江 涛,张红坡,贺雪梅,李 志

(陕西科技大学设计与艺术学院,陕西 西安 710021)

伴随着城市和经济的不断发展，无人售票公交车得到了广泛的应用[1]。公交车收费是公交车运营的重要一环，直接关系到公交公司切身利益[2]。然而，公交车钱币的分类整理还存在很多问题[3]，给公交人员和乘客都带来诸多不便。因此，改进公交车投币箱以提升效率具有重要意义。

1 公交投币箱现状分析

现有公交投币箱主体结构包括投币口和箱体两部分，投币口和箱体通过透明树脂相连接，以便于驾驶员确认投币金额。总体而言，现有投币箱结构简单，只具备接收和贮存钱币功能。

在实地走访和调研后发现，现有公交车投币箱在实际使用中尚存不足：首先，现有公交投币箱以一元硬币或各种面额的纸币为前提，不具备“找零”功能，需要乘客自备零钱，用户使用体验不佳。其次，投币属于瞬时动作，要用驾驶员的双眼来确认钱币面值并分辨假币，导致大量假币流通[4]，造成经济损失，也增加了驾驶员的工作强度。最后，现有公交投币箱可以暂存钱币，但仍需待公交车收车进场后对钱币进行分类、清点及整理。因公交车数量较多，每天累积的钱币数量大[5]，且投币箱内暂存的钱币面额不一，形态杂乱，公交公司每年都需要耗费大量的人力、财力[6-7]来完成钱币的清点工作，且存在很大的卫生安全隐患[8]。

2 设计方案

2.1 整体方案构思

针对现有公交车投币箱的不足，本文设计了一种可实现钱币识别、计数、找零和整理的公交智能投币箱。

投币箱内部结构包括识别系统、找零系统和整理系统三大系统。工作流程如图1所示：乘客(用户)上车投币→识别系统对钱币面值和真伪进行检测识别→根据检测结果，选择退还、接收或找零后续动作。检测不合格的钱币直接通过退币通道退还，检测合格的钱币由整理系统进行整理并暂存。检测为面额(五元)较大纸币时，找零系统启动找零处理动作。

图1 投币箱整体工作流程图

2.2 具体方案设计

根据投币常见币种，将投币箱内部结构划分为一元硬币模块、一元纸币模块和五元纸币模块。

2.2.1一元硬币模块

1)模块结构。

如图2所示，模块外端设置硬币投币口，投币口底端设置硬币识别器，识别器分别连接退币通道开关和存储通道开关。退币通道与退币口连接，存储通道则与存储箱连接。硬币存储结构已较成熟，在此不作详述。

2)工作流程。

用户投币→硬币识别→检测。若检测不合格，识别器发出退币信号，退币开关接收信号后开启，硬币通过退币通道进入退币口；若检验合格，识别器发出存币信号，存币开关接收信号后开启，硬币通过存储通道进入存储箱。

图2 一元硬币模块结构

2.2.2一元纸币模块

在实际使用中，纸币太旧和残损程度严重必然会给纸币的识别、整理和存储过程造成困难，因此一元纸币模块不仅要具备识别、退币、存储功能，还应增加纸币捻平和整理功能，以便于纸币传送和存储过程的顺利进行。

1)模块结构。

如图3所示，模块外端设置纸币投币口，投币口底端设置识别器，识别器分别连接退币传送器和存储传送器。退币传送器通过退币通道连接退币口，存储传送器则连接纸币整理系统，最终在存储箱暂存。

图3 一元纸币模块结构

纸币整理系统包括进钞捻平和纸币整理两部分。如图4所示，进钞捻平装置包括捻钞轮、送钞轮、压钞轮、压钞台、送钞带、光电门计数器、压钞带、弧形挡板和支架等。如图5所示，纸币整理装置包括固定板、上压板、钱币整理台、挡杆等。

2)工作流程。

图4 一元纸币进钞捻平装置主、俯视图

图5 一元纸币卡紧原理图

①投币过程：如图3所示，用户投纸币→纸币识别→检验。若检验不合格，识别器发出退币信号，电机接收信号后驱动传送带转动，钱币经传送带送至退币口；若检验合格，识别器向传送器电机和钱币整理系统电机发出信号，进入纸币捻平过程。

②捻平过程：如图4所示，传送电机接收信号后驱动传送带转动，将纸币递送至捻钞轮组进行第一次碾压→纸币被传送带递送至送钞轮组，进入压钞轮进行第二次碾压→平整后的纸币又被送钞带递送至压钞带处进行第三次碾压并递送→纸币被递送至弧形挡板与传送带狭小间隙处时下落至纸币暂存箱，进入纸币整理过程。

③整理过程：如图5所示，光电门计数器对检测通过的纸币进行计数，当计数达到50次(即50张一元纸币)时，钱币整理台接收动作信号后垂直上升→电机驱动推杆右移，推动已装配好的卡扣水平右移→纸币暂存箱内的50张纸币被推至右侧壁时，被压入卡扣右开口端，完成一次卡紧处理→处理后的50张纸币随钱币整理台垂直下降，碰撞到右下方的挡杆发生翻转，纸币掉落暂存箱固定位置，完成钱币整理过程。

其中，卡扣结构如图6所示，高度约为50张一元纸币的厚度，长度约为一元纸币长度的2/3，右开口端呈倒齿结构。

图6 一元纸币卡扣主、俯视图

2.2.3五元纸币模块

五元纸币模块除应具备识别、退币、存储功能外，还应增加找零功能和相应结构。为简化整体结构，本方案采用以硬币存储箱中的固定4枚硬币的找零方式来实现找零。

1)模块结构。

如图7所示，模块外端设置五元纸币投币口，投币口底端连接识别器，识别器分别连接退币开关、漏孔挡板和存币开关。存币开关连接整理和存储箱，硬币暂存箱底部设置硬币漏孔槽，漏孔槽结构如图8所示。光电门计数器控制漏孔挡板，挡板下方连通找零口。

图7 五元纸币模块方案图

图8 硬币漏孔槽截面图

2)工作流程。

用户投纸币→纸币识别→检验。若检验不合格，识别器发送信号至退币开关，纸币被传送至退币口；若检测合格，识别器发送信号至存币开关和漏孔挡板，纸币进入整理过程，与一元纸币整理过程相同，不再赘述，并最终进入暂存箱储存。同时，漏孔挡板接收到动作信号开启，硬币存储箱内的4枚一元硬币透过漏孔槽下落至找零口，完成找零过程。

2.3 方案实现与样机验证

2.3.1方案实现

单片机自动化系统是公交投币箱设计和实现的技术核心，各组件间通过信号传递相互配合，使投币箱的整理、识别、找零功能得以顺利实现。因此，公交投币箱的系统设计是应用单片机分别控制公交车刷卡系统、手机扫码系统、硬币接收模块、纸币接收模块(含一元和五元模块)、退币模块、纸币找零模块、计数整理模块、显示模块和语音模块，如图9所示，并根据整体系统模块流程设计，运用C语言和KeilMDK软件完成了对纸币模块软件、硬币模块软件、电机驱动控制模块软件、数码管显示模块软件、语音控制模块软件及其他模块软件设计。

图9 整体系统模块示意图

2.3.2样机验证

为验证设计方案的有效性和可行性，充分运用PTC Creo5.0软件进行了公交投币箱机械结构的三维建模虚拟验证，如图10所示。经多方努力，完成了投币箱一元纸币模块样机的生产加工和部件组装，如图11所示。经多次投币测试实验，验证了该投币箱设计方案具备充分的可靠性与实用性。

图10 投币箱内部模块结构建模图

图11 一元纸币模块工作样机

3 结束语

本文从现有公交车投币箱在实际使用方面存在的问题出发，设计了一款可自动识别、找零和整理钱币的公交投币箱。该投币箱在进钞口设置验钞器以保证接收钱币的可靠性；以齿轮传动、带传动等基本传动机构构成工作模块，实现一元纸币的计数整理功能；为方便用户，设计并实现五元纸币的自动找零功能，提升用户使用满意度；最终综合运用计算机虚拟建模技术进行三维建模和虚拟验证，并制作样机进行实际校验，充分保证了方案设计的可行性和有效性。

综上所述，该公交投币箱具备体积小、结构简单、成本经济、可靠性高、自动化控制难度低等优点，将极大改善用户体验，有力提高公交人员的工作效率，有效避免公交企业的经济损失，降低运营成本，市场应用价值较高，前景广阔。