智能錢幣清分機(jī)的設(shè)計(jì)

張 偉，陳 勇，張志浩，劉 罡

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；3.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

隨著人口的增加和現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，手機(jī)支付將得到更廣泛的應(yīng)用，這是一個不爭的事實(shí).但是，目前城市公交、地鐵和一些小型商店依然以現(xiàn)金為主流支付方式.商業(yè)公司需要花費(fèi)大量的人力物力來清理、分類這些混雜的紙幣，這種方式效率低下、工作枯燥.而智能錢幣清分機(jī)是一種將混雜在一起的錢幣進(jìn)行清分、識別、計(jì)數(shù)等功能為一體的光機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品.目前，市場上錢幣清分機(jī)大多依賴進(jìn)口，費(fèi)用高、后期維護(hù)成本較大，因此普及率低，只有一些大型公交公司、大型銀行服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)才配備，個體及小型企業(yè)很少配備，在一定程度上阻礙、限制了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.錢幣清分機(jī)可廣泛應(yīng)用于公交公司、銀行、個體、企業(yè)等商業(yè)機(jī)構(gòu)，提高業(yè)務(wù)處理效率及自動化水平，并促進(jìn)市場貨幣流通，具有廣闊的市場發(fā)展前景［1］，普及的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀.因此，非常有必要研發(fā)高質(zhì)量、識別精度高、性價比高的自主研發(fā)的國產(chǎn)錢幣清分機(jī).本文以市面上流通的第五套人民幣為清分識別對象，對清分混雜的人民幣的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了基于紅外光電傳感器和顏色識別的雙重智能識別檢測系統(tǒng)的智能錢幣清分機(jī).

1 智能錢幣清分機(jī)的概述

智能錢幣清分機(jī)是一種基于計(jì)算機(jī)處理、圖像識別等多種學(xué)科技術(shù)的高科技產(chǎn)品［2］，可對目前市場上流通的人民幣進(jìn)行清分［3］，將混雜的一些1 元、5 元、10 元、20 元、50 元、100 元等不同面值的人民幣清分、識別、計(jì)數(shù)、分類［4］.智能錢幣清分機(jī)采用了單片機(jī)、樹莓派（Raspberry Pi）作為數(shù)據(jù)處理控制中心，從而進(jìn)行錢幣清分，并采用雙重智能識別處理系統(tǒng)，極大程度地提高了其識別速度和識別處理精度，避免了識別錯誤、計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確的情況［5］.其主要工作原理是：由42步進(jìn)電機(jī)帶動進(jìn)錢機(jī)構(gòu)的捻鈔輪，捻鈔輪將錢幣從一沓混雜的紙幣中捻出，向傳送機(jī)構(gòu)送出，傳動機(jī)構(gòu)的滾輪將進(jìn)錢機(jī)構(gòu)送來的錢幣壓緊，依靠摩擦傳動，并觸發(fā)第一級智能識別系統(tǒng)（圖1）.

第一級智能識別系統(tǒng)是采用單片機(jī)控制的漫反射光電傳感器來識別和檢測人民幣的長度.在第一級智能識別系統(tǒng)中可明確區(qū)分出紙幣尺寸大小差別明顯的混雜在一起的紙幣，如5角與5元、1元與10元、5元與20元、20元與100元等面值相間隔的人民幣，從而完成第一級紙幣區(qū)分［5］.但是，由于人民幣在入鈔口的傾斜程度與放置角度的誤差，以及在捻鈔輪導(dǎo)鈔過程中出現(xiàn)的受力不平衡等現(xiàn)象，會使在第一級智能識別系統(tǒng)中僅靠長度識別的檢測結(jié)果不準(zhǔn)確.同時，由于相鄰面值的人民幣長度區(qū)分不明顯，也加大了在第一級智能識別系統(tǒng)中完全清分識別混雜的人民幣的難度.另外，由于在入鈔、導(dǎo)鈔、識別、出鈔、區(qū)分等過程中運(yùn)動鏈較長而產(chǎn)生的積累誤差較大，導(dǎo)致第一級智能識別系統(tǒng)難以做到高精度區(qū)分.因此，必須采用第二級智能處理識別系統(tǒng)對第一級智能識別系統(tǒng)的處理結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析和誤差校正.

第二級智能處理識別系統(tǒng)采用樹莓派（Raspberry Pi）為控制識別系統(tǒng)，采用圖像處理、模式識別的手段對混雜在一起的錢幣進(jìn)行二次清分，從而達(dá)到高精度、零誤差的錢幣清分.在第二級智能識別系統(tǒng)中采用高清攝像頭對混雜在一起的紙幣進(jìn)行圖像處理、顏色識別，在第一級智能識別處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行準(zhǔn)確校對，從而達(dá)到紙幣清分的目的.

通過雙重高精度智能識別處理系統(tǒng)的識別處理，將返回的信號反饋給主控，主控通過對信號的處理，使紙幣在CPU系統(tǒng)中成功地模擬分離.主控通過控制42絲杠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動紙幣收納分類整理箱上下運(yùn)動，定位升降使不同面值的紙幣分類到整理箱中.同時，單片機(jī)和樹莓派將處理后的數(shù)據(jù)傳到LCD1602顯示屏上，顯示出面值和人民幣面額總數(shù)，從而達(dá)到計(jì)數(shù)功能，完成錢幣的清分、識別、計(jì)數(shù)、分類等一系列流程（圖2，圖3）.

2 智能錢幣清分機(jī)的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)簡介及其主要部件 智能錢幣清分機(jī)的控制系統(tǒng)是該設(shè)備的核心部分，也是智能錢幣清分機(jī)能夠完成清分、識別、計(jì)數(shù)、分類的中央處理器.同時，也是設(shè)計(jì)智能錢幣清分機(jī)的重點(diǎn)和難點(diǎn).智能錢幣清分機(jī)的控制系統(tǒng)主要由主控芯片、圖像處理芯片和液晶顯示屏等3大關(guān)鍵部分組成，并作為控制系統(tǒng)的核心部件，完成紙幣的清分識別和計(jì)數(shù)［6-7］.如圖4所示，智能錢幣清分機(jī)控制系統(tǒng)的第一部分是由STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，控制處理整個設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，包括控制完成步進(jìn)電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動和停止以及控制漫反射紅外光電傳感器測量紙幣通過傳感器的時間，從而間接測量出紙幣的長度，完成智能錢幣清分機(jī)第一級別的識別［8］；智能錢幣清分機(jī)控制系統(tǒng)的第二部分是由樹莓派作為主控芯片完成第二級智能識別，樹莓派控制攝像頭對通過的紙幣進(jìn)行圖像處理、顏色識別，將識別到的信號與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，完成第二級智能識別處理系統(tǒng)的工作；智能錢幣清分機(jī)控制系統(tǒng)的第三部分是由STC89C52單片機(jī)控制的LCD1602液晶顯示屏，由前2個部分識別處理的信號反饋到單片機(jī)中，通過單片機(jī)將信號處理后，將混雜錢幣的面值、金額數(shù)目反饋傳送到LCD1602顯示屏進(jìn)行顯示.

2.2 LCD1602 顯示系統(tǒng) 由于數(shù)碼管顯示的內(nèi)容十分有限，只能顯示0～9 的數(shù)字及幾個簡單的字母.而且對于智能錢幣清分機(jī)來說需要顯示清分后幣值的總額以及各面值人民幣的總額，顯示的內(nèi)容較多.如果使用數(shù)碼管將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，因此采用LCD1602液晶顯示屏.LCD1602液晶點(diǎn)陣字符顯示器采用5*7點(diǎn)陣圖形來顯示字符［9］.STC89C52單片機(jī)通過讀寫控制程序并訪問LCD1602控制器和驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)對顯示屏的控制.LCD1602字符型液晶顯示模塊主要由LCD控制器、LCD驅(qū)動器、LCD顯示裝置等三部分組成（圖5）.

對于LCD1602 液晶顯示模塊，顯示的內(nèi)容相對于數(shù)碼管更多元化，可以顯示2 行字符，每行16 個西文字符［10］.它的工作電壓約為4.5～5.5 V，在設(shè)計(jì)智能錢幣清分機(jī)電路的時候按照5 V系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是保證5 V系統(tǒng)最低不能低于4.5 V.在5 V工作電壓下測量LCD1602液晶的工作電流是2 mA，由于LCD1602液晶顯示模塊的黃綠背光都是用LED做的，所以總功耗大約20 mA左右.LCD1602字符型液晶顯示器的引腳排列如圖6所示.

用STC89C52單片機(jī)來控制LCD602模塊，比較易于操作控制.LCD1602顯示屏模塊的內(nèi)部由指令寄存器IR和數(shù)據(jù)存儲器DR兩組寄存器構(gòu)成，由RS引腳來進(jìn)行控制.對指令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的存取需要檢查LCD1602 內(nèi)部的忙碌標(biāo)志BF 當(dāng)前所處狀態(tài)，忙碌標(biāo)志用來檢測LCD 內(nèi)部是否正在工作，顯示當(dāng)前是否允許接收其他控制命令.而對于BF的檢查，可以令RS＝0，用讀取DB7來加以判斷.當(dāng)DB7為0時，才可以寫入指令寄存器IR或數(shù)據(jù)寄存器DR［11］.單片機(jī)控制LCD1602電路原理圖如圖7所示.

2.3 一級智能識別檢測系統(tǒng) 一級智能識別檢測系統(tǒng)在智能錢幣清分機(jī)中所發(fā)揮的作用至關(guān)重要，它是采用漫反射式光電開關(guān)（紅外線光電傳感器）作為一級智能識別檢測系統(tǒng)的核心部件.漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過傳感器時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的紅外光線以漫反射的形式沿著不同的路徑反射到接收器，光電開關(guān)接收器接收到信號并產(chǎn)生開關(guān)信號.由于漫反射光電開關(guān)原理像漫反射原理，所以稱為漫反射光電開關(guān)［12］.

在智能錢幣清分機(jī)中采用了漫反射光電開關(guān)中綜合性能較好的紅外線光電傳感器.在第一級智能識別檢測系統(tǒng)中，它利用紙幣通過時對紅外光束的遮擋或者對紅外光束的反射，由同步回路選通而檢測紙幣的有無以及紙幣通過時對紅外光束的遮擋或和反光時間，進(jìn)而檢測出紙幣的長度［13］.紅外線光電傳感器，本質(zhì)上是一個光學(xué)電子系統(tǒng)，其基本功能是將紙幣通過時其接受到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號并加以應(yīng)用，其實(shí)物圖如圖8所示，探測示意圖如圖9所示.

圖10 為光電傳感器模塊電路圖.紅外光電傳感器在第一級智能檢測識別過程中，為了使光電傳感器能夠區(qū)分出有效的紅外信號和背景環(huán)境中的紅外輻射，需要提供合適的探測范圍.因此，發(fā)射部分紅外光束須用頻率來調(diào)制，接收部分需要配備對應(yīng)的頻率檢波器.紅外光電傳感器所發(fā)射的光束可使用連續(xù)的單音信號，也可使用單音脈沖頻率調(diào)制信號.調(diào)制信號還可以抑制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場干擾，從而使系統(tǒng)具有更高的探測能力.

2.4 二級智能識別檢測系統(tǒng) 第二級智能識別檢測系統(tǒng)是智能錢幣清分機(jī)的最后一道防線，對于清分識別的準(zhǔn)確度起著至關(guān)重要的作用.第二級智能識別檢測系統(tǒng)是采用一種最新的只有卡片大小的微型計(jì)算機(jī)，基于Linux系統(tǒng)的微型卡片式電腦，通過控制攝像頭，對通過攝像頭鏡頭下的混雜的紙幣進(jìn)行顏色識別［14］.攝像頭識別后，將識別到的電信號反饋到微型計(jì)算機(jī)的CPU中，通過樹莓派的處理，達(dá)到顏色識別功能，從而對混雜的紙幣進(jìn)行鑒別、清分.

圖11為樹莓派實(shí)物圖.用樹莓派控制攝像頭進(jìn)行顏色識別，比較簡單方便.首先，打開樹莓派終端，更新系統(tǒng)sudo apt-get update.然后，安裝opencv：sudo apt-get install Python-opencv.接著編輯Python 文件（test.cv），把存儲位置默認(rèn)設(shè)置到主目錄/home/pi.需要注意的是在這里定義的顏色識別上下限，為了方便，采用hsv顏色，而不采用rgb顏色.

3 智能錢幣清分機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能錢幣清分機(jī)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)是完成錢幣清分的基礎(chǔ)，是不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié).只有保證智能錢幣清分機(jī)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)合理、合適、平穩(wěn)地運(yùn)行，才能保證錢幣清分的準(zhǔn)確性和高效性.智能錢幣清分機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由入鈔槽、工作板、導(dǎo)鈔輪、錢幣分類整理箱等4部分組成（圖12）.

3.1 入鈔槽 入鈔槽是由3D打印機(jī)采用樹脂材料打印而成的無縫隙的整體結(jié)構(gòu).入鈔槽主要由底板、紙幣角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、捻鈔輪3部分組成.在智能錢幣清分機(jī)工作時，將成沓的混雜的待清分的人民幣放在入鈔槽底板上，由入鈔槽兩側(cè)的紙幣角度調(diào)整機(jī)構(gòu)將待清分的紙幣角度進(jìn)行校正.目的是使待清分的人民幣能夠以合適的角度通過第一級智能識別檢測系統(tǒng)，以保證第一級智能識別檢測的準(zhǔn)確性.由紙幣角度調(diào)整機(jī)構(gòu)校正后，混雜的紙幣通過入鈔槽上的捻鈔輪將紙幣以單張的形式輸出，進(jìn)入工作板完成接下來的工作.

3.2 工作板 工作板是由一塊材質(zhì)輕薄的樹脂面板構(gòu)成.工作板的作用是使紙幣由入鈔槽導(dǎo)出后，進(jìn)行第一級智能識別檢測、第二級智能識別檢測以及將紙幣傳送至錢幣清分整理箱的工作平臺.在選用工作板時一定要選擇平整光滑、阻力小、防靜電的材質(zhì)作為工作板，只有這樣才能保證各機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn).3.3 導(dǎo)鈔輪 導(dǎo)鈔輪是由3 組成對的橡膠捻輪組成（圖13）.作用是待清分的紙幣由入鈔槽進(jìn)入工作板后，由導(dǎo)鈔輪傳送紙幣使紙幣通過第一級智能識別檢測系統(tǒng)、第二級智能識別檢測系統(tǒng)，最后由導(dǎo)鈔輪將識別完成的鈔票傳送到錢幣分類整理箱中.需要注意的是，在安裝導(dǎo)鈔輪的過程中，平衡捻輪是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié).平衡捻輪的目的是使每組捻輪受力均勻，保證進(jìn)入工作板的紙幣前后左右受力平衡.只有受力平衡才能保證由入鈔槽進(jìn)入工作板的紙幣保持合適的角度，平穩(wěn)通過第一級智能識別檢測系統(tǒng)，保證測量清分的準(zhǔn)確性.

3.4 錢幣分類整理箱 錢幣分類整理箱使用ABS工程塑料打印而成，具有高強(qiáng)度、耐沖擊、耐高溫及抗老化等特性，是作為錢幣分類整理箱的最佳選用材料.錢幣分類整理箱由6個抽屜組成，分別收集常用幾種面值的人民幣，包括1，5，10，20，50，100元等，既能做到分類又能做到整理（圖14）.

4 結(jié)語

智能錢幣清分機(jī)采用雙重智能檢測系統(tǒng)，相比于目前市面上在售的其他類型的錢幣清分機(jī)具有準(zhǔn)確高效的優(yōu)點(diǎn).同時，采用橡膠防靜電捻抄輪，在紙幣分離、傳送的過程中避免了紙幣出現(xiàn)折彎而影響傳感器的識別精度的問題，這對于錢幣分離這一過程來說又是一個具有創(chuàng)新意義的改進(jìn)，為后續(xù)智能錢幣清分機(jī)的更新?lián)Q代提供了一種可行的清分方案.并且，在智能錢幣清分機(jī)中，設(shè)備零件大多采用標(biāo)準(zhǔn)件，具有成本低廉、易于互換的優(yōu)點(diǎn).其中個別特殊零件也可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部通用，滿足“局部互換性”，在一定程度上有助于智能錢幣清分機(jī)的推廣與發(fā)展，從而解決價格低廉的錢幣清分機(jī)的市場需求.