一种混合硬币自动分点装置

邱海飞，李伟涛，杨 光，牛晓雪

（西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123）

1 引言

日常生活中，很多行业每天都会面临大量的硬币流通与分点，例如银行、超市、公交公司及地铁站等，如何快速、精确地回收和清点各类不同面额的混合硬币，一直是相关行业、领域研究和探索的技术热点[1]。面对大量的硬币清点工作，传统的人工清点不仅费时费力，而且难免出错，不能保证准确率。此外，目前已有的硬币分点机械大多功能单一、效率不高，不能很好地实现大批量混合硬币的高效分类与精确清点[2]，难以适应相关行业及场所对于硬币分点工作的预期要求。

设计研制了一种针对混合硬币自动分类与清点的机械装置，能够在快速分拣混合硬币的同时实现其自动精确清点，避免了耗时费力的人工清点过程，有效提高了硬币分点的工作效率。

2 硬币分点原理

根据不同规格硬币的直径差异，利用可振动倾斜滑道分拣混合硬币[3]。滑道表面设计有分拣1角、5角硬币的圆孔和分拣1元硬币的矩形空心区域，如图1所示。

图1 分拣滑道结构Fig.1 Structure of Sorting Ramp

其中，1角硬币分拣圆孔有4个，孔径：19.5mm＞19mm（实际1角硬币直径）；5角硬币分拣圆孔有3个，孔径：24mm＞20.5（实际5角硬币直径）；最下方的矩形空心区域为1元硬币分拣区，尺寸为134*55mm，远大于实际1元硬币的直径（25mm）。进入分拣区的硬币借助自身惯性和滑道低频振动沿倾斜表面向下运动，并按照硬币直径大小依次（1角→5角→1元）掉落至回收盒，实现混合硬币的快速分拣。

另外，在回收盒下方装有专门针对硬币清点而开发的高精度电子计数装置，可对回收的1角、5角及1元硬币进行实时计数与清点，并将清点完成的硬币数量和金额显示于LCD屏上，实现回收硬币的精确清点。

3 设计方案

3.1 电气系统及硬件组成

考虑到硬币分点机械的使用场所、工作负载及效率等因素[4]，选用一种三相直流电机进行动力输入，其主要参数包括功率60W；电压 220V；频率：60Hz；输出转速：（0～40）r/min。为了提高硬币分点效率，对电机进行调速控制，调速范围：（18～40）r/min。当硬币分点工作量较大时，可通过调速控制面板提高电机转速，由此调节传送带输送硬币的速度，提高工作效率。

硬币清点与计数由通过C语言开发的电路控制系统实现，主要包括单片机、电阻应变片压力传感器、液晶显示屏及相关电气控制元件等，具体硬件组成主要包括：YL-33 51+AVR最小系统、STC12C5A60S2芯片、LCD12864显示屏、3路压力传感器（HX711模块）、蜂鸣器、DC-DC降压模块及电源适配器（12V、1A）。

HX711是24位A/D转换器芯片，其管脚功能，如图2所示。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。HX711芯片与后端STC12C5A60S2（MCU）芯片的接口连接，所有控制信号由管脚驱动，3路称重模块均采用通道A，可编程增益为128，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。HX711芯片内提供的稳压电源4.3V，直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源。

图2 HX711管脚功能Fig.2 Pin Function of HX711

3.2 关键技术

3.2.1 数据采集与处理

硬币回收清点过程需要进行数据采集，如图3所示。整个数据采集系统由三部分组成，即电阻应变片压力传感器、HX711 A/D转换芯片及主控单片机MCU。通过由4组1KΩ电阻应变片组成的压力传感器采用硬币重量数据，然后经由HX711模块进行A/D数据转换，将模拟电压转化为数字信号，最后送入至主控单片机MCU进行数据处理和程序执行。

图3 数据采集过程Fig.3 Process of Data Acquisition

3.2.2 硬币清点实现程序

整个电路系统由（12V、1A）电源适配供电，DC-DC可调降压稳压电源模块将12V电压降压为标准的5V电压，为YL-33 51+AVR最小系统、3路称重模块以及蜂鸣器供电，按下电源开关后，LCD 12864会显示基本界面信息，表示系统可以正常工作。

硬币清点过程，如图4所示。3路（1角、5角、1元）电阻应变片压力传感器将硬币的重量转换为模拟电压，HX711AD模块把所采集的模拟电压增益128倍后处理成24bit的数字量，并通过（P3.6，P3.7）、（P3.4，P3.5）、（P1.6，P1.7）三组数据、时钟口送入主控单片机MCU。

图4 硬币清点工作流程Fig.4 Workflow of Coin Counting

STC12C5A60S2单片机会实时采集外部模拟电压的变化量，并经MCU数据处理以后，通过P2数据口送至LCD 12864上直观、准确地显示所采集到的外界信息。另外，当MCU检测到硬币1角、5角、1元的数量有任何一类超过100枚时，蜂鸣器会长鸣报警提示用户有超重现象发生。根据硬币清点原理及流程，利用C语言编写硬币清点主程序。

4 结构设计

根据设计创意和功能要求，要求样机模型外观新颖、结构轻巧、成本低廉、性能可靠[5]。首先从产品设计角度对各机械零部件进行造型，然后确定其结构及细节特征，主要机械零部件包括：机架、水平传送带、分拣滑道、分流罩、曲面漏斗、回收盒及亚克力板等。

在SolidWorks2015平台上对各零部件进行三维CAD建模，最终设计完成的数字样机，如图5所示。样机设计过程涉及多种现代CAD设计方法，如特征建模、单一数据库、虚拟装配、标准件库、运动仿真、动画制作及工程图设计等[6-7]。装配设计过程要求各零部件之间无干涉，确保数字样机的设计精度和可靠性。

图5 数字样机总装模型Fig.5 Assembly Model of Virtual Prototype

5 实物样机

根据数字样机结构及工程图纸制作实物样机，采用工业铝型材及亚克力板组装机架结构，其他零部件如带传动、亚克力板、单片机、控制开关、微型振动片、12864液晶屏等，都按照设计位置安装在机架之上。样机制作过程涉及相关机加工和工艺处理，如打孔、切割、磨削及铣削等；对于部分非标件和关键零部件[8]，通过3D打印进行制作，如分拣滑道、分流罩、曲面漏斗、回收盒及滑道支撑等。对3D打印模型进行工艺后处理，如去支撑、抛光、打孔及喷色等[9-10]，然后将其组装到机架之上，最终制作完成实物样机，如图6所示。

图6 实物样机Fig.6 The Physical Prototype

6 结语

相对于同类产品，这种新型硬币自动分点装置不仅简单、精准、高效，而且具有良好、稳定的硬币分点效能。实际测试表明，该装置能够方便、快捷地实现混合硬币（1角、5角及1元硬币）的自动分类与清点，可适用于银行、超市及公交公司等场所，具有良好的应用价值及市场推广前景。