光電硬幣清分機器人研究與設計

盧 文，廖偉強，何佳兵

（1.云南輕紡職業學院機電工程學院，昆明 650300；2.中山職業技術學院機電工程學院，廣東 中山 528400）

0 引言

在硬幣清分這個領域里，國內外做了大量的研究工作。開發的產品大致也分為3 個檔次，低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在1 000 枚/min 以下，中檔為1 000～1 500 枚/min 左右，高檔則在1 500 枚/min 以上。所使用的清分方法上主要有兩大類，一類是根據物理技術進行清分，另一類是根據性能指標進行清分。高速清分基本上都是采用性能指標來進行清分。在此領域比較有代表性的是瑞典SCAN COIN AB 公司，其是一家專業生產各種銀行器具的公司，成系列地研制了針對不同貨幣體制下的清分系統，SCAN COIN AB 公司有專業的產品在國內使用，誤判率小于或等于0.5%。但其價格昂貴且進行技術壟斷，同時針對材質相近甚至一致的偽幣，其檢測顯得無能為力[1-2]。

在國內，清華大學、北京科技大學、上海交通大學、杭州電子科技大學、蘇州大學、福州大學等多家單位均對如何進行正確的硬幣識別做過深入研究，在機理上普遍采用電渦流法[3-5]。這些單位的研究在可能涉及的硬幣范圍內取得了較好的效果，但對硬幣的鑒別都局限于項目本身，存在不系統和不完整，對偽幣識別效果不好等問題。

本文針對銀行、大型超市和公交公司等金融服務業部門每天都要面對大量硬幣回收清分的麻煩，由于人工進行硬幣清點費時費力，再加上現有大多設備從國外引進，價格昂貴。因而本文旨在設計一款硬幣識別清分機器人，快速準確地解決大量硬幣的回籠問題。

1 機械結構設計

圖1 所示為機器人的整體結構，機器人由3 個主要機構組成：曲柄連桿式硬幣分出機構、傳送與光電掃描機構和硬幣分選機構。硬幣由曲柄連桿式分出機構逐粒分出進入傳送帶，并依次從激光測試下方有序通過，根據經過時間的長短來分辨硬幣的面值；再經旋轉式分選機構，讓硬幣掉落到對應面值的收集器內整齊疊放，并記錄硬幣的個數。終達到對混雜在一起的各種硬幣同時進行分類、清點和整理的目的，能夠解決其他硬幣分離機易分錯硬幣的情況。

圖1 整體設計Fig.1 Overall design

1.1 硬幣推出機構

硬幣推出機構，主要分為曲柄推出機構和漏斗式硬幣收集機構組成。曲柄推出機構的直流動力電機，工作電壓為直流5 V，動力輸出端帶渦輪減速結構，傳動比為1∶20。為后面的曲柄連桿提供動力。

曲柄連桿機構的詳細示意圖如圖2 所示。采用仿火車輪的結構設計，當電機做旋轉運動時，帶動圓輪轉動，圓輪再把動力傳動給后面相連的連桿，末端的硬幣推出連桿因受到漏斗機構里的導向槽約束，因此最終推出連桿只能做水平方向的往復運動[6]。

圖2 曲柄連桿機構Fig.2 Crank connecting rod mechanism

漏斗式硬幣收集機構如圖3 所示。當把一把散亂的硬幣從漏斗倒如后，硬幣便自動整齊有序地地方到漏斗下方的管道里，當左端的推出機構推過來時，一個硬幣將從其右側的斜導槽里滑出到后端的傳送帶上。當推桿收回后，上方的硬幣會自動因重力作用掉落到漏斗底部，等待下一次被推出。從而實現硬幣的疊整和有序推出。

圖3 漏斗式硬幣收集機構Fig.3 Funnel type coin collecting mechanism

1.2 硬幣傳送機構

硬幣傳送機構如圖4所示。由兩個皮帶輪、傳送帶、動力電機和它們的支撐部件組成，傳送帶的傳送速度與硬幣推出的速度相匹配，保證把每一個被推出的硬幣有序地從一端送到另外一端。

圖4 硬幣傳送機構Fig.4 Coin conveying mechanism

1.3 硬幣識別機構

硬幣識別結構如圖5 所示。主要由光纖傳感器和其安裝機構組成，當硬幣從傳感器底部被傳送過時，光纖傳感器將接收到硬幣的反射信號[7]。因為不同硬幣的直徑不一樣，那么獲得不同硬幣的反射信號的時間長短也不一樣，從而達到對不同硬幣的識別。硬幣的周長D計算如下：

圖5 硬幣識別機構Fig.5 Coin recognition mechanism

式中：v傳送帶為傳送帶速度；t反射信號為反射信號的時間。

1.4 硬幣撿出整理機構

硬幣撿出結構如圖6 所示。當硬幣被光纖傳感器識別出來后，控制系統將輸出相應的信號給撿出機構的動力舵機，調整上端轉盤的角度，把相應硬幣面值的接收斗旋轉到傳送帶端部，硬幣便掉落到漏斗內，并有序地疊放整齊，同時控制系統記錄相應面值硬幣的數目，從而達到硬幣收集、整理和清點的效果。如果要達到收集多種硬幣，可以依次原理設計更多接收斗即可。

圖6 硬幣撿出機構Fig.6 Coin picking mechanism

2 控制系統設計

控制系統主要配合機械結構功能需求，驅動機械結構完成相應的動作，控制系統主要由主控模塊、電源模塊、顯示模塊、電機驅動模塊和信息收集模塊組成。

2.1 電源模塊

電源模塊如圖7所示，主要由12 V直流電源輸入，經過7805穩壓管輸出5 V直流電源。D1為電源指示燈。

圖7 電源模塊Fig.7 Power module

2.2 主控模塊設計

主控模塊如圖8 所示，主要由51 系列的單片機為主控芯片，以12 MHz 為頻率晶振，并留出4 個isp 程序下載端口。芯片負責整個系統的控制和數據處理。在程序控制下，芯片根據控制流程指令給出控制信號，啟動硬幣推出和傳送帶運轉；與此同時光纖傳感器得電，開始掃描底部硬幣經過時的反射信號。當有硬幣通過時，光纖傳感器將給出對應的輸出信號給主控芯片，芯片負責記錄信號和數學運算。

圖8 主控模塊Fig.8 Main control module

2.3 顯示模塊

顯示模塊如圖9 所示，這里使用了1602 系列的LCD液晶顯示器，直接由單片機的P0 端口驅動。通過一個5 kΩ 的滑動電阻實現亮度的調節[8]。顯示模塊負責分揀和收集狀態的顯示。

圖9 顯示模塊Fig.9 Display module

2.4 電機驅動模塊

電機驅動模塊如圖10所示，使用的是繼電器控制方法，通過npn 三極管控制，二極管在此起反向放電保護作用[9]。從而實現對硬幣的有序勻速輸送。因為只需要往一個方向前進，因此這里只控制電機沿著一個方向轉動和停止。

圖10 電機驅動模塊Fig.10 Motor drive module

2.5 信息收集和轉換模塊

信息收集模塊如圖11所示，因為所使用的光纖傳感器是12 V 供電，從光纖傳感器傳來的信號是12 V 的直流信號，但是單片機控制系統是5 V 的TTL 信號，為了解決信號匹配的問題，本設計使用兩個npn 三極管和兩個分壓電阻實現信號的檢測[12]。當光纖傳感器有信號輸出時，第一個三極管導通，其集電極電壓被拉低。因為失去了高電平，第二個三極管將由導通轉為截至狀態。那么與芯片連接的signal 信號將由原來的低電平轉為高電平；此時芯片開始記錄高電平保持的時間。

圖11 信息收集模塊Fig.11 Information collection module

3 測試與結果分析

根據以上設計，利用3D 打印和機加工等方法制作了如圖12 所示的功能樣機并進行行實際的硬幣分揀測試。其中主體部分的硬幣推出機構、漏斗式硬幣收集機構和硬幣收集機構均使用塑料作為材料3D 打印而成[10-11]，傳動部分和支撐部分均使用鋁型材通過機加工的方法根據圖紙實際加工而成，然后組裝成一個完整的功能樣機。

圖12 實物樣機主體Fig.12 Physical prototype body

根據現有市場流通的硬幣情況，先后對1角、5角和1 元的硬幣進行了單種和多重混合的分揀和清數測試。首先分別對單種硬幣各取20 枚進行清分，測試結果如表1所示。

表1 單種硬幣測試結果

其次對多種硬幣混合的情況進行了測試，測試過程中各種面值硬幣各取10 枚進行混合，測試結果如表2 所示。

表2 多種硬幣混合測試結果

從測試結果可以看出，單種硬幣的測試和多種硬幣的混合清分測試均能夠100%全部準確清分出硬幣的種類和數量。這充分地說明了設計的可行性和可靠性。

3 結束語

硬幣作為一種通用貨幣一直活躍在世界各國的經濟領域。同時，硬幣具有不易損壞、交易方便和便于攜帶等優點，使其在貨幣交換中得到廣泛應用，但由于其材料、外觀等原因，在金融業、商業和服務業等領域的清點識別中面臨著巨大的困難。本文綜合運用了機械設計原理和光電識別技術，設計了一種硬幣識別清分機器人，在信號系統控制下依次通過分出、傳送、掃碼和分選等動作，快速準確地解決大量硬幣的回籠問題。