邱海飛，李偉濤，楊 光，牛曉雪

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

1 引言

日常生活中，很多行業(yè)每天都會(huì)面臨大量的硬幣流通與分點(diǎn)，例如銀行、超市、公交公司及地鐵站等，如何快速、精確地回收和清點(diǎn)各類不同面額的混合硬幣，一直是相關(guān)行業(yè)、領(lǐng)域研究和探索的技術(shù)熱點(diǎn)[1]。面對(duì)大量的硬幣清點(diǎn)工作，傳統(tǒng)的人工清點(diǎn)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難免出錯(cuò)，不能保證準(zhǔn)確率。此外，目前已有的硬幣分點(diǎn)機(jī)械大多功能單一、效率不高，不能很好地實(shí)現(xiàn)大批量混合硬幣的高效分類與精確清點(diǎn)[2]，難以適應(yīng)相關(guān)行業(yè)及場(chǎng)所對(duì)于硬幣分點(diǎn)工作的預(yù)期要求。

設(shè)計(jì)研制了一種針對(duì)混合硬幣自動(dòng)分類與清點(diǎn)的機(jī)械裝置，能夠在快速分揀混合硬幣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)精確清點(diǎn)，避免了耗時(shí)費(fèi)力的人工清點(diǎn)過(guò)程，有效提高了硬幣分點(diǎn)的工作效率。

2 硬幣分點(diǎn)原理

根據(jù)不同規(guī)格硬幣的直徑差異，利用可振動(dòng)傾斜滑道分揀混合硬幣[3]?；辣砻嬖O(shè)計(jì)有分揀1角、5角硬幣的圓孔和分揀1元硬幣的矩形空心區(qū)域，如圖1所示。

圖1 分揀滑道結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Sorting Ramp

其中，1角硬幣分揀圓孔有4個(gè)，孔徑：19.5mm＞19mm（實(shí)際1角硬幣直徑）；5角硬幣分揀圓孔有3個(gè)，孔徑：24mm＞20.5（實(shí)際5角硬幣直徑）；最下方的矩形空心區(qū)域?yàn)?元硬幣分揀區(qū)，尺寸為134*55mm，遠(yuǎn)大于實(shí)際1元硬幣的直徑（25mm）。進(jìn)入分揀區(qū)的硬幣借助自身慣性和滑道低頻振動(dòng)沿傾斜表面向下運(yùn)動(dòng)，并按照硬幣直徑大小依次（1角→5角→1元）掉落至回收盒，實(shí)現(xiàn)混合硬幣的快速分揀。

另外，在回收盒下方裝有專門針對(duì)硬幣清點(diǎn)而開發(fā)的高精度電子計(jì)數(shù)裝置，可對(duì)回收的1角、5角及1元硬幣進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)與清點(diǎn)，并將清點(diǎn)完成的硬幣數(shù)量和金額顯示于LCD屏上，實(shí)現(xiàn)回收硬幣的精確清點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 電氣系統(tǒng)及硬件組成

考慮到硬幣分點(diǎn)機(jī)械的使用場(chǎng)所、工作負(fù)載及效率等因素[4]，選用一種三相直流電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸入，其主要參數(shù)包括功率60W；電壓 220V；頻率：60Hz；輸出轉(zhuǎn)速：（0～40）r/min。為了提高硬幣分點(diǎn)效率，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，調(diào)速范圍：（18～40）r/min。當(dāng)硬幣分點(diǎn)工作量較大時(shí)，可通過(guò)調(diào)速控制面板提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，由此調(diào)節(jié)傳送帶輸送硬幣的速度，提高工作效率。

硬幣清點(diǎn)與計(jì)數(shù)由通過(guò)C語(yǔ)言開發(fā)的電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，主要包括單片機(jī)、電阻應(yīng)變片壓力傳感器、液晶顯示屏及相關(guān)電氣控制元件等，具體硬件組成主要包括：YL-33 51+AVR最小系統(tǒng)、STC12C5A60S2芯片、LCD12864顯示屏、3路壓力傳感器（HX711模塊）、蜂鳴器、DC-DC降壓模塊及電源適配器（12V、1A）。

HX711是24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，其管腳功能，如圖2所示。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。HX711芯片與后端STC12C5A60S2（MCU）芯片的接口連接，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，3路稱重模塊均采用通道A，可編程增益為128，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20mV或±40mV。HX711芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源4.3V，直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源。

圖2 HX711管腳功能Fig.2 Pin Function of HX711

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

硬幣回收清點(diǎn)過(guò)程需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三部分組成，即電阻應(yīng)變片壓力傳感器、HX711 A/D轉(zhuǎn)換芯片及主控單片機(jī)MCU。通過(guò)由4組1KΩ電阻應(yīng)變片組成的壓力傳感器采用硬幣重量數(shù)據(jù)，然后經(jīng)由HX711模塊進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后送入至主控單片機(jī)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和程序執(zhí)行。

圖3 數(shù)據(jù)采集過(guò)程Fig.3 Process of Data Acquisition

3.2.2 硬幣清點(diǎn)實(shí)現(xiàn)程序

整個(gè)電路系統(tǒng)由（12V、1A）電源適配供電，DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊將12V電壓降壓為標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓，為YL-33 51+AVR最小系統(tǒng)、3路稱重模塊以及蜂鳴器供電，按下電源開關(guān)后，LCD 12864會(huì)顯示基本界面信息，表示系統(tǒng)可以正常工作。

硬幣清點(diǎn)過(guò)程，如圖4所示。3路（1角、5角、1元）電阻應(yīng)變片壓力傳感器將硬幣的重量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，HX711AD模塊把所采集的模擬電壓增益128倍后處理成24bit的數(shù)字量，并通過(guò)（P3.6，P3.7）、（P3.4，P3.5）、（P1.6，P1.7）三組數(shù)據(jù)、時(shí)鐘口送入主控單片機(jī)MCU。

圖4 硬幣清點(diǎn)工作流程Fig.4 Workflow of Coin Counting

STC12C5A60S2單片機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)采集外部模擬電壓的變化量，并經(jīng)MCU數(shù)據(jù)處理以后，通過(guò)P2數(shù)據(jù)口送至LCD 12864上直觀、準(zhǔn)確地顯示所采集到的外界信息。另外，當(dāng)MCU檢測(cè)到硬幣1角、5角、1元的數(shù)量有任何一類超過(guò)100枚時(shí)，蜂鳴器會(huì)長(zhǎng)鳴報(bào)警提示用戶有超重現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)硬幣清點(diǎn)原理及流程，利用C語(yǔ)言編寫硬幣清點(diǎn)主程序。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)創(chuàng)意和功能要求，要求樣機(jī)模型外觀新穎、結(jié)構(gòu)輕巧、成本低廉、性能可靠[5]。首先從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度對(duì)各機(jī)械零部件進(jìn)行造型，然后確定其結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)特征，主要機(jī)械零部件包括：機(jī)架、水平傳送帶、分揀滑道、分流罩、曲面漏斗、回收盒及亞克力板等。

在SolidWorks2015平臺(tái)上對(duì)各零部件進(jìn)行三維CAD建模，最終設(shè)計(jì)完成的數(shù)字樣機(jī)，如圖5所示。樣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程涉及多種現(xiàn)代CAD設(shè)計(jì)方法，如特征建模、單一數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬裝配、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、運(yùn)動(dòng)仿真、動(dòng)畫制作及工程圖設(shè)計(jì)等[6-7]。裝配設(shè)計(jì)過(guò)程要求各零部件之間無(wú)干涉，確保數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)精度和可靠性。

圖5 數(shù)字樣機(jī)總裝模型Fig.5 Assembly Model of Virtual Prototype

5 實(shí)物樣機(jī)

根據(jù)數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)及工程圖紙制作實(shí)物樣機(jī)，采用工業(yè)鋁型材及亞克力板組裝機(jī)架結(jié)構(gòu)，其他零部件如帶傳動(dòng)、亞克力板、單片機(jī)、控制開關(guān)、微型振動(dòng)片、12864液晶屏等，都按照設(shè)計(jì)位置安裝在機(jī)架之上。樣機(jī)制作過(guò)程涉及相關(guān)機(jī)加工和工藝處理，如打孔、切割、磨削及銑削等；對(duì)于部分非標(biāo)件和關(guān)鍵零部件[8]，通過(guò)3D打印進(jìn)行制作，如分揀滑道、分流罩、曲面漏斗、回收盒及滑道支撐等。對(duì)3D打印模型進(jìn)行工藝后處理，如去支撐、拋光、打孔及噴色等[9-10]，然后將其組裝到機(jī)架之上，最終制作完成實(shí)物樣機(jī)，如圖6所示。

圖6 實(shí)物樣機(jī)Fig.6 The Physical Prototype

6 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于同類產(chǎn)品，這種新型硬幣自動(dòng)分點(diǎn)裝置不僅簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)、高效，而且具有良好、穩(wěn)定的硬幣分點(diǎn)效能。實(shí)際測(cè)試表明，該裝置能夠方便、快捷地實(shí)現(xiàn)混合硬幣（1角、5角及1元硬幣）的自動(dòng)分類與清點(diǎn)，可適用于銀行、超市及公交公司等場(chǎng)所，具有良好的應(yīng)用價(jià)值及市場(chǎng)推廣前景。