【毕业学位论文】（Word原稿）硬币清分系统设计方案及结构设计-电力系统及其自动化

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单片机硬币清分系统是一种基于单片机控制的硬币清分系统，由单片机控制电机的转动，由此带动硬币分离盘转动使各种面值不同的硬币由不同的筛选孔筛选出来，在出币孔处安装有光敏计数器实现对硬币个数的进行计数并通过 文是通过对传统的分离盘进行改进，由此来提高分离盘的效率和分辨硬币的准确率，使用硬币自身的尺寸和重量对硬币进行准确的筛选，并围绕 89机控制、光电 传感器和显示等电路的设计，并就以上述电路的功能用 硬币清分系统能达到分离盘转动、硬币清分、光电计数、数码显示和报警等功能。最后用 件对设计的电路和程序进行仿真，检验电路和程序是否运行正常。 关键字 ： 硬币清分、光电计数、数码管显示 35 2 so on of of on it a in of to as to a so a of to of So in a of is of a of is In of we to to a to of in to of is a of on it to of in a in to of ED to to of of of in 9 to on of to of to a in to it 35 3 第一章 绪论 币清分机的课题背景 硬币在日常生活中充当着极其重要的角色，早在 3000 多年前就有了商代的宝德铜币，这是我国最早的金属铸币。金属铸币因为具有使用方便、耐磨损和流通寿命长等优点使得它在漫长的货币史中占据着极其重要的地位，一直伴随着其它各种各式各样的发展。在当今现代化社会中，小面额货币硬币化已经是世界上 200多个国家的通行做法，特别是一些经济较为发达的国家和地区。我国自从加入 际化进程不断加快，为了适应我国经济金融发展的需要，人命币小额货币硬币 花已是我国货币发行的重点工作之一。在我国需要大量硬币的同时，世界上大部分国家的硬币需求量都在稳步上长，世界各地大部分的造币厂都在制造各种面值的硬币，例如美国每年生产的硬币面值就达到 200亿美元之多。在大量的硬币流通的同时会产生一连串的问题 2，例如假币、计数、分类和包装等诸如此类的问题。 面对如此庞大的硬币流通量，使得如何 高效的清分 硬币变成一项非常有意义的工作。 在我国经济高速发展的今天，人们的生活 质量 不断提升、社会文明不断提高，与此同时各种社会服务不断走向自动化。与我们课题相关的各种自动售货机 在 我国也逐渐多了起来，当然，自动售货机在国外已经是很普遍 3，例如日本和美国都拥有将近 600 万台的自动售货机。自动售货机销售的范围非常广泛，给我们的生活带来了极大的方便。现时大部分的自动售货机采用的货币都是硬币，除了自动售货机外还有很多的设施都是以硬币为通用货币。硬币在日常生活中流通范围广、用途大、种类多 ，因此给各行各业的硬币清分工作造成了很大的压力，为了解决这一问题，硬币清分机应运而生。 币清分机 研究的目的和意义 我国的造币指导思想是 ：大面值货币纸币化， 小面值货币硬币化。究其原因在于硬币制造成本高 ，但其使用频率高且使用中不易损坏，综合来看硬币的使用成本较低。由于硬币的大范围流通和使用，许多部门都需要可以对硬币进行高效处理的机器，如银行、超市和公交车公司等都需要高效的硬币清分机，对大量的硬币进行分类和清点。根据市场的需求，硬币清分机也需要做出相应的变化，如无人售票车、投币电话等都需要机器自动对硬币进行实时识别 4，自动售货机除了识别之外还需要具有找零的功能等等。 在许多国家，硬币清分机都是金融行业中不可或缺的技术产品，它的主要功能是对硬币进行识别、分拣和计数，同时还需要具有对伪币和残币进行剔除的功能 。同时硬币 35 4 清分机也是很多产品的基础设备，因此作为最优设计，硬币清分机需要一个统一的系统。但是由于每个国家的国情和货币机制都不尽相同，所以研制统一的清分系统是不大现实的。 随着硬币的使用量不断增加，不同的部门单位需要不同效率的硬币清分机来进行硬币的清分。对于硬币清分机的区分，业界有好几种的区分方式。其中一种较为普通的是根据清分的速度来区分硬币清分机，速度低于 800 枚 /分钟的称为低速清分系统；高于1500 枚 /分钟的称为高速清分系统；介于两者之间的则称为中速清分系统。本论文所研制的硬币清分机属低于 800 枚 /分钟的 低速清分系统，主要用于一些经常需要清点硬币但量不多的部门，有较高的准确性和稳定性。 内外的硬币清分研究现状和发展趋势 硬币清分机发展至今已有将近 40 年的光景，到如今，硬币清分机已经具有成熟可靠的技术支持与生产设备，在保证基本的传动和计数的功能上，其智能化的设计为硬币清分机提供了更多的功能。 外硬币清分发展现状 相对于国内，国外的硬币清分机发展得比较早，国际上很多银行器具公司做了很多有关硬币清分机的研究，所以其技术也比较成熟。瑞典的 B 和日本的荣光公司都是其中 制作硬币清分机的佼佼者。瑞典的 B 是一家专业生产各种银行器具的公司，同时也是国际上公认做银行器具做得最好的公司，他们公司针对不同的货币体系做出了很多研究并研究出了一系列的清分系统。 内硬币清分发展状况 在国内，有多家单位均对如何进行正确的硬币识别做过深入研究，如清华大学、北京科技大学、上海交通大学、杭州电子科技大学、苏州大学、福州大学等。在机理上普遍采用电涡流法。这些单位的研究在可能涉及的硬币范围内取得了较好的效果，但对硬币的鉴别都局限于项目本身，存在不系统和不完整，对伪币效 果识别不好等问题。 国的硬币体系 自从我国建国以来，已经发行了五套硬币。第一套是 1955年发行的 分币，其面值有1分、 2分和 5分，在 1955年到 1992年期间我国一共发行了这三种面值的硬币 75种。这一版本的硬币均采用镁铝合金。 第二套硬币是 1980 年 4月中国人民银行发行的 1角、 2角、 5角和 1 元面值的硬币， 35 5 其中角币采用的是铜锌合金，元币采用的是铜镍合金。这套硬币在 1980 年到 1986年的发行期间 每年发行一种版本，每年 4枚，共计 28种。 第三套硬币 是 1992 年 6月中国人民银行发行的 1角、 5角和 1元三种以花 卉系列为主体的硬币，主要是配合第四套纸币使用。 1 角、 5 角和 1 元采用的材质分别是镁铝合金、铜锌合金和铜 芯 镀镍。 第四套硬币是 2002 年 11 月中国人民银行发行的 1 角、 5 角和 1 元三种以花卉系列为主体的硬币，主要是配合第五套纸币使用。 1 角、 5 角和 1 元采用的材质分别是镁铝合金、铜锌合金和铜芯镀镍。 在 2005年发行第五套人民币时发布了改版的 1角硬币，主要变化为将材质由原本的铝合金改为不锈钢。 版本 发行时间 面值 直径 (厚度 (侧边 样式 材质 第一套 1957年 12月 1分 18 续丝 齿 镁铝合金 2分 21 续丝齿 镁铝合金 5分 24 续丝齿 镁铝合金 第二套 1980年 4月 1角 20 续丝齿 铜锌合金 2角 23 续丝齿 铜锌合金 5角 26 续丝齿 铜锌合金 1元 30 续丝齿 铜镍合金 第三套 1992年 6月 1角 边 镁铝合金 5角 续丝齿 6组 铜锌合金 1元 25 边 铜芯镀镍 第四套 2002年 11月 1角 19 边 镁铝合金 5角 续丝齿 6组 铜芯镀铜 1元 25 边 铜芯镀镍 2005 年 1角 19 边 不锈钢 表 一套至第五套流通硬币一览表 35 6 币检测方法概述 无论是国内还是国外，对于硬币清分系统的研究都离不开硬币的物理技术分析和性能指标分析。利用这些特点，出现了下面几种检测识别方法。 械式检测识别 这种方法是早期硬币识别的主要手段之一 5，利用硬币的自身尺寸和重量不一从而制成转盘分离，用 机械的方式 来分离各种面值不同的硬币，但是由于各种面值的硬 币相差不大，很难保证识别率和识别速度慢， 所以难以运用于大量 的混币 清分工作， 另外，此种 硬币清分系统 系统 运行时 噪声大。 涡流传感器检测识别 此种识别方法主要是利用传感器对硬币所具有的金属材料进行识别区分，用材料的性能指标来判断硬币的面值，性能指标包括合金成分、组织状态、强度特性、韧性和有无杂质等 6 7。涡流检测是基于电磁感应为基础的检测方法，因此硬币材料的铁磁性或非铁磁性材料的不连续的缺陷、电导率和磁导率等都会影响电涡流效应。 涡流检测的优点：对于金属材料的检测不需要接触，也无需耦合介质，并 且对于被检物 的表面缺陷探测灵敏度很高，由于检测时不需要接触工件且不需要耦合介质，所以受到的环境影响较小。 涡流检测的缺点：由于电磁感应和被检对象必须是导电材料的原因，涡流检测只适用于表面缺陷检测，难以检测深层次的内部缺陷；对于探头式的涡流检测器件可以准确的找出缺陷位置，但检测区域狭小，需要合理的布置和利用检测部位 综上所述，由于电涡流检测技术的检测特点，它可以实现无接触检测和具有较高的灵敏度。但由于技术的原因，电涡流检测法易受温度、湿度和振动等因素的影响。 于硬币图像的检测识别 这种方法是一种较 为新兴的方法，与前两种实现的方法有所不同 8。 这种方法是利用网络图像识别技术对硬币进行识别区分，但是这种方法速度较慢，技术上 有 较大的难点造成识别准确率不高。所以不适合系统 、快速和准确地对硬币进行区分。 35 7 第二章 硬币清分系统设计方案及机械结构设计 以上 介绍了机械式、电涡流传感器和基于硬币图像识别等几种现时比较常用的检测方法，根据任务书课题要求，本次设计的硬币清分机的设计方法采用最传统的机械式检测识别法，通过设计可靠的分离盘，使分离盘在工作时能够一次分离一定量的硬币，在分离盘转动时将现有的 4种硬币（ 1元、 5角、 1角小和 1角大）通过 4 个不同尺寸的出币孔依次分离，在各自的出币孔都有相应的光电传感器对硬币进行计数。本次设计包括电源设计、电机控制电路、分离盘设计和光电传感器电路等。 币清分系统设计方案 机械式硬币清分机的工作流程为从到入口倒入一定量的混币，启动硬币清分机的电动机，电动机转动并带动分离盘转动，分离盘转动利用硬币的自身重量和尺寸大小分离出面值不同的硬币，不同面值的硬币由不同的分离口分离出来 。由表 到了现在主要的流通硬币有四种，分别为 1元、 5角、 1角小和 1角大 。 这四种硬币各自的尺寸如表 在分离出口处安装有光敏计数器器件，每当有一个硬币被分离出来单片机将收到一个中断信号，由单片机完成计数并通过 币清分机工作流程图如图 面值 直径 1元 25角 角小 19角大 币直径表 35 8 电机启动 倒入混合硬币 混币进入分离盘 硬币分离 1 元 5 角 1 角小 1 角大 计数 计数 计数 计数 显示 图 币清分机工作流程图 35 9 离盘设计 分离盘主要用 于对不同面值的硬币进行分离，使不同面值的硬币在相应的出口被分离 。参考旧式的分离盘，如图 示，其中标 号表示： 1 硬币分离孔、 2 引导管、 3分离盘。其工作原理是一定时间 由传输装置传输 一定量的硬币进入 3分离盘中，分离盘由电动机带动做圆周运动，使得在分离盘内的硬币做离心运动，硬币将依次被甩进 2引导管中，引导管中有多个分离孔，孔的大小由出口处依次变大，出口处的分离孔最小。被甩出的硬币将由引导管根据硬币的尺寸由小到大循序分离出。 这次设计的分离盘主要对于旧式分离盘 9的不足稍作改进，使得引导管的功能统一集合在分离盘上，这样有利于减小硬币清分机的大小，还能有效的提高分离效率。改进的分离盘如图 图 式分离盘工作原理图 35 10 其中标号表示： 1 分离盘 1、 2分离盘 2、 3搬运孔、 4分离孔、 5转轴 其中标号表示： 1 分离盘 1、 2分离盘 2、 3 马达 如图 示，本硬币分离盘分为分离盘 1 和分离盘 2，从剖面图可以看出分离盘 1在分离盘 2的上方 ，且与地面呈 30度角置于平面上。分离盘 1设置为可转动，由马达 带动旋转 ，分离盘 2设置为固定不可转动 。分离盘 1从正面图可以看出上面均匀分布了多个搬运孔， 搬运孔的高度定为 1小为仅能容下一枚硬币 ， 主要用于对硬币的逐个搬运。分离盘 2置于分离盘 1的下方，分离盘 2上只有 4个分离孔， 分离孔自左向右依 次增大， 用于分离 1 元、 5 角、 1 角小和 1 角大 4 种面值的硬币 。分离孔的高度分别设置为 6 分离原理：混币倒入后进入分离盘 1底部， 按启动按钮马达启动带动分离盘 1旋转，图 离盘剖面图 图 离盘正面图 35 11 分离盘 1旋转的同时，硬币 被一个个的装载在搬运孔内向顶部运去。搬运孔的厚度设置为 1上，为了防止搬运孔同时装载数个硬币。 如图 搬运孔旋转至 分离孔时（分离孔底部比搬运孔底部高出 1防止 硬币分离错误 ） ，各种面值的硬币将会在大小不同的分离孔被分离出来。例如 1 角小的硬币 装载入搬运孔后被运载至第一个分离孔时， 1 角小硬币将掉入分离孔 ， 完成硬币的分离，若是其它面值的硬币将经过第一个分离孔而不被分离，直至到合适的分离孔处。 数 显示 方法设计 本次设计的硬币清分机采用光敏传感器作为基本传感器对硬币进行计算，计数装置利用发光二极管作为发光元件，发光二极管的另一边装有光敏二极管作为感应器件。在硬币清分机中的实际效果如图 敏计数电路的设计方案将在下一章详细说明。 其中标号表示： 1 光敏传感器、 2 发光二极管、 3 硬币出口处、 4码显示管、 5硬币分离盘、 6硬币收集抽 屉 计数原理： 硬币由 5 分离盘清分开各种面值的硬币，在 3 出口处有单一面值的硬币被分离出，硬币将通过导管掉入 6硬币收集抽 屉。在 3出口处安装有光敏传感器，当有硬币通过时光线将被阻挡， 光敏传感器将发出光信号。由光敏电路迅速转换为电信号并交由单片机处理，单片机内部程序运行计数出结果输出信号给 后将在4样的计数装置共有 4套，分别为 1元、 5角、 1角小和 1 角大 4种面值的硬币个数计数并收集。 图 币清分机剖面图 35 12 第三章 硬币清分机电路设计 此次设计的硬币清分机需要实现的功能有，对 定量混币的分离、光敏计数、 示和蜂鸣报警 。 就需要实现的功能来设计所需电路，需要用到的电路有， 52流电机驱动电流、光敏计数电路、 示电路和报警电路 。上述所需电路需要一个有效的控制核心，这次设计核心器件为 以实现上述电路的功能。 片机简述 8 位 通用微处理器 ，采用工业标准的 核 ，在内部功能及管脚排布上与通用的 8同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 部寄存器、数据 外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 接收解码及与主板 信等。 片内置通用 8位中央处理器（ 能强大的 主要管脚有： 19 脚）和 18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12振。 9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成 的复位电路。40 脚）和 20 脚）为供电端口，分别接 +5V 电源的正负端。 3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中， 口（ 3239 脚）被定义为 能控制端口，分别与 相应功能管脚相连接， 13 脚定义为 10 脚和 11 脚定义为 线控制端口，分别连接 18 脚）和 19 脚）端口， 12 脚、 27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 35 13 主要功能特性有： 1、兼容 令系统 2、 8k 可反复擦写 (大于 1000 次） 3、 32 个双向 I/O 口； 4、 256部 5、 3 个 16 位可编程定时 /计数器中断； 7、 2 个串行中断，可编程 行通道； 8、 2 个外部中断源，共 8 个中断源； 9、 2 个读写中断口线， 3 级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式， 软件 设置睡眠 和唤醒功能； 11、有 几种封装形式，以适应不同产品的需求。 体电路设计 这次设计的电路都是以单片机 核心， 此款型号的单片机内部有 8K 的存储器，可以存下所需的执行程序。单片机中一共有 40 个引脚，这次需要用到其中很多的引脚， 用作 码显示管的并行输出口， 作 码显图 脚图 35 14 示管的片选， 作直流电机的控制， 作 光电计数的信号输入端，作仿真 时的单片机清零， 作报警电路的信号输出端。整 体流程如图 源电路 在本设计中的电机驱动电路、光电计数电路、数码管显示电路和报警电路等中的电子器件都需要用到较低的电压。 其中单片机和一些电子器件都需要用到 5V 的直流电压来驱动，电机需要用到 12V 的直流电压。电源电路如图 示。 图中 220V 电压进入电路首先经过一个 220 交流变压器进行变压，然后经过桥式整流电路将交流改成直流后输入到 7812 和 7805 中。这两个器件都属于三端稳压集成电压的 78*正电压输出系列，这种集成电路属于三端器件，只有三条引脚，分别是 输入端、接地端和 输出端 。 电路内部有过流、过热及调整管的保护电路，图 源整流电路 图 币清分机电路结构图 机控制模块 警模块 电计数模块 码管显示模块 35 15 使用起来可靠、方便，而且价格便宜。 该系列型号中在 78 后面的两位数字代表的就是这种器件的输出电压，例如 7805 表示输出电压为正 5V。 为了减小电路中的脉动，并联一个电容进行滤波，电解电容为滤低频波，瓷片电容为滤高频波。 机驱动电路 这次所选选用的电机为直流电机，用 12V 直流电压驱动。电机驱动电路采用一个典型的直流电机控制电路， 由于驱动电路的外形酷似字母 H， 电路名为“ H 桥驱动电路”。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而直流电机就是 H 中的横杆。如图 H 桥式的电机驱动电路包括 4 个三极管、 4 个二极管和一个直流电机。如果要使电机驱动，必须导通对角线上的一对三极管， H 桥式电路可以根据三极管的导通情况，即电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图 35 16 电计数电路 本次设计需要对硬币进行计数，当有硬币从分离盘中被分离出来时，需要光敏器件对分离出的硬币个数进行有效的计数。光敏传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器，它产生的电信号会随光的强度变化而变化 。 光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为 探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多，应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。 当有硬币经过光敏传感器和发光二极管之间时，光敏二极管所产生的电信号将作改变，改变后的电信将输入到 号引脚中。 增益、内部频率补偿的 双运算放大器 ，适合于 电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 电信号经过 号引脚中去， 要用于对输入的两种电压进行比较。这里 此判断 敏计数电路 35 17 以免产生错误的计数信号。如果 ，经过 号引脚将会发出一个信号输入到单片机的 码管显示电路 此次设计的 码显示电路采用 7 段 阳极数码管，通过单片机 码管显示的数值 。 码管是最基本的显示器件，其相当 于多个发光二极管的阵列。其中，发光二极管是单个的发光器件，常用 作为信号指示，一般用于电源指示灯、系统状态指示等。通过发光二极管的阵列，则可以构成不同的图形结构。在单片机应用系统中使用最多的是 7 段 码管，它可以显示十进制数字及一些英文字 符。 码管可以根据控制不同组合的二极管导通，来显示各种数据和字符。 码管 分为共阳极和共阴极两种。 码管引脚图如图 示。 采用共阳极数码管的原因是 共阳极数码管 高电平比较稳定，所以显示稳定较共阴极数码管好。 在 7段共阳极数码管中，发光二极管的阳极为公共端，接高电平 +5V，当某个发光二极管的阴极为低电平时，该二极管导通，该字段发光。 使用动态扫描完成显示， 具体线路图如图 示。 图 35 18 计数信号由 脚输入，由于用 件仿真时无法仿真光敏二极管产生的电信号，所以使用按键产生开 关信号代替光敏二极管的电信号。 于片内时钟模式。 脚外接电路图的作用是对片机还原，但在 真软件中 接电路无法起到作用，键用于对显示电路的还原。 单片机 对数码管的 发送并行信号，控制数码管的显示数值，并在连线中接上拉电阻排，以达到增强数码管驱动能力的目的。用单片机 对数码管的 1234 口发出控制信号 完成片选功能 ，控制数码管的开 关。 警电路 报警电路采用蜂鸣报警器发出报警信号，实际电路图如图 示。图中 图 示电路线路图 图 警电路 35 19 ，当 基极为高电平是三极管截止，蜂鸣器将不会发出报警信号；当单片机内部计数器超过 999 时将向三极管发出低电平信号时 ，三极管作用使蜂鸣器发出报警信号，达到报警的功能。 第四章 硬币清分机程序设计 要从电脑写入相应的程序，才能按照特定的步骤完成相应的功能，这就需要我们编写相关的程序。 这次设计的电路 单片机需要控制电机的转动，还要对光电器件发来的电信号进行计数，然后通过 计数结果超过 999时单片机需要对报警电路发出报警信号，报警电路将发出蜂鸣声。 程序流程 根据硬币清分机的需要 ，倒入定量混币后，按动启动按钮，单片机给电机发出启动信号启动电动机带动分离盘转动。通过分离盘的转动，将各种面值的硬币分离出掉入各自的硬币出口处，硬币通过出口处时光敏传感器将电压水平变化，给单片机发出电信号。单片机通过收到的信号进行计数，通过内部处理之后在 向 码管发出显示信号 。当计数器数值超过 999时，单片机向报警电路发出报警信号，主程 序流程图如图 主程序主要完成开机后的各种设置及初始化，包括个工作口初始值的设置、显示测试、定时值的设置、中断设置、开中断进入等待状态，当有中断时则执行中断，单片机对中断进行计数。 在程序开头首先要完成各端口的初始化，以及各寄存器的初始化。所以对各重要寄存器进行分析： 程序状态字 位的寄存器，其中各位定义如表 序状态字表 进位标志 C 辅助进位标志 0 软件标志 工作寄存器组选择 2 V 溢出标志 35 20 奇偶标志 计数器方式控制寄存器，格式定义如表 式表 （ 1）定时器 /计数器功能选择位 C/T， C/T=1 时，为计数器方式 C/T=0 时为定时器方式。 （ 2） 计数器工作方式字选择位