克，1元硬币6.1克，5角硬币3.5克，1角硬币3.2克，多次测量取平均值），对不同面值硬币的检测采用称重传感器配合转换电路进行。检测完成之后，采用倾斜滑道配合开关闸门完成硬币的分拣过程；在称重传感器测量硬币重量的过程中，通过软件及液晶显示器即可实现计数显示功能。系统方案控制框图如图1所示。

图1 硬币分拣机控制框图

系统整体结构的三维CAD图形如图2所示。

2 系统模块化设计

模块化是将一个复杂的系统或过程按照一定的联系规则分解为可进行独立设计的半自律性的子系统的行为[6]。根据模块化设计思想的内涵，本文将硬币分拣机系统分为主控模块、硬币分离输送模块、硬币检测模块、硬币分拣模块。

图2 机械结构三维设计模型

2.1 主控模块

相较于STC80C51单片机复杂的硬件设置和编程操作[7]，本设计中控制器采用Arduino2560单片机，其具有编程简单、传输速度快、功耗低的特点，而且Arduino产品软硬件均是开源的，方便设计人员学习和使用[8]。

2.2 硬币分离输送模块

硬币分离，即利用机械或电气设备将大量堆积的硬币分散开来，形成可对单个硬币进行处理的过程。对于硬币的分离形式，主要分为离心力式分离、摩擦力式分离以及重力式分离[2]。借鉴上述部分设计思想，本文设计了一种新型的硬币分离方式，具体机构如图3所示，图中分离盘由驱动电机、顶层固定盘、中间旋转盘和底层固定盘构成，顶层固定盘和底层固定盘之间的设计距离稍大于一元硬币的厚度，小于两个一角硬币的厚度之和，中间旋转盘的厚度略小于两层之间距离。三个盘的边缘等直径位置均钻有稍大于一元硬币直径大小的圆孔，顶层固定盘和底层固定盘的两圆孔位置彼此错开，顶层圆孔与储币桶联通，底层圆孔正下方的位置放置称重模块。

图3 三维模型结构（侧仰视图）

硬币分离输送过程为：1）储币桶中硬币在自身重力作用下，有一枚硬币落入顶层固定盘的圆孔中；2）电机带动中间旋转盘旋转，当旋转至中间旋转盘圆孔与顶层固定盘圆孔圆心重合时，硬币落入中间旋转盘圆孔中；3）旋转盘继续旋转，将硬币分离，当旋转至中间旋转盘圆孔与底层固定盘圆孔圆心重合时，硬币从底层固定盘圆孔落入称重模块中，完成硬币的分离输送。

2.3 硬币检测模块

本设计通过重量对硬币进行检测，检测传感器为电阻应变式压力传感器配合信号处理模块，其中电阻应变式压力传感器具体原理及实物如图4所示。

图4 惠斯通电桥及传感器实物

信号处理模块选用HX711运算放大及24位AD转换处理器。HX711AD转换模块可在芯片内部内置放大器，可选放大倍数为32、64、128倍，程序中选用了128倍的放大倍数，当输出电压为满量程电压9 mV时，放大后的电压为1 152 mV。测量精度可达到0.1g。

2.4 硬币分拣模块

本文巧妙的设计了如图3所示的联动机构，该联动机构由固定在中间旋转盘上的旋转杆和称重模块上的挡杆构成，当中间旋转盘在旋转的过程中，旋转杆触碰挡杆将称重模块中硬币挡板打开，硬币从称重模块中掉落入硬币分拣模块的滑道上。中间旋转盘每旋转一周，打开一次硬币挡板，实现一枚硬币掉落。

硬币分拣模块由倾斜滑道和滑道中设置的四个闸门，以及控制闸门开闭的舵机构成。当称重模块测量出硬币的重量，判断属于何种硬币，驱动舵机使相应的闸门打开，中间旋转盘在旋转的过程中，触发联动机构，实现一枚硬币掉落入硬币分拣模块的滑道上，硬币依靠自身重力下滑，并在闸门开启处落入对应的集币盒槽中，完成硬币的分拣收集。

滑道的倾斜角度大小的选择根据滑道表面的摩擦系数和硬币下滑的初速度确定。本设计中滑道采用亚克力板构造，表面光滑，通过试验，滑道倾斜角度与硬币下落状态的关系如表1所示。

本文综合考虑下落速度与分拣精度，确定倾斜角度为30度。

表1 滑道倾斜角度与硬币下落状态关系

3 实物搭建及实验

根据以上设计思想，通过Pro/Engineer软件建立整体机械结构的三维模型，进行运动仿真，检查干涉情况，确认运动正常无干涉后，将三维图形转化为二维图形输出或生成机床可以识别的程序代码，进行加工制造。制造完成的样机实物如图5所示。

图5 测试实物模型

本硬币分拣机分拣硬币的工作过程为：1）面值为1角、5角、1元的硬币和假币混杂放入储币桶中；2）电机带动分离盘中的中间旋转盘旋转，将储币桶中的单枚硬币分离并运送入称重模块中；3）称重模块测量硬币的重量，并将数值计入Arduino程序；4）程序判断属于何种面值的硬币，并驱动相应的硬币分拣模块中的倾斜滑道闸门打开；5）硬币从称重模块中掉落并在倾斜滑道中滑落或滚落的过程中，掉入相应的集币盒分槽中。分离盘中的中间旋转盘每转一周，完成一枚硬币的分离、分拣、计数显示功能。

通过实验测试，本硬币分拣机运行状态良好，可以精确的实现硬币的分离、分拣、计数显示功能。

4 结束语

本文采用模块化设计思想，设计了一种基于Arduino控制的硬币分拣机。该分拣机摒弃了传统的硬币分离方式，巧妙的设计了新型的硬币分离、分拣联动机构，结合电阻应变压力传感器、24位AD转换器、倾斜滑道、舵机等结构实现硬币的准确分离、分拣、计数显示功能。该设计具有体积小，质量轻，结构原理简单等优点，整体实现效果良好，可为硬币分拣设备的发展制造提供新的设计思路。

［1］林君，赵新月.简易电子式硬币分拣装置的设计［J］.山东工业技术，2016（23）：141-141.

［2］郝志伟，刘思聪.新型硬币分拣包装机的设计［J］.科技创新导报，2016（22）：68-70.

［3］雷永刚，韦沛东，侯文龙，等.一种简洁硬币分拣机的设计与实现［J］.河南科技，2016（7）：61-62.

［4］丁凤娟，洪腾蛟，陈康迪，等.第五套人民币硬币分拣机结构设计与制造［J］.安徽科技学院学报，2016，30（5）：71-74.

［5］夏开虎，伍文进，夏辉.一种新型硬币分拣机构的设计与研究［J］.科学技术创新，2017（4）：101-102.

［6］孙明阳.汽车造型模块化设计研究［D］.长春：吉林大学，2014.

［7］钱鸿志，胡天立，陈智，等.一种基于STC80C51单片机的智能硬币分拣机的设计［J］.无线互联科技，2017（9）：58-59.

［8］杨志芹.基于Arduino单片机的智能灌溉系统设计与应用［J］.机电工程技术，2016，45（11）：80-83.