零錢兌換裝置的設(shè)計(jì)

于嘉慧 陳亞楠 默潤(rùn)樸 張可可 劉云漢 周寶楓

摘 要 隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，便民設(shè)施越來(lái)越完善。雖然很多地方都已經(jīng)進(jìn)入了無(wú)幣化的電子交易模式，給廣大消費(fèi)者和商家?guī)?lái)了方便，但是，在中國(guó)大眾會(huì)有無(wú)零錢的不便情況，基于這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了用來(lái)實(shí)現(xiàn)公交網(wǎng)絡(luò)購(gòu)票與零錢兌換的裝置。公交網(wǎng)絡(luò)購(gòu)票與零錢兌換裝置由電子找零機(jī)、投幣機(jī)、掃碼支付購(gòu)票系統(tǒng)（支付寶、微信）和回單打印系統(tǒng)四個(gè)部分組成。本文就零錢兌換裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，并且對(duì)該裝置的操作方式以及發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】零錢兌換裝置 單片機(jī) 紙幣識(shí)別 步進(jìn)電機(jī)

1 緒言

近幾年，城市交通系統(tǒng)是我國(guó)大部分城市的主要交通方式，隨著居民乘車次數(shù)和公交車輛的不斷增加，全自動(dòng)的零錢兌換裝置是必不可少的。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于嵌入式技術(shù)的無(wú)人值守零錢兌換置，能夠被安置在景區(qū)、公交站或者乘客比較集中的其他地方，能夠?qū)崿F(xiàn)大額紙幣兌換的功能，方便的普通群眾的日常生活。本文闡述了零錢兌換裝置的研究與設(shè)計(jì)的研究背景，現(xiàn)狀以及發(fā)展方向和前景展望，并且明確指出了現(xiàn)階段中零錢兌換裝置中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

1.1 選題背景及其研究意義

公共交通系統(tǒng)連接了城市與農(nóng)村地區(qū)，是我們大部分城市的交通系統(tǒng)，它的功能的質(zhì)量和工作效率會(huì)直接影響人們的正常工作和生活，隨著綠色出行的推進(jìn)，公交、地鐵等便民綠色交通方式的出現(xiàn)，人們大多選擇了公共交通方式出行，并且出行次數(shù)不斷增加[1]。由此，公共交通系統(tǒng)的路線分布變得越來(lái)越廣泛。目前的乘車收費(fèi)方式已經(jīng)不能滿足人們的出行需求了，公交車的現(xiàn)金零錢兌換和電子購(gòu)票乘車的需求也越來(lái)越迫切，所以我們的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 現(xiàn)狀分析

在國(guó)內(nèi)，有知識(shí)產(chǎn)權(quán)局獲得信息：2003年武漢市出現(xiàn)一種新型的只能投幣箱，用來(lái)解決公交車找零的問(wèn)題。但是，在國(guó)內(nèi)這只是個(gè)別現(xiàn)象。

在國(guó)外，街頭巷尾早已推出零錢兌換機(jī)。十幾年前，美國(guó)的Coinstar公司開始推出零錢兌換機(jī)：市民只要往兌換機(jī)里投幣，它就會(huì)自動(dòng)計(jì)算按10%的費(fèi)用收取手續(xù)費(fèi)后，將應(yīng)兌換出的零鈔和憑證小票一起從窗口兌出。據(jù)調(diào)查，日本，首爾也已經(jīng)出現(xiàn)了零錢兌換機(jī)。

1.3 裝置的整體設(shè)計(jì)

我們主要的研究工作是設(shè)計(jì)出一種方便快捷的零錢兌換裝置。該裝置由電子找零機(jī)、投幣機(jī)、回單打印系統(tǒng)三個(gè)部分組成。該裝置主要包括了兩個(gè)部分：控制部分和機(jī)械部分。控制部分進(jìn)行掃碼，從而獲得相應(yīng)的信息，然后它向執(zhí)行部件發(fā)出執(zhí)行的命令和執(zhí)行的方式。進(jìn)行零錢兌換的執(zhí)行的部件的機(jī)械部分，例如電子找零機(jī)、投幣機(jī)，它的具體作用是在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)算并輸出零錢。投幣機(jī)由紙幣識(shí)別和分類系統(tǒng)和零錢兌換執(zhí)行系統(tǒng)組成，它集成了IC卡收費(fèi)系統(tǒng)，將人們投入的紙幣進(jìn)行識(shí)別、分類、并找回相應(yīng)的零錢數(shù)量。

2 系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理

圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)分為以下五個(gè)部分。

其各自的工作原理級(jí)功能表現(xiàn)如下：

（1）公交網(wǎng)絡(luò)購(gòu)票與IC卡識(shí)別系統(tǒng)的主要用途是進(jìn)行公交系統(tǒng)的電子收費(fèi)。

（2）零錢兌換和找零系統(tǒng)的核心控制器件是89C51單片機(jī)，其主要功能是：通過(guò)特定的功能區(qū)讀取紙幣信息并進(jìn)行識(shí)別出紙幣面值信息；并且傳送出所需要找零錢數(shù)額的顯示信號(hào)；并且能夠檢測(cè)裝置內(nèi)是否缺錢或者少錢；其次，它能夠控制步進(jìn)電機(jī)，最后正確地輸出零錢數(shù)。

（3）運(yùn)行流程：當(dāng)裝置的控制系統(tǒng)接收到紙幣識(shí)別系統(tǒng)送來(lái)的紙幣信息后，將該信息存入寄存器，然后再啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的掃描識(shí)別程序，將所識(shí)別到的數(shù)值與紙幣識(shí)別系統(tǒng)送來(lái)的紙幣信息相比較，從而輸出相應(yīng)的零錢，由此實(shí)現(xiàn)零錢兌換及找零功能。控制器控制顯示器顯示找零數(shù)值以及二維碼的顯示，兌換選項(xiàng)等。

3 系統(tǒng)硬件主要有以下四個(gè)模塊

3.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，在現(xiàn)如今的生活中，其實(shí)單片機(jī)隨處可見，例如我們經(jīng)常使用的電冰箱，空調(diào)等。眾所周知，單片機(jī)是一種集成電路芯片，又被稱為微控制器，由于其眾多優(yōu)點(diǎn)且結(jié)合本產(chǎn)品實(shí)際情況而選擇單片機(jī)成為其中一個(gè)硬件模塊，且單片機(jī)的發(fā)展速度飛快、其結(jié)構(gòu)組成與指令系統(tǒng)都著重滿足工控要求，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

3.2 紙幣識(shí)別模塊

識(shí)別紙幣的方法有許多種方法，例如：

（1）紫外線（UV）識(shí)別技術(shù)

（2）磁性識(shí)別技術(shù)

（3）弱磁編碼識(shí)別技術(shù)

（4）紅外線（IR）識(shí)別技術(shù)

（5）3D識(shí)別技術(shù)

（6）色敏識(shí)別技術(shù)

（7）圖像識(shí)別技術(shù)等等。

一般紙幣識(shí)別都是利用DSP技術(shù)與CPLD技術(shù)和CCD技術(shù)相結(jié)合。這樣的產(chǎn)品都已經(jīng)成為集成模塊了，而該三項(xiàng)技術(shù)又適用于本裝置，所以本裝置可能的話也會(huì)運(yùn)用該技術(shù)。

3.3 顯示器模塊

目前顯示器的裝置多種多樣，其中，發(fā)光二極管顯示器（簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED）。它的的配置靈活，安裝操作十分簡(jiǎn)便，并且具有連接方式方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選用了二位共陰極的LED顯示器作為我們的顯示器模塊的用件。

3.4 電機(jī)控制模塊

圖2為一種常見的小步距的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)剖面示意圖。

步進(jìn)電機(jī)，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，而且步進(jìn)電機(jī)可以快速啟停，相比于直流電機(jī)而言步進(jìn)電機(jī)的定位功能就很出色了。對(duì)本裝置來(lái)說(shuō)兩種電機(jī)原理上都可以，但綜合考慮對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)我們選用了交流電機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)作為該裝置的電機(jī)控制模塊。

4 軟件系統(tǒng)及其特點(diǎn)

4.1 軟件系統(tǒng)主程序流程圖

軟件系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

幣值讀取子程序流程圖如圖4。

5 實(shí)驗(yàn)遇到的問(wèn)題與總結(jié)

5.1 電源模塊

初期單片機(jī)供電采用12V轉(zhuǎn)5V，使用7805芯片制作穩(wěn)壓電源，但由于步進(jìn)電機(jī)需要較大的電流，導(dǎo)致7805容易過(guò)熱，且電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。最后采用獨(dú)立電源。

5.2 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)機(jī)械摩擦現(xiàn)象，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)角度偏差，情況較嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)卡死堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。經(jīng)機(jī)械打磨有機(jī)玻璃底盤和鋒利風(fēng)翅情況有改善。

5.3 兌換量大

面值較大的紙幣如果全部?jī)稉Q成一元紙幣， 既不方便攜帶，也不能更好的別人們帶來(lái)便利。我們要解決的就是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置，讓裝置能夠自動(dòng)的兌換出小面值紙幣和一元零錢。

5.4 找零失誤

在裝置應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)的硬件和軟件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可能會(huì)造成找零失誤，需要做定期檢查維修裝置。

6 前景展望

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)用于我們的生活，為我們帶來(lái)便利。我們這個(gè)裝置將為大家提供一種方便快捷的兌換方式，它將極大地便利人們的生活。此外，零錢兌換系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)不同面額紙幣的兌換等特點(diǎn)，將該零錢兌換裝置的信息統(tǒng)計(jì)工作進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化。文中所描述的零錢兌換裝置，這是一個(gè)能夠給大眾帶來(lái)很多便利的裝置，操作簡(jiǎn)便，適用面廣泛，而且能夠大大減輕從事公共交通系統(tǒng)的人員的工作負(fù)擔(dān)，對(duì)群眾而言，出門在外再也不用為換零錢而到處碰壁了。我認(rèn)為，這種裝置的實(shí)現(xiàn)并適時(shí)利用將會(huì)大大促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展，和人類文明的進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介

于嘉慧（1996-），女，山東省平度市人。大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)方向。

作者單位

河北建筑工程學(xué)院 河北省張家口市 075000