錢(qián)幣分類(lèi)整理機(jī)

公交車(chē)錢(qián)幣的分類(lèi)整理還存在很多問(wèn)題，不能達(dá)到人工智能的要求。為減輕公交車(chē)投幣箱中的錢(qián)幣的分類(lèi)與整理的工作量，本文提出了此裝置。本機(jī)械裝置的主要功能是針對(duì)公交公司的錢(qián)幣清點(diǎn)狀況，自動(dòng)化分離紙硬幣，隨后展開(kāi)紙幣且分類(lèi)，同時(shí)對(duì)硬幣分類(lèi)、整理。能夠最大限度減少公交公司工作人員清點(diǎn)錢(qián)幣的工作量，減少公交公司運(yùn)營(yíng)成本。

【關(guān)鍵詞】錢(qián)幣分類(lèi) 識(shí)別 清點(diǎn)整理 模塊化設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，無(wú)人售票的公交車(chē)成為了主流，因而各種類(lèi)型的公交車(chē)投幣整理計(jì)數(shù)系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。就其現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，一般情況下，公交車(chē)總站進(jìn)行紙幣和硬幣的分離、分類(lèi)計(jì)數(shù)、整理等都是采用人工清點(diǎn)的方式，因而工作效率低下且人力成本高。因此，為完成錢(qián)幣的清點(diǎn)工作，公交公司每年都需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力，而且效果并不令人滿(mǎn)意。如何使公交車(chē)投幣箱完成分類(lèi)整理錢(qián)幣便成了核心問(wèn)題?，F(xiàn)行的無(wú)人投幣系統(tǒng)存在著難以收集錢(qián)幣，難以對(duì)投入錢(qián)幣的幣值自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和累計(jì)等功能。本文就這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了自動(dòng)化分離紙硬幣，隨后展開(kāi)紙幣且分類(lèi)，同時(shí)對(duì)硬幣分類(lèi)、整理的裝置。以此能夠最大限度減少公交公司工作人員清點(diǎn)錢(qián)幣的工作量，減少公交公司運(yùn)營(yíng)成本。

2 裝置設(shè)計(jì)

本作品旨在對(duì)混合的紙硬幣進(jìn)行清分，核心在于對(duì)雜亂無(wú)章的紙幣進(jìn)行分類(lèi)整理。應(yīng)用于公交公司等錢(qián)幣多、散、雜的場(chǎng)所，其實(shí)現(xiàn)功能主要包括紙硬幣分離、硬幣分類(lèi)收集、紙幣展開(kāi)、壓平、方向整理、分類(lèi)收集，為實(shí)現(xiàn)以上功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了功能模塊、動(dòng)力及傳動(dòng)模塊和電路控制模塊。紙硬幣分離模塊利用風(fēng)機(jī)和具有導(dǎo)向作用的箱體對(duì)錢(qián)幣進(jìn)行初步分離，此時(shí)硬幣由掃幣片進(jìn)行分類(lèi)規(guī)整，紙幣由專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的處理模塊整理。

2.1 紙幣處理模塊

該模塊工作步驟為紙幣逐張輸送、紙幣展開(kāi)、面值識(shí)別、壓平、方向整理和分類(lèi)收集，主要包括毛刷、刮板、紙幣吸附輪、螺旋搓拈輪、圖像識(shí)別傳感器、軟皮輥、按壓輪、熱板、導(dǎo)向斜板和紙幣收集箱等結(jié)構(gòu)。

（1）紙幣逐張輸送由紙幣吸附輪完成，在毛刷和刮板輔助下完成紙幣吸附，空心槽一端與真空泵連接，一端封口，開(kāi)槽處在空心輪內(nèi)，空心輪上開(kāi)有5mm的小孔，開(kāi)孔處帶有負(fù)壓，5mm的小孔保證吸附輪每次吸起一張紙幣；

（2）紙幣展開(kāi)：由兩個(gè)螺旋搓拈輪、軟皮輥和傳動(dòng)送共同作用完成，螺旋搓拈輪由膠皮在搓拈軸上螺旋纏繞而成，由紙幣吸附輪逐張吸附的紙幣在傳動(dòng)帶帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，螺旋搓拈輪對(duì)紙幣進(jìn)行搓拈展開(kāi)，軟皮輥具有對(duì)展開(kāi)紙幣的按壓作用，防止其回復(fù)原樣。

（3）壓平：該步驟由熱板和按壓輪完成，熱板上安裝加熱器，經(jīng)查閱，對(duì)紙張壓平溫度為200℃其加熱時(shí)間最短，效果好且對(duì)紙幣沒(méi)有損傷。

（4）方向整理、分類(lèi)收集：公交總站錢(qián)幣一元占大多數(shù)，其余面值均較少，故將紙幣分為一元和其他兩類(lèi)，由完成，斜板上一塊擺動(dòng)擋板可旋轉(zhuǎn)，圖像識(shí)別控制導(dǎo)向斜板旋轉(zhuǎn)，形成不同滑道，紙幣靠自身重力最終進(jìn)入斜板末端的收集盒。

2.2 電路控制模塊

自動(dòng)控制部分，由555定時(shí)器制成的方波發(fā)生器完成總對(duì)所有步進(jìn)電機(jī)的操控，實(shí)現(xiàn)紙硬幣分離，硬幣分揀和紙幣分類(lèi)的功能。下位機(jī)芯片STM32F103主要完成了接受傳感器的信號(hào)并處理對(duì)應(yīng)中斷，接受上位機(jī)信號(hào)并操控舵機(jī)的功能。上位機(jī)即PC機(jī)主要完成了操控USB攝像頭完成圖像檢測(cè)識(shí)別紙幣面值的功能。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用串口通訊協(xié)議完成通訊。

下面對(duì)主要硬件部分做介紹

2.2.1 單片機(jī)部分

單片機(jī)采用了ST公司的STM32F103VETx系列芯片作為下位機(jī)。

ARM內(nèi)核芯片較51單片機(jī)有著更高的抗干擾性。

STM32F103系列內(nèi)部含有8個(gè)定時(shí)器，此處使用通用定時(shí)器3產(chǎn)生PWM信號(hào)，以操控舵機(jī)的方向旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 紅外接近開(kāi)關(guān)部分

紅外接近開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)是否有紙幣通過(guò)，如果有紙幣通過(guò)，則會(huì)讓單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。此種型號(hào)接近開(kāi)關(guān)可以發(fā)送紅外光，遇到障礙物后反射，即可知道是否有紙幣通過(guò)。實(shí)際運(yùn)用中將傳送帶設(shè)計(jì)為黑色，最大限度吸收光線(xiàn)，阻止光線(xiàn)反射，當(dāng)有其他顏色錢(qián)幣通過(guò)時(shí)，光線(xiàn)被漫反射，即可確定有紙幣通過(guò)，向上位機(jī)發(fā)送信息即可。

2.2.3 上位機(jī)部分

上位機(jī)部分同時(shí)完成了對(duì)下位機(jī)的操作和對(duì)數(shù)字圖像處理的功能。每當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)，上位機(jī)即操作USB攝像頭拍攝當(dāng)前畫(huà)面，并將拍攝的圖片進(jìn)行RGB格式至HSV格式轉(zhuǎn)化，再分別取得H，S，V通道，并且對(duì)H通道單獨(dú)二值化，將綠色對(duì)應(yīng)范圍至轉(zhuǎn)化為黑色，其余顏色為白色，通過(guò)計(jì)算黑色部分面積即可知道是否為綠色的一元紙幣。最后將處理結(jié)果通過(guò)USB串口反饋給下位機(jī)，從而驅(qū)使下位機(jī)操作舵機(jī)完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)當(dāng)紙幣以一定的速度撞向限位擋板時(shí)候，速度與擋板的夾角為。由于擋板的限位作用，紙幣在損失一定能量后，會(huì)朝某一方向旋轉(zhuǎn)，而根據(jù)斜碰定義式中，分別為二物體質(zhì)量，分別為x和y方向上的夾角，E為損失動(dòng)能，e為恢復(fù)系數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)能夠翻轉(zhuǎn)，首先最寬處需要大于其對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，以擺動(dòng)擋板左傾狀態(tài)為例，最極限情況為紙幣左貼向下碰撞發(fā)生反轉(zhuǎn)，故經(jīng)過(guò)計(jì)算可得進(jìn)口寬度為165mm左右最合適。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終將尺寸定位162mm。

而紙幣以一定初速度到下滑道時(shí)，經(jīng)過(guò)一段加速運(yùn)動(dòng)，第一次碰撞到擋板時(shí)，碰撞后y方向的速度不為0，將擋板看作質(zhì)量無(wú)窮大初速為0的物體，結(jié)合上述所有公式，在57°左右最為合適。斜限位擋板和邊緣角度為18°左右最合適。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，最終決定下滑道和水平面夾角為為60°，斜限位擋板和邊緣角度為20°。

4 總結(jié)

本裝置使用方便，功能多樣，實(shí)用性強(qiáng)，增加了對(duì)紙硬幣分離，紙幣分類(lèi)、整理功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，可用于及時(shí)緩解公交總站的紙硬幣分離問(wèn)題，緩解了現(xiàn)有錢(qián)幣回收到公交站后由點(diǎn)鈔員清點(diǎn) 工作量大和效率低的問(wèn)題。使用該裝置節(jié)省了大量的人力成本支出，預(yù)計(jì)將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介

呂倩航（1996-），女，浙江省東陽(yáng)市人。武漢理工大學(xué)大學(xué)本科在讀。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化。

作者單位

武漢理工大學(xué) 湖北省武漢市 430070