一種紙幣整理并自動(dòng)找零的公交投幣箱設(shè)計(jì)

江 濤,張紅坡,賀雪梅,李 志

(陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710021)

伴隨著城市和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，無(wú)人售票公交車得到了廣泛的應(yīng)用[1]。公交車收費(fèi)是公交車運(yùn)營(yíng)的重要一環(huán)，直接關(guān)系到公交公司切身利益[2]。然而，公交車錢幣的分類整理還存在很多問(wèn)題[3]，給公交人員和乘客都帶來(lái)諸多不便。因此，改進(jìn)公交車投幣箱以提升效率具有重要意義。

1 公交投幣箱現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有公交投幣箱主體結(jié)構(gòu)包括投幣口和箱體兩部分，投幣口和箱體通過(guò)透明樹(shù)脂相連接，以便于駕駛員確認(rèn)投幣金額?？傮w而言，現(xiàn)有投幣箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只具備接收和貯存錢幣功能。

在實(shí)地走訪和調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有公交車投幣箱在實(shí)際使用中尚存不足：首先，現(xiàn)有公交投幣箱以一元硬幣或各種面額的紙幣為前提，不具備“找零”功能，需要乘客自備零錢，用戶使用體驗(yàn)不佳。其次，投幣屬于瞬時(shí)動(dòng)作，要用駕駛員的雙眼來(lái)確認(rèn)錢幣面值并分辨假幣，導(dǎo)致大量假幣流通[4]，造成經(jīng)濟(jì)損失，也增加了駕駛員的工作強(qiáng)度。最后，現(xiàn)有公交投幣箱可以暫存錢幣，但仍需待公交車收車進(jìn)場(chǎng)后對(duì)錢幣進(jìn)行分類、清點(diǎn)及整理。因公交車數(shù)量較多，每天累積的錢幣數(shù)量大[5]，且投幣箱內(nèi)暫存的錢幣面額不一，形態(tài)雜亂，公交公司每年都需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力[6-7]來(lái)完成錢幣的清點(diǎn)工作，且存在很大的衛(wèi)生安全隱患[8]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體方案構(gòu)思

針對(duì)現(xiàn)有公交車投幣箱的不足，本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)錢幣識(shí)別、計(jì)數(shù)、找零和整理的公交智能投幣箱。

投幣箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括識(shí)別系統(tǒng)、找零系統(tǒng)和整理系統(tǒng)三大系統(tǒng)。工作流程如圖1所示：乘客(用戶)上車投幣→識(shí)別系統(tǒng)對(duì)錢幣面值和真?zhèn)芜M(jìn)行檢測(cè)識(shí)別→根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，選擇退還、接收或找零后續(xù)動(dòng)作。檢測(cè)不合格的錢幣直接通過(guò)退幣通道退還，檢測(cè)合格的錢幣由整理系統(tǒng)進(jìn)行整理并暫存。檢測(cè)為面額(五元)較大紙幣時(shí)，找零系統(tǒng)啟動(dòng)找零處理動(dòng)作。

圖1 投幣箱整體工作流程圖

2.2 具體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)投幣常見(jiàn)幣種，將投幣箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分為一元硬幣模塊、一元紙幣模塊和五元紙幣模塊。

2.2.1一元硬幣模塊

1)模塊結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，模塊外端設(shè)置硬幣投幣口，投幣口底端設(shè)置硬幣識(shí)別器，識(shí)別器分別連接退幣通道開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)通道開(kāi)關(guān)。退幣通道與退幣口連接，存儲(chǔ)通道則與存儲(chǔ)箱連接。硬幣存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)已較成熟，在此不作詳述。

2)工作流程。

用戶投幣→硬幣識(shí)別→檢測(cè)。若檢測(cè)不合格，識(shí)別器發(fā)出退幣信號(hào)，退幣開(kāi)關(guān)接收信號(hào)后開(kāi)啟，硬幣通過(guò)退幣通道進(jìn)入退幣口；若檢驗(yàn)合格，識(shí)別器發(fā)出存幣信號(hào)，存幣開(kāi)關(guān)接收信號(hào)后開(kāi)啟，硬幣通過(guò)存儲(chǔ)通道進(jìn)入存儲(chǔ)箱。

圖2 一元硬幣模塊結(jié)構(gòu)

2.2.2一元紙幣模塊

在實(shí)際使用中，紙幣太舊和殘損程度嚴(yán)重必然會(huì)給紙幣的識(shí)別、整理和存儲(chǔ)過(guò)程造成困難，因此一元紙幣模塊不僅要具備識(shí)別、退幣、存儲(chǔ)功能，還應(yīng)增加紙幣捻平和整理功能，以便于紙幣傳送和存儲(chǔ)過(guò)程的順利進(jìn)行。

1)模塊結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，模塊外端設(shè)置紙幣投幣口，投幣口底端設(shè)置識(shí)別器，識(shí)別器分別連接退幣傳送器和存儲(chǔ)傳送器。退幣傳送器通過(guò)退幣通道連接退幣口，存儲(chǔ)傳送器則連接紙幣整理系統(tǒng)，最終在存儲(chǔ)箱暫存。

圖3 一元紙幣模塊結(jié)構(gòu)

紙幣整理系統(tǒng)包括進(jìn)鈔捻平和紙幣整理兩部分。如圖4所示，進(jìn)鈔捻平裝置包括捻鈔輪、送鈔輪、壓鈔輪、壓鈔臺(tái)、送鈔帶、光電門(mén)計(jì)數(shù)器、壓鈔帶、弧形擋板和支架等。如圖5所示，紙幣整理裝置包括固定板、上壓板、錢幣整理臺(tái)、擋桿等。

2)工作流程。

圖4 一元紙幣進(jìn)鈔捻平裝置主、俯視圖

圖5 一元紙幣卡緊原理圖

①投幣過(guò)程：如圖3所示，用戶投紙幣→紙幣識(shí)別→檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)不合格，識(shí)別器發(fā)出退幣信號(hào)，電機(jī)接收信號(hào)后驅(qū)動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，錢幣經(jīng)傳送帶送至退幣口；若檢驗(yàn)合格，識(shí)別器向傳送器電機(jī)和錢幣整理系統(tǒng)電機(jī)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)入紙幣捻平過(guò)程。

②捻平過(guò)程：如圖4所示，傳送電機(jī)接收信號(hào)后驅(qū)動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將紙幣遞送至捻鈔輪組進(jìn)行第一次碾壓→紙幣被傳送帶遞送至送鈔輪組，進(jìn)入壓鈔輪進(jìn)行第二次碾壓→平整后的紙幣又被送鈔帶遞送至壓鈔帶處進(jìn)行第三次碾壓并遞送→紙幣被遞送至弧形擋板與傳送帶狹小間隙處時(shí)下落至紙幣暫存箱，進(jìn)入紙幣整理過(guò)程。

③整理過(guò)程：如圖5所示，光電門(mén)計(jì)數(shù)器對(duì)檢測(cè)通過(guò)的紙幣進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到50次(即50張一元紙幣)時(shí)，錢幣整理臺(tái)接收動(dòng)作信號(hào)后垂直上升→電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿右移，推動(dòng)已裝配好的卡扣水平右移→紙幣暫存箱內(nèi)的50張紙幣被推至右側(cè)壁時(shí)，被壓入卡扣右開(kāi)口端，完成一次卡緊處理→處理后的50張紙幣隨錢幣整理臺(tái)垂直下降，碰撞到右下方的擋桿發(fā)生翻轉(zhuǎn)，紙幣掉落暫存箱固定位置，完成錢幣整理過(guò)程。

其中，卡扣結(jié)構(gòu)如圖6所示，高度約為50張一元紙幣的厚度，長(zhǎng)度約為一元紙幣長(zhǎng)度的2/3，右開(kāi)口端呈倒齒結(jié)構(gòu)。

圖6 一元紙幣卡扣主、俯視圖

2.2.3五元紙幣模塊

五元紙幣模塊除應(yīng)具備識(shí)別、退幣、存儲(chǔ)功能外，還應(yīng)增加找零功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)，本方案采用以硬幣存儲(chǔ)箱中的固定4枚硬幣的找零方式來(lái)實(shí)現(xiàn)找零。

1)模塊結(jié)構(gòu)。

如圖7所示，模塊外端設(shè)置五元紙幣投幣口，投幣口底端連接識(shí)別器，識(shí)別器分別連接退幣開(kāi)關(guān)、漏孔擋板和存幣開(kāi)關(guān)。存幣開(kāi)關(guān)連接整理和存儲(chǔ)箱，硬幣暫存箱底部設(shè)置硬幣漏孔槽，漏孔槽結(jié)構(gòu)如圖8所示。光電門(mén)計(jì)數(shù)器控制漏孔擋板，擋板下方連通找零口。

圖7 五元紙幣模塊方案圖

圖8 硬幣漏孔槽截面圖

2)工作流程。

用戶投紙幣→紙幣識(shí)別→檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)不合格，識(shí)別器發(fā)送信號(hào)至退幣開(kāi)關(guān)，紙幣被傳送至退幣口；若檢測(cè)合格，識(shí)別器發(fā)送信號(hào)至存幣開(kāi)關(guān)和漏孔擋板，紙幣進(jìn)入整理過(guò)程，與一元紙幣整理過(guò)程相同，不再贅述，并最終進(jìn)入暫存箱儲(chǔ)存。同時(shí)，漏孔擋板接收到動(dòng)作信號(hào)開(kāi)啟，硬幣存儲(chǔ)箱內(nèi)的4枚一元硬幣透過(guò)漏孔槽下落至找零口，完成找零過(guò)程。

2.3 方案實(shí)現(xiàn)與樣機(jī)驗(yàn)證

2.3.1方案實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)是公交投幣箱設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)核心，各組件間通過(guò)信號(hào)傳遞相互配合，使投幣箱的整理、識(shí)別、找零功能得以順利實(shí)現(xiàn)。因此，公交投幣箱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是應(yīng)用單片機(jī)分別控制公交車刷卡系統(tǒng)、手機(jī)掃碼系統(tǒng)、硬幣接收模塊、紙幣接收模塊(含一元和五元模塊)、退幣模塊、紙幣找零模塊、計(jì)數(shù)整理模塊、顯示模塊和語(yǔ)音模塊，如圖9所示，并根據(jù)整體系統(tǒng)模塊流程設(shè)計(jì)，運(yùn)用C語(yǔ)言和KeilMDK軟件完成了對(duì)紙幣模塊軟件、硬幣模塊軟件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊軟件、數(shù)碼管顯示模塊軟件、語(yǔ)音控制模塊軟件及其他模塊軟件設(shè)計(jì)。

圖9 整體系統(tǒng)模塊示意圖

2.3.2樣機(jī)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性，充分運(yùn)用PTC Creo5.0軟件進(jìn)行了公交投幣箱機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維建模虛擬驗(yàn)證，如圖10所示。經(jīng)多方努力，完成了投幣箱一元紙幣模塊樣機(jī)的生產(chǎn)加工和部件組裝，如圖11所示。經(jīng)多次投幣測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該投幣箱設(shè)計(jì)方案具備充分的可靠性與實(shí)用性。

圖10 投幣箱內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)建模圖

圖11 一元紙幣模塊工作樣機(jī)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從現(xiàn)有公交車投幣箱在實(shí)際使用方面存在的問(wèn)題出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款可自動(dòng)識(shí)別、找零和整理錢幣的公交投幣箱。該投幣箱在進(jìn)鈔口設(shè)置驗(yàn)鈔器以保證接收錢幣的可靠性；以齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等基本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成工作模塊，實(shí)現(xiàn)一元紙幣的計(jì)數(shù)整理功能；為方便用戶，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)五元紙幣的自動(dòng)找零功能，提升用戶使用滿意度；最終綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬建模技術(shù)進(jìn)行三維建模和虛擬驗(yàn)證，并制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際校驗(yàn)，充分保證了方案設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

綜上所述，該公交投幣箱具備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本經(jīng)濟(jì)、可靠性高、自動(dòng)化控制難度低等優(yōu)點(diǎn)，將極大改善用戶體驗(yàn)，有力提高公交人員的工作效率，有效避免公交企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，降低運(yùn)營(yíng)成本，市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值較高，前景廣闊。