多捻輪式六通道紙幣分揀裝置設計

陳澤坤, 馬新玲

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海200237)

多捻輪式六通道紙幣分揀裝置設計

陳澤坤, 馬新玲

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海200237)

針對金融市場、公交系統所使用的紙幣分揀處理裝置存在結構單一、體型龐大、價格昂貴等問題，設計了多捻輪式六通道紙幣分揀裝置。該裝置利用紙幣與捻鈔輪的摩擦以及不同齒數的同步輪之間的速度分級達到將重疊的紙幣分離的效果。整機由紙幣分離結構、紙幣面額識別結構、紙幣分揀結構和數據反饋裝置四部分組成。其中，紙幣面額識別主要利用顏色傳感器采用HSV的識別原理進行面額識別，數據反饋則是LCD液晶顯示屏顯示紙幣的面額以及數量。紙幣分揀機構利用8個捻鈔輪的組合，通過控制轉向，實現1個入口，6個出口的分揀功能，極大地節約了分揀空間。實物樣機的運行結果表明，該裝置對于6種不同面值的混亂人民幣紙幣，具有工作穩定、分揀速度快、體積小、準確率高、價格低廉、清潔環保耗能低、可視性與拓展性強等特點。

捻輪； 分揀裝置； 人民幣； 顏色識別

0 引 言

隨著我國經濟的迅速發展，商業活動十分頻繁，使得貨幣發行量逐年增加，對發行鈔和流通鈔的處理量日益增大，而傳統的手工點鈔、點鈔機處理都不能滿足時代發展的需要。經過調研發現，現有的能夠分揀紙幣的機器大部分都來自于進口，體積較大而且成本較高。目前，我國19.3萬家金融機構的紙幣清分機的配備率僅為5%～6%，紙幣清分機的保有量缺口非常大。對于區域發展不均衡的中國來說，在發展較弱的地區普及紙幣分揀裝置就成為一個難題。如何得到一個體積小巧、成本低并高效的紙幣分揀裝置是我國金融行業急需解決的問題。本文設計的具有摩擦阻力實現紙幣分離和以及捻鈔輪正反向旋轉的實現紙幣分揀的多捻輪式六通道紙幣分揀裝置，實現了操作方便、分揀高效、低能環保、占地面積小、價格低廉的目的。

1 智能化紙幣分揀裝置的機械系統

1.1 整體結構

本文設計的六通道紙幣處理裝置如圖1所示，主要由紙幣分離結構、紙幣面額識別結構、紙幣分揀結構、數據反饋裝置組成[1]。根據紙幣傳送的邏輯順序，采用緊湊的空間布置，紙幣分離結構位于入口處，紙幣面額識別結構、紙幣分揀結構分別位于其下方，數據反饋裝置在其側面。該裝置可實現任意數量、任意順序的堆疊紙幣的快速分揀，6個通道的數據由統一顯示終端實時反饋其統計數據與當前數值，并且采用模塊設計，既可相互關聯又可獨立運行，極大提高其整體的性能組合與通用性。

圖1 裝置整體結構圖

1.2 紙幣分離結構的設計

紙幣分離系統包括兩個部分：① 阻力片和捻鈔輪組合實現單張紙幣的進入，這是從驗鈔機中得到靈感，在普通的驗鈔機中為了加強捻鈔輪與接觸面的摩擦，通常采用如圖2的阻力片來達到效果。本文經過多次試驗，得到捻鈔輪與阻力片之間良好的配合間隙，能夠較好地將一沓紙幣分離成單張[2]。② 不同齒數的同步輪組合實現速度分級，電動機直接帶動捻鈔輪速度快，通過小同步輪帶動大同步輪，減慢了大同步輪的速度，前后形成一個速度差，把兩張緊密接觸的紙幣通過速度差，拉開兩兩紙幣之間的間距，對后面的識別提供了合適的檢測距離[3]。該系統的兩部分組合，既實現最大化達到了分離紙幣的目的，又最大程度減少了占地空間，并且最大程度地減少了動力的使用，只需要一個電動機配合同步帶，便可以帶動紙幣分離系統，達到了節省能源的目的。

圖2 紙幣分離系統

1.3 紙幣面額識別結構

紙幣面額識別系統采用的硬件為TCS3200顏色傳感器(見圖3)，首先捻鈔輪將已分離的單張紙幣傳送到暗箱裝置，該裝置內所有光線均由控制者所提供，以便消除外界的干擾。在確定光環境之后，進行調節白平衡，以確定RGB的影響因子[4]。本裝置若投入工業化生產，也應將所有包裝加工為相對黑暗的環境，以消除外界光線影響。

TCS3200顏色傳感器通過數據采集獲得被測紙幣顏色的RGB值，但是從RGB值無法準確的直接判斷紙幣的顏色，需要轉換到HSV(Hue，Saturation，Value)色彩空間。HSV色彩空間一方面消除了亮度在圖像中與顏色信息的聯系；另一方面色調和飽和度與人的視覺特性比較接近，便于分析和理解，HSV色彩空間可以用一個圓錐空間模型來描述，如圖4所示。色調(H)用角度來標定;徑向方向上飽和度(S)的深淺用離開中心線的距離表示;亮度(V)用垂直軸表示。色調用-180°～180°或0°～360°度量；飽和度用百分比0%～100%度量；亮度也用百分比0%(黑)～100%(白)度量。由于色調是以圓周上的角度度量的，故由色調飽和度分量可以構造一個顏色輪。在顏色輪上，紅綠藍分別間隔120°，它們的混合色為黃、青、品紅。紙幣面額識別系統將已測得的HSV值傳輸給紙幣分流系統，來進行進一步分離[5]。

1.4 紙幣分揀結構

紙幣分流系統(見圖5)采用的是多個捻鈔輪的配合，對傳送進來的單張紙幣進行分流。分流系統總共由8根軸及其上的捻鈔輪組成。8個輪子(放置位置見圖6)通過接近嚙合但不接觸的方式，既能改變紙幣方向又不至于將紙幣扯斷。分流系統的軸上裝有軸承[6]可以較好地減少亞克力板所承受的震動。

圖5 紙幣分流系統模型

圖6 方向輪位置圖

如圖6中1輪和2輪為捻進輪，單張紙幣從紙幣面額識別系統出來，被捻進輪帶入紙幣分揀系統，其他6個輪子都是可進行正反轉的，根據需求進行正反轉。每一個分流處存在兩個方向，這樣只需要極少次的分離方向就可以達到分離6種紙幣的目的。Arduino開發板[7]將收到紙幣面額識別系統傳輸過來的電信號轉化為脈沖信號，向繼電器電路板輸送信號控制繼電器電路板的輸出正負極電位，按照要求從某一出鈔口出鈔，每個可控電動機設計轉動方向形成一套轉動方案，6種面額也就有6種轉動方案。上級機構輸送進來的電信號調用開發板內設定的一套運轉方案，控制電動機進行不同方向的轉動，通過電動機聯軸器帶動捻鈔輪的轉動，進而對不同面額的紙幣進行方向上的控制，達到分離紙幣的目的[8]。

舉例：如圖7所示，若紙幣被檢測到需要從C口出去，則開發板傳輸給控制方向輪的舵機以電信號，各個方向機控制1號輪逆時針，2號輪順時針，3號輪逆時針，4號輪順時針，6號輪逆時針，8號輪順時針，通過捻鈔輪和紙幣的摩擦引導紙幣沿黑色箭頭指示線路進行傳輸，這樣紙幣就從C口出去。同理，通過調節不同的方向輪正反轉，可以達到從1個口進去，6個口出去的目的。

圖7 分揀系統例圖

1.5 數據反饋系統

數據反饋裝置是12864蘭屏LCD液晶顯示屏(見圖8)。在TCS3200顏色傳感器對紙幣進行識別的同時[9]，通過3條杜邦線，能夠輸送出8種不同的信號脈沖，但由于只對6種紙幣進行識別，所以實際上只有6種脈沖信號輸出，傳遞給LCD液晶屏[10]，由于脈沖是以二進制輸送數據，但顯示屏是十進制的，故需要用ASCII[11]進行轉換為顯示的信號。對于顯示屏某些顯示區域，設置了一一對應原則即顯示屏的某塊區域只針對某一種面額紙幣的計數與累計金額[12]。在計數過程中，傳感器每讀到一張紙幣，對應該面額紙幣的顯示屏的某區域的number就加1，于此同時，總計金額total就根據number乘以對應的面額，顯示出總計金額，在顯示屏的程序中，設置每1 s循環一次，所以隨著時間推移，紙幣進入，number和total就不斷用新的數據覆蓋新的數據，每次斷電之后，數據會被刷新，所有計數重新開始。

圖8 數據反饋系統

2 多捻輪式六通道紙幣分揀裝置的控制系統

本裝置控制系統由單片機、HF19F-DC繼電器電路[13]、TCS3200的顏色識別系統、紅外檢測裝置四部分組成。通過四部分之間的通信與外接傳感器的數據反饋，實現動態檢測、

紅外啟動[14]、電動機旋轉和繼電器信號的閉環控制[15],極大提高了裝置運行效率與運行穩定性。工作流程如圖9所示:① 上電后打開開關，顯示屏復位，繼電器處于斷開狀態，電動機停轉，紅外檢測模塊運行。② 放入紙幣，擋住紅外線，繼電器處于閉合狀態，帶動與捻鈔軸相連接的電動機轉動。③ 紙幣通過捻鈔輪與阻力片配合機構，利用摩擦將重疊的紙幣分離開來，進入下一機構。④ 皮帶傳動不同齒數的同步輪，利用差速將緊密接觸的紙幣拉開一段距離，為傳感器識別紙幣面額預留出空間，避免檢測出錯。⑤ 顏色傳感器識別出紙幣面值，傳遞出脈沖信號，控制二級組合繼電器的邏輯電位，同時識別出來的信號也傳遞給顯示屏，更新顯示屏數據。⑥ 二級組合繼電器控制高低點位，控制連接六軸捻鈔輪的電動機的正反轉，實現1個入鈔口，6個出鈔口，達到分揀紙幣功能。

圖9 工作流程圖

3 結 語

本文設計的裝置可實現混合不同人民幣的的分揀、計數，其分揀速度約可達到50張/min的高速分揀，其穩定性已經經過了長時間運行得到驗證。該裝置相較于市場已有的紙幣分揀機占地空間更小、結構緊湊、外掛設備強、效率高、耗電低、清潔環保，相較于長期由國外進口品牌占據的紙幣清分機價格具有價格低廉、分揀速度快、維護便利等特點。綜上所述，該裝置有理論和實用價值，具有較好的市場推廣前景。后續研究可從增加紙幣捻平、驗偽和包裝等方面入手，將其進一步改進完善，最終實現任意面值人民幣的分揀包裝，從而提高錢幣處理行業的工作效率，減輕人工壓力。

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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

陳澤坤(1995-)，男，福建云霄人，本科生，現就讀機械專業材料與裝備工程系。E-mail: xlma@ecust.edu.cn

馬新玲(1975-)，女，河南開封人，副教授，研究方向為納米力學。Tel.:13564260660; E-mail:xlma@ecust.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2017)08-0087-04