钱币分离计数机的研究与设计

2017-12-01柳雅文左丰豪张凯张蕾朱琳西北农林科技大学机械与电子工程学院

数码世界 2017年10期

柳雅文左丰豪张凯张蕾朱琳西北农林科技大学机械与电子工程学院

钱币分离计数机的研究与设计

柳雅文左丰豪张凯张蕾朱琳西北农林科技大学机械与电子工程学院

如今随着公交系统遍及广泛，货币流通过程中免不了使用大量的硬币，社会对硬币的快速分类整理及清点需求与日俱增，基于这一实际情况，本文主要创新设计了一种钱币分离、计数装置。该装置可以实现一元、五角硬币的分离工作，主要针对于公交车上的硬币，利用其外形尺寸的差别进行分离。硬币分离之后，进入各自的通道中，在通道的末尾设有金属感应器，可以计录通过硬币的数量。本装置加工简单，制作方便，针对性强，性价比较高，调试简单，既便于人们的出行及消费，又减少了用于人工整理、清点钱币的开支，弥补了目前投币系统单一的存储功能的缺憾。

硬币分离计数收集高效

随着贸易迅速发展，自动化商业机械有了越来越广泛地应用。钱币分离机作为自动化商业系的代表，有极大的市场需求，在钱币的识别、分类方面它能给人们的生活带来了极大地方便。传统的硬币分离方式为人工分离，其效率较慢，成本高，提高硬币的分离效率在当下显得尤为重要，这也是本次项目研究的意义所在。硬币相比纸币来说有减少病菌的传播、耐磨损、易回收等无可替代的优势，从长远来说节省了国家造币开支，由此占领了小面额货币市场。随着硬币的使用频率逐渐增加，硬币分离以及统计成为一个亟待解决的社会难题。在我国，硬币的投放量还将大幅度增加，相应的配套使用的仪器和设备数量庞大，种类繁多。据市场调查，目前市场上的一个投币箱价格在1500-2000元左右，成本较高。目前在大多数情况下这些硬币收集后，一般是由人工分拣计数，误差比较大、计数效率也不高，而且加大了对雇佣员工成本投入，这些因素都大大制约了公交行业的发展。因此，针对于公交车上的硬币，设计一种便捷、可靠的具有分离、计数并且收集功能的装置对交通行业的发展、硬币的流通来说都至关重要。

目前国内外已经有多种能够实现硬币的分离、计数、整理甚至其他更多功能的仪器装置的研究。有一种滑槽式硬币清分机是在对滑槽式硬币清分机市场调研的基础上，对滑槽式硬币清分机的整体造型进行了创新设计。还有一种基于PC/104总线工控机的硬币清分装置,实现硬币的快速鉴伪、面值清分、金额累计等功能,这都是相当智能化的机器了。还有比较传统的一种曲柄摇杆式硬币分离机的设计，是利用各种面值硬币直径大小的不同，利用筛箱来进行分离，采用的曲柄摇杆装置，使筛箱震动起来，增强分离器中硬币重心的不稳定性，实现硬币分离；另一种独特的阶梯式轨道硬币清分机，采用特殊的三阶梯式分离轨道实现不同尺寸硬币分类，并且利用可旋转的双筒收集装置，有效地解决了分类计数问题。除此之外还有基于Solid Works的钱币自动分离器，可实现硬币的分类和计数；底部收纳盒实现硬币的包装整理；还有种通过送币漏斗到达送币盘，送币盘在旋转的过程中实现钱币的分离的机器，并且由设置在导槽两侧面的传感器完成硬币的清分计数过程。另外，还有一种由毛刷根据不同币值的硬币直径判断通过的纸硬币的性质，以实现不同纸硬币的分离，目前有将此设计应用于无人售票的公交车上。

但是以上的设计装置不是设备造价太高，就是仪器太过于笨重，实际运用起来还是有很大的局限性，不满足市场需要。于是为了解决现有装置所存在的问题，基于现有研究的总结分析进行创新，设计了如下装置。

1 设计方案

1.1 总体设计结构

图1钱币分离计数机俯视图

图2钱币分离计数机三维立体图

1.机架2.转盘3.滚筒支撑板4.导轨5.硬币挡板6.滚筒7.电机8.通道固定板9.五角硬币通道及金属感应计数器10.五角硬币收集槽11.一元硬币收集槽12.一元硬币通道及金属感应计数器

1.2 具体安装方式

硬币支撑板5通过螺栓固定到滚筒6上，然后滚筒6通过螺栓固定安装到滚筒支承面3上，转盘2也通过轴承安装到滚筒支承面3上，导轨4也通过螺栓固定到滚筒支承面3上，然后滚筒支承面3通过螺栓连接固定到机架1，进而电机7通过螺栓固定到机架1上。五角硬币通道及金属感应器9、一元硬币通道及金属感应器12通过螺栓固定到通道固定板8上，并且通道固定板8通过螺栓固定到机架1上，五角硬币收集槽10、一元硬币收集槽11通过螺栓固定到机架1上。由转盘2、导轨4、五角硬币通道及金属感应器9、一元硬币通道及金属感应器12、五角硬币收集槽10、一元隐硬币收集槽11组成了装置的执行机构。

1.3 工作原理

硬币清分机的工作原理是：将硬币放入机器上方的滚筒中，电机带动滚筒内部的转盘转动，利用离心力作用将硬币从滚筒的开口处甩出。甩出的硬币进入导轨装置，利用硬币直径大小不同的原理，一元硬币通过导轨，五角硬币因直径比较小从中间缝隙落下实现分离。通过导轨的硬币进入通道中，由于在导轨下方的通道中设有金属感应器，用于对落下的硬币进行计数，当硬币达到一百个时，给单片机传递信号将储有硬币的收集槽转出，实现硬币的计数收集。最终一元与五角硬币分别落入各自的硬币收集槽，实现分类收集与整理。

1.4 硬币的分离装置

通过实际测量得出：

一元硬币：直径25mm，厚1.85mm；

五角硬币：直径20.5mm，厚1.65mm；

机器制作主要针对于公交车上收集的一元五角硬币，将硬币放入滚筒的转盘上，利用离心力将硬币离心甩出。本装置的设计是滚筒开口在切线方向26mm宽，开口高度距转盘2mm，使硬币较容易的甩出。甩出的硬币进入导轨（图3）中，一元硬币可以在导轨上运动，而五角硬币将从中间缝隙掉落，可以设计导轨上部宽26mm中间的缝隙宽21mm，这样便实现了硬币的分离。

图3导轨

1.5 硬币的计数及指定个数输出

硬币分离之后，进入各自的通道中。由于硬币是金属材料，所以在通道的末尾设有金属感应器，每通过一枚硬币，感应器计数器便可以累加一次，进而可以记录通过硬币的数量。硬币计数后落入各自硬币收集槽中。当硬币达到指定数量后，将信号传给单片机，利用单片机控制步进电机，将硬币收集槽转出，实现硬币的指定数量的收集与整理。

1.6 应用及调整

本装置为实现指定个数输出，利用金属感应器计数硬币数量，将信号转给单片机，经过输入制定的汇编程序处理后，给步进电机发射脉冲使其转动。为了防止硬币过多导致导轨堵塞，在滚筒开口处进行流量控制使硬币大约一圈可以转出一枚，一分钟可分离大约200个到400个硬币。指定个数输出可以根据需要修改汇编程序，相应的硬币槽的高度及转机扭矩也需要进行相应的调整，从而可以指定任意个数硬币的收集以及输出。

2 理论设计计算

2.1 电动机与传动比的选取

2.1.1 传动比选取

对硬币进行受力分析，硬币若能够离心甩出，则转盘旋转产生的离心力应大于硬币对转盘的摩擦力。为主轴转速，为转盘半径，为硬币与转盘的摩擦系数。

为了让硬币较快分离，提高转速，取，经验证，该传动比满足硬币离心要求。

2.1.2 电动机选取

带动转盘以及大量硬币旋转(这里假设有100个一元硬币在转盘上时启动)，以及如果硬币阻挡在滚筒开口处，需要利用摩擦将硬币转出。

所选电机转速为1400r/min，功率为120w。

2.2 带轮及带数的选择

由于空间有限，这里使用一级传动比 =7。由于功率较低，参考利用洗衣机上带轮的设计，带型选用Z型带。

经验证，符合要求。

2.3 单片机控制电路图

图4控制电路图

图4中89C52(1)为计数功能，89C52(2)为控制电机动作。电机选用42步进电机，扭矩大小为0.7

2.4 实验验证

2.4.1 分离阶段

硬币进入工作区，混合币在电动滚筒施加的离心力作用下被抛入导轨，利用硬币直径大小不同的原理，在导轨内部阵列了一系列直径介于五角硬币和一元硬币的装置，分布于导轨表面，一元硬币通过导轨，五角硬币因直径比较小从中间缝隙落下实现分离。

2.4.2 感应阶段

通道末端设置的金属感应器对进入的硬币感应敏锐，准确，可对经过筛选的硬币进行精确计数，并将信号转给单片机，经过输入制定的汇编程序处理后，给步进电机发射脉冲使其转动。

2.4.3 计数阶段

通过单片机原理，对所感应的硬币进行累加，当硬币达到预定设置值时，硬币收集槽自动转出进行分类收集，并将混合币有效分离并计数。

3 单片机编程应用

3.1 实现计数功能：

通过第一个单片机进行编程，实现硬币的计数功能。硬币通过一次金属感应器，金属感应器产生一个脉冲，单片机接受到一个信号便记一次数。这里利用1602LCD显示器显示。将LCD显示器初始化，设硬币个数为x，通过将x对1000取余除以100后作为百位上的数字显示，将x对100取余后除以10作为十位上的数字显示，将x对10取余后作为个位上的数字显示。从而使硬币的个数显示到显示屏上。

3.2 控制步进电机运动：

将硬币的个数信号传递给下一个单片机，若个数能被5整除则给步进电机驱动器一个脉冲，使步进电机旋转指定步数，从而使硬币收集槽旋转90度，将存在硬币槽中的5个硬币旋转出来，从而实现硬币的整理收集。

4 创新点

我们制作的机器能够实现将大量的一元、五角硬币的分离，指定个数整理输出的功能。“钱币分离计数机”创新点主要有：

（1）利用离心的原理使硬币输入导轨，进而通过设计导轨，利用硬币直径大小不同来分离硬币，分离速度比较快效果也很稳定。

（2）金属感应器灵敏可靠，与感应与分离速度相协调，技术准确，不漏数多数。

（3）机器设计可以指定个数输出，输出的个数可以根据具体需要设定，一个到一百个皆可，输出硬币为竖直一列排列，同时实现了硬币的整理目的，为下一步给硬币包装提供了方便。

（4）显示屏上显示的是当前在硬币槽中取出硬币的数目，这样可以简单、精确的计算出硬币的总个数。

（5）该装置外形简单，原理清晰，运行平稳，性能可靠，适用于各种自动投币场所，高效，环保，既方便了消费，又降低了成本，且节省人力。

5 结束语

本设计装置改进了原始的投币箱，实现了对硬币分类、整理和计数功能，结构简单，维修方便，操作简单，造价低，可用于无人售票系统的公交车。该装置可以及时处理乘客投入的钱币，缓解现有钱币回收到公交公司由点钞员清点工作量大和效率低的问题。使用该装置分离、计数准确并且节省了大量的人力及成本支出，具有一定的市场前景与推广价值。

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