张 伟，陈 勇，张志浩，刘 罡

（1.东北大学 机械工程学院与自动化学院，辽宁 沈阳 110819；2.内蒙古民族大学 机械工程学院，内蒙古 通辽 028043；3.郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001）

随着人口的增加和现代社会的快速发展，手机支付将得到更广泛的应用，这是一个不争的事实.但是，目前城市公交、地铁和一些小型商店依然以现金为主流支付方式.商业公司需要花费大量的人力物力来清理、分类这些混杂的纸币，这种方式效率低下、工作枯燥.而智能钱币清分机是一种将混杂在一起的钱币进行清分、识别、计数等功能为一体的光机电一体化高科技产品.目前，市场上钱币清分机大多依赖进口，费用高、后期维护成本较大，因此普及率低，只有一些大型公交公司、大型银行服务网点才配备，个体及小型企业很少配备，在一定程度上阻碍、限制了经济的发展.钱币清分机可广泛应用于公交公司、银行、个体、企业等商业机构，提高业务处理效率及自动化水平，并促进市场货币流通，具有广阔的市场发展前景［1］，普及的经济效益十分可观.因此，非常有必要研发高质量、识别精度高、性价比高的自主研发的国产钱币清分机.本文以市面上流通的第五套人民币为清分识别对象，对清分混杂的人民币的关键技术进行了深入研究，设计了基于红外光电传感器和颜色识别的双重智能识别检测系统的智能钱币清分机.

1 智能钱币清分机的概述

智能钱币清分机是一种基于计算机处理、图像识别等多种学科技术的高科技产品［2］，可对目前市场上流通的人民币进行清分［3］，将混杂的一些1 元、5 元、10 元、20 元、50 元、100 元等不同面值的人民币清分、识别、计数、分类［4］.智能钱币清分机采用了单片机、树莓派（Raspberry Pi）作为数据处理控制中心，从而进行钱币清分，并采用双重智能识别处理系统，极大程度地提高了其识别速度和识别处理精度，避免了识别错误、计数不准确的情况［5］.其主要工作原理是：由42步进电机带动进钱机构的捻钞轮，捻钞轮将钱币从一沓混杂的纸币中捻出，向传送机构送出，传动机构的滚轮将进钱机构送来的钱币压紧，依靠摩擦传动，并触发第一级智能识别系统（图1）.

第一级智能识别系统是采用单片机控制的漫反射光电传感器来识别和检测人民币的长度.在第一级智能识别系统中可明确区分出纸币尺寸大小差别明显的混杂在一起的纸币，如5角与5元、1元与10元、5元与20元、20元与100元等面值相间隔的人民币，从而完成第一级纸币区分［5］.但是，由于人民币在入钞口的倾斜程度与放置角度的误差，以及在捻钞轮导钞过程中出现的受力不平衡等现象，会使在第一级智能识别系统中仅靠长度识别的检测结果不准确.同时，由于相邻面值的人民币长度区分不明显，也加大了在第一级智能识别系统中完全清分识别混杂的人民币的难度.另外，由于在入钞、导钞、识别、出钞、区分等过程中运动链较长而产生的积累误差较大，导致第一级智能识别系统难以做到高精度区分.因此，必须采用第二级智能处理识别系统对第一级智能识别系统的处理结果进行优化分析和误差校正.

第二级智能处理识别系统采用树莓派（Raspberry Pi）为控制识别系统，采用图像处理、模式识别的手段对混杂在一起的钱币进行二次清分，从而达到高精度、零误差的钱币清分.在第二级智能识别系统中采用高清摄像头对混杂在一起的纸币进行图像处理、颜色识别，在第一级智能识别处理的基础上进行准确校对，从而达到纸币清分的目的.

通过双重高精度智能识别处理系统的识别处理，将返回的信号反馈给主控，主控通过对信号的处理，使纸币在CPU系统中成功地模拟分离.主控通过控制42丝杠步进电机的转动带动纸币收纳分类整理箱上下运动，定位升降使不同面值的纸币分类到整理箱中.同时，单片机和树莓派将处理后的数据传到LCD1602显示屏上，显示出面值和人民币面额总数，从而达到计数功能，完成钱币的清分、识别、计数、分类等一系列流程（图2，图3）.

2 智能钱币清分机的控制系统

2.1 控制系统简介及其主要部件 智能钱币清分机的控制系统是该设备的核心部分，也是智能钱币清分机能够完成清分、识别、计数、分类的中央处理器.同时，也是设计智能钱币清分机的重点和难点.智能钱币清分机的控制系统主要由主控芯片、图像处理芯片和液晶显示屏等3大关键部分组成，并作为控制系统的核心部件，完成纸币的清分识别和计数［6-7］.如图4所示，智能钱币清分机控制系统的第一部分是由STC89C52单片机作为主控芯片，控制处理整个设备的正常运转，包括控制完成步进电机的精确转动和停止以及控制漫反射红外光电传感器测量纸币通过传感器的时间，从而间接测量出纸币的长度，完成智能钱币清分机第一级别的识别［8］；智能钱币清分机控制系统的第二部分是由树莓派作为主控芯片完成第二级智能识别，树莓派控制摄像头对通过的纸币进行图像处理、颜色识别，将识别到的信号与数据库进行比对，完成第二级智能识别处理系统的工作；智能钱币清分机控制系统的第三部分是由STC89C52单片机控制的LCD1602液晶显示屏，由前2个部分识别处理的信号反馈到单片机中，通过单片机将信号处理后，将混杂钱币的面值、金额数目反馈传送到LCD1602显示屏进行显示.

2.2 LCD1602 显示系统 由于数码管显示的内容十分有限，只能显示0～9 的数字及几个简单的字母.而且对于智能钱币清分机来说需要显示清分后币值的总额以及各面值人民币的总额，显示的内容较多.如果使用数码管将远远不能满足需求，因此采用LCD1602液晶显示屏.LCD1602液晶点阵字符显示器采用5*7点阵图形来显示字符［9］.STC89C52单片机通过读写控制程序并访问LCD1602控制器和驱动器来实现对显示屏的控制.LCD1602字符型液晶显示模块主要由LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示装置等三部分组成（图5）.

对于LCD1602 液晶显示模块，显示的内容相对于数码管更多元化，可以显示2 行字符，每行16 个西文字符［10］.它的工作电压约为4.5～5.5 V，在设计智能钱币清分机电路的时候按照5 V系统设计，但是保证5 V系统最低不能低于4.5 V.在5 V工作电压下测量LCD1602液晶的工作电流是2 mA，由于LCD1602液晶显示模块的黄绿背光都是用LED做的，所以总功耗大约20 mA左右.LCD1602字符型液晶显示器的引脚排列如图6所示.

用STC89C52单片机来控制LCD602模块，比较易于操作控制.LCD1602显示屏模块的内部由指令寄存器IR和数据存储器DR两组寄存器构成，由RS引脚来进行控制.对指令寄存器或数据寄存器的存取需要检查LCD1602 内部的忙碌标志BF 当前所处状态，忙碌标志用来检测LCD 内部是否正在工作，显示当前是否允许接收其他控制命令.而对于BF的检查，可以令RS＝0，用读取DB7来加以判断.当DB7为0时，才可以写入指令寄存器IR或数据寄存器DR［11］.单片机控制LCD1602电路原理图如图7所示.

2.3 一级智能识别检测系统 一级智能识别检测系统在智能钱币清分机中所发挥的作用至关重要，它是采用漫反射式光电开关（红外线光电传感器）作为一级智能识别检测系统的核心部件.漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过传感器时，物体将光电开关发射器发射的红外光线以漫反射的形式沿着不同的路径反射到接收器，光电开关接收器接收到信号并产生开关信号.由于漫反射光电开关原理像漫反射原理，所以称为漫反射光电开关［12］.

在智能钱币清分机中采用了漫反射光电开关中综合性能较好的红外线光电传感器.在第一级智能识别检测系统中，它利用纸币通过时对红外光束的遮挡或者对红外光束的反射，由同步回路选通而检测纸币的有无以及纸币通过时对红外光束的遮挡或和反光时间，进而检测出纸币的长度［13］.红外线光电传感器，本质上是一个光学电子系统，其基本功能是将纸币通过时其接受到的红外辐射转换成电信号并加以应用，其实物图如图8所示，探测示意图如图9所示.

图10 为光电传感器模块电路图.红外光电传感器在第一级智能检测识别过程中，为了使光电传感器能够区分出有效的红外信号和背景环境中的红外辐射，需要提供合适的探测范围.因此，发射部分红外光束须用频率来调制，接收部分需要配备对应的频率检波器.红外光电传感器所发射的光束可使用连续的单音信号，也可使用单音脉冲频率调制信号.调制信号还可以抑制系统中各个环节的固有噪声和外部电磁场干扰，从而使系统具有更高的探测能力.

2.4 二级智能识别检测系统 第二级智能识别检测系统是智能钱币清分机的最后一道防线，对于清分识别的准确度起着至关重要的作用.第二级智能识别检测系统是采用一种最新的只有卡片大小的微型计算机，基于Linux系统的微型卡片式电脑，通过控制摄像头，对通过摄像头镜头下的混杂的纸币进行颜色识别［14］.摄像头识别后，将识别到的电信号反馈到微型计算机的CPU中，通过树莓派的处理，达到颜色识别功能，从而对混杂的纸币进行鉴别、清分.

图11为树莓派实物图.用树莓派控制摄像头进行颜色识别，比较简单方便.首先，打开树莓派终端，更新系统sudo apt-get update.然后，安装opencv：sudo apt-get install Python-opencv.接着编辑Python 文件（test.cv），把存储位置默认设置到主目录/home/pi.需要注意的是在这里定义的颜色识别上下限，为了方便，采用hsv颜色，而不采用rgb颜色.

3 智能钱币清分机的结构设计

智能钱币清分机的机械传动结构是完成钱币清分的基础，是不可忽视的关键环节.只有保证智能钱币清分机的机械传动结构合理、合适、平稳地运行，才能保证钱币清分的准确性和高效性.智能钱币清分机的机械结构主要由入钞槽、工作板、导钞轮、钱币分类整理箱等4部分组成（图12）.

3.1 入钞槽 入钞槽是由3D打印机采用树脂材料打印而成的无缝隙的整体结构.入钞槽主要由底板、纸币角度调整机构、捻钞轮3部分组成.在智能钱币清分机工作时，将成沓的混杂的待清分的人民币放在入钞槽底板上，由入钞槽两侧的纸币角度调整机构将待清分的纸币角度进行校正.目的是使待清分的人民币能够以合适的角度通过第一级智能识别检测系统，以保证第一级智能识别检测的准确性.由纸币角度调整机构校正后，混杂的纸币通过入钞槽上的捻钞轮将纸币以单张的形式输出，进入工作板完成接下来的工作.

3.2 工作板 工作板是由一块材质轻薄的树脂面板构成.工作板的作用是使纸币由入钞槽导出后，进行第一级智能识别检测、第二级智能识别检测以及将纸币传送至钱币清分整理箱的工作平台.在选用工作板时一定要选择平整光滑、阻力小、防静电的材质作为工作板，只有这样才能保证各机构工作稳定、运行平稳.3.3 导钞轮 导钞轮是由3 组成对的橡胶捻轮组成（图13）.作用是待清分的纸币由入钞槽进入工作板后，由导钞轮传送纸币使纸币通过第一级智能识别检测系统、第二级智能识别检测系统，最后由导钞轮将识别完成的钞票传送到钱币分类整理箱中.需要注意的是，在安装导钞轮的过程中，平衡捻轮是至关重要的一个环节.平衡捻轮的目的是使每组捻轮受力均匀，保证进入工作板的纸币前后左右受力平衡.只有受力平衡才能保证由入钞槽进入工作板的纸币保持合适的角度，平稳通过第一级智能识别检测系统，保证测量清分的准确性.

3.4 钱币分类整理箱 钱币分类整理箱使用ABS工程塑料打印而成，具有高强度、耐冲击、耐高温及抗老化等特性，是作为钱币分类整理箱的最佳选用材料.钱币分类整理箱由6个抽屉组成，分别收集常用几种面值的人民币，包括1，5，10，20，50，100元等，既能做到分类又能做到整理（图14）.

4 结语

智能钱币清分机采用双重智能检测系统，相比于目前市面上在售的其他类型的钱币清分机具有准确高效的优点.同时，采用橡胶防静电捻抄轮，在纸币分离、传送的过程中避免了纸币出现折弯而影响传感器的识别精度的问题，这对于钱币分离这一过程来说又是一个具有创新意义的改进，为后续智能钱币清分机的更新换代提供了一种可行的清分方案.并且，在智能钱币清分机中，设备零件大多采用标准件，具有成本低廉、易于互换的优点.其中个别特殊零件也可以实现设备内部通用，满足“局部互换性”，在一定程度上有助于智能钱币清分机的推广与发展，从而解决价格低廉的钱币清分机的市场需求.