陈泽坤, 马新玲

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海200237)

多捻轮式六通道纸币分拣装置设计

陈泽坤, 马新玲

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海200237)

针对金融市场、公交系统所使用的纸币分拣处理装置存在结构单一、体型庞大、价格昂贵等问题，设计了多捻轮式六通道纸币分拣装置。该装置利用纸币与捻钞轮的摩擦以及不同齿数的同步轮之间的速度分级达到将重叠的纸币分离的效果。整机由纸币分离结构、纸币面额识别结构、纸币分拣结构和数据反馈装置四部分组成。其中，纸币面额识别主要利用颜色传感器采用HSV的识别原理进行面额识别，数据反馈则是LCD液晶显示屏显示纸币的面额以及数量。纸币分拣机构利用8个捻钞轮的组合，通过控制转向，实现1个入口，6个出口的分拣功能，极大地节约了分拣空间。实物样机的运行结果表明，该装置对于6种不同面值的混乱人民币纸币，具有工作稳定、分拣速度快、体积小、准确率高、价格低廉、清洁环保耗能低、可视性与拓展性强等特点。

捻轮； 分拣装置； 人民币； 颜色识别

0 引 言

随着我国经济的迅速发展，商业活动十分频繁，使得货币发行量逐年增加，对发行钞和流通钞的处理量日益增大，而传统的手工点钞、点钞机处理都不能满足时代发展的需要。经过调研发现，现有的能够分拣纸币的机器大部分都来自于进口，体积较大而且成本较高。目前，我国19.3万家金融机构的纸币清分机的配备率仅为5%～6%，纸币清分机的保有量缺口非常大。对于区域发展不均衡的中国来说，在发展较弱的地区普及纸币分拣装置就成为一个难题。如何得到一个体积小巧、成本低并高效的纸币分拣装置是我国金融行业急需解决的问题。本文设计的具有摩擦阻力实现纸币分离和以及捻钞轮正反向旋转的实现纸币分拣的多捻轮式六通道纸币分拣装置，实现了操作方便、分拣高效、低能环保、占地面积小、价格低廉的目的。

1 智能化纸币分拣装置的机械系统

1.1 整体结构

本文设计的六通道纸币处理装置如图1所示，主要由纸币分离结构、纸币面额识别结构、纸币分拣结构、数据反馈装置组成[1]。根据纸币传送的逻辑顺序，采用紧凑的空间布置，纸币分离结构位于入口处，纸币面额识别结构、纸币分拣结构分别位于其下方，数据反馈装置在其侧面。该装置可实现任意数量、任意顺序的堆叠纸币的快速分拣，6个通道的数据由统一显示终端实时反馈其统计数据与当前数值，并且采用模块设计，既可相互关联又可独立运行，极大提高其整体的性能组合与通用性。

图1 装置整体结构图

1.2 纸币分离结构的设计

纸币分离系统包括两个部分：① 阻力片和捻钞轮组合实现单张纸币的进入，这是从验钞机中得到灵感，在普通的验钞机中为了加强捻钞轮与接触面的摩擦，通常采用如图2的阻力片来达到效果。本文经过多次试验，得到捻钞轮与阻力片之间良好的配合间隙，能够较好地将一沓纸币分离成单张[2]。② 不同齿数的同步轮组合实现速度分级，电动机直接带动捻钞轮速度快，通过小同步轮带动大同步轮，减慢了大同步轮的速度，前后形成一个速度差，把两张紧密接触的纸币通过速度差，拉开两两纸币之间的间距，对后面的识别提供了合适的检测距离[3]。该系统的两部分组合，既实现最大化达到了分离纸币的目的，又最大程度减少了占地空间，并且最大程度地减少了动力的使用，只需要一个电动机配合同步带，便可以带动纸币分离系统，达到了节省能源的目的。

图2 纸币分离系统

1.3 纸币面额识别结构

纸币面额识别系统采用的硬件为TCS3200颜色传感器(见图3)，首先捻钞轮将已分离的单张纸币传送到暗箱装置，该装置内所有光线均由控制者所提供，以便消除外界的干扰。在确定光环境之后，进行调节白平衡，以确定RGB的影响因子[4]。本装置若投入工业化生产，也应将所有包装加工为相对黑暗的环境，以消除外界光线影响。

TCS3200颜色传感器通过数据采集获得被测纸币颜色的RGB值，但是从RGB值无法准确的直接判断纸币的颜色，需要转换到HSV(Hue，Saturation，Value)色彩空间。HSV色彩空间一方面消除了亮度在图像中与颜色信息的联系；另一方面色调和饱和度与人的视觉特性比较接近，便于分析和理解，HSV色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述，如图4所示。色调(H)用角度来标定;径向方向上饱和度(S)的深浅用离开中心线的距离表示;亮度(V)用垂直轴表示。色调用-180°～180°或0°～360°度量；饱和度用百分比0%～100%度量；亮度也用百分比0%(黑)～100%(白)度量。由于色调是以圆周上的角度度量的，故由色调饱和度分量可以构造一个颜色轮。在颜色轮上，红绿蓝分别间隔120°，它们的混合色为黄、青、品红。纸币面额识别系统将已测得的HSV值传输给纸币分流系统，来进行进一步分离[5]。

1.4 纸币分拣结构

纸币分流系统(见图5)采用的是多个捻钞轮的配合，对传送进来的单张纸币进行分流。分流系统总共由8根轴及其上的捻钞轮组成。8个轮子(放置位置见图6)通过接近啮合但不接触的方式，既能改变纸币方向又不至于将纸币扯断。分流系统的轴上装有轴承[6]可以较好地减少亚克力板所承受的震动。

图5 纸币分流系统模型

图6 方向轮位置图

如图6中1轮和2轮为捻进轮，单张纸币从纸币面额识别系统出来，被捻进轮带入纸币分拣系统，其他6个轮子都是可进行正反转的，根据需求进行正反转。每一个分流处存在两个方向，这样只需要极少次的分离方向就可以达到分离6种纸币的目的。Arduino开发板[7]将收到纸币面额识别系统传输过来的电信号转化为脉冲信号，向继电器电路板输送信号控制继电器电路板的输出正负极电位，按照要求从某一出钞口出钞，每个可控电动机设计转动方向形成一套转动方案，6种面额也就有6种转动方案。上级机构输送进来的电信号调用开发板内设定的一套运转方案，控制电动机进行不同方向的转动，通过电动机联轴器带动捻钞轮的转动，进而对不同面额的纸币进行方向上的控制，达到分离纸币的目的[8]。

举例：如图7所示，若纸币被检测到需要从C口出去，则开发板传输给控制方向轮的舵机以电信号，各个方向机控制1号轮逆时针，2号轮顺时针，3号轮逆时针，4号轮顺时针，6号轮逆时针，8号轮顺时针，通过捻钞轮和纸币的摩擦引导纸币沿黑色箭头指示线路进行传输，这样纸币就从C口出去。同理，通过调节不同的方向轮正反转，可以达到从1个口进去，6个口出去的目的。

图7 分拣系统例图

1.5 数据反馈系统

数据反馈装置是12864兰屏LCD液晶显示屏(见图8)。在TCS3200颜色传感器对纸币进行识别的同时[9]，通过3条杜邦线，能够输送出8种不同的信号脉冲，但由于只对6种纸币进行识别，所以实际上只有6种脉冲信号输出，传递给LCD液晶屏[10]，由于脉冲是以二进制输送数据，但显示屏是十进制的，故需要用ASCII[11]进行转换为显示的信号。对于显示屏某些显示区域，设置了一一对应原则即显示屏的某块区域只针对某一种面额纸币的计数与累计金额[12]。在计数过程中，传感器每读到一张纸币，对应该面额纸币的显示屏的某区域的number就加1，于此同时，总计金额total就根据number乘以对应的面额，显示出总计金额，在显示屏的程序中，设置每1 s循环一次，所以随着时间推移，纸币进入，number和total就不断用新的数据覆盖新的数据，每次断电之后，数据会被刷新，所有计数重新开始。

图8 数据反馈系统

2 多捻轮式六通道纸币分拣装置的控制系统

本装置控制系统由单片机、HF19F-DC继电器电路[13]、TCS3200的颜色识别系统、红外检测装置四部分组成。通过四部分之间的通信与外接传感器的数据反馈，实现动态检测、

红外启动[14]、电动机旋转和继电器信号的闭环控制[15],极大提高了装置运行效率与运行稳定性。工作流程如图9所示:① 上电后打开开关，显示屏复位，继电器处于断开状态，电动机停转，红外检测模块运行。② 放入纸币，挡住红外线，继电器处于闭合状态，带动与捻钞轴相连接的电动机转动。③ 纸币通过捻钞轮与阻力片配合机构，利用摩擦将重叠的纸币分离开来，进入下一机构。④ 皮带传动不同齿数的同步轮，利用差速将紧密接触的纸币拉开一段距离，为传感器识别纸币面额预留出空间，避免检测出错。⑤ 颜色传感器识别出纸币面值，传递出脉冲信号，控制二级组合继电器的逻辑电位，同时识别出来的信号也传递给显示屏，更新显示屏数据。⑥ 二级组合继电器控制高低点位，控制连接六轴捻钞轮的电动机的正反转，实现1个入钞口，6个出钞口，达到分拣纸币功能。

图9 工作流程图

3 结 语

本文设计的装置可实现混合不同人民币的的分拣、计数，其分拣速度约可达到50张/min的高速分拣，其稳定性已经经过了长时间运行得到验证。该装置相较于市场已有的纸币分拣机占地空间更小、结构紧凑、外挂设备强、效率高、耗电低、清洁环保，相较于长期由国外进口品牌占据的纸币清分机价格具有价格低廉、分拣速度快、维护便利等特点。综上所述，该装置有理论和实用价值，具有较好的市场推广前景。后续研究可从增加纸币捻平、验伪和包装等方面入手，将其进一步改进完善，最终实现任意面值人民币的分拣包装，从而提高钱币处理行业的工作效率，减轻人工压力。

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Design of Multi - twist Wheel Six - channel Paper Currency Sorting Device

CHEN Zekun, MA Xinling

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science Technology, Shanghai 200237, China)

A multi-twister six-channel banknote sorting device is designed for the financial market and public transportation system, to solve the problems of traditional devices such as single structure, large size and expensive price. The core of the device and innovation points lay on notes separation mechanism Using friction between note and twist wheel and different gears of synchronous wheels, we design the device with four parts: notes separation structure, notes denomination recognition structure, the structure of the paper currency sorting, and data feedback. The paper currency denomination recognition mainly uses HSV color sensor principle, and data feedback is the LCD display which shows the denomination and quantity of the bill. Paper currencies were sorted by using a combination of eight wheels and the steering control. There are one entry and six exports, and currencies with different denominations are sorted. It greatly saves space. Physical prototype shows that the device can process six different denominations of chaotic notes, it is stable, high sorting speed, small size, high accuracy, low price, clean energy consumption, low visibility, and expandability. It can be used in the public transportation, finance and other related cash processing industry to reduce the sorting of human resources and workload, and improve work efficiency.

twist wheel; sorting device; RMB; color recognition

2016-11-21

陈泽坤(1995-)，男，福建云霄人，本科生，现就读机械专业材料与装备工程系。E-mail: xlma@ecust.edu.cn

马新玲(1975-)，女，河南开封人，副教授，研究方向为纳米力学。Tel.:13564260660; E-mail:xlma@ecust.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2017)08-0087-04