硬幣分揀計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為解決大量硬幣在進(jìn)行分揀后的計(jì)數(shù)問題，減輕人工計(jì)數(shù)的作業(yè)負(fù)擔(dān)，同時(shí)彌補(bǔ)人工硬幣計(jì)數(shù)易出現(xiàn)差錯(cuò)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的硬幣計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)，可同時(shí)滿足1元、5角、1角三種類型的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)作業(yè)。該設(shè)計(jì)采用成本較低且可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定計(jì)數(shù)的單片機(jī)對整體系統(tǒng)進(jìn)行控制作業(yè)，分別對滿足硬幣計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的光電傳感器、完整電路模塊以及總體的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，以提升硬幣計(jì)數(shù)的正確率和效率。

關(guān)鍵詞：硬幣計(jì)數(shù)；電氣系統(tǒng)；紅外傳感；LED顯示

中圖分類號：TP273" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.009

0" " 引言

現(xiàn)代社會中網(wǎng)絡(luò)移動支付雖在諸多場合取代了錢幣支付，方便了人們的日常活動消費(fèi)，但生活中由于很多中老年人和兒童不便日常使用智能設(shè)備進(jìn)行支付，加之我國中老年人和兒童人口基數(shù)較大，因此錢幣在人們?nèi)粘Ｉ钕M(fèi)中依舊廣泛使用。硬幣作為錢幣的一種在公共交通、游戲行業(yè)、小商品交易以及銀行兌換等不同領(lǐng)域使用較為普遍[1]。硬幣在方便人們?nèi)粘ＯM(fèi)的同時(shí)也帶來了一些麻煩，通常是因?yàn)樵谌斯で逅愦罅看娣e硬幣的過程中人自身的精神和精力等局限性導(dǎo)致計(jì)數(shù)時(shí)難以一直維持高效作業(yè)，特別是硬幣不同的面額、不同的形狀、不同的尺寸，使得分門別類變得緩慢起來，在分類完成后需要人工手動計(jì)數(shù)，還要消耗更多的勞動力。本設(shè)計(jì)以特定課題為研究背景，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)分揀硬幣后的計(jì)數(shù)作業(yè)，彌補(bǔ)人工計(jì)數(shù)易出錯(cuò)的缺陷，同時(shí)提升了計(jì)數(shù)的正確率，減少了人工勞動力成本。

1" " 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，對分類好的不同幣值的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)及數(shù)額統(tǒng)計(jì)，根據(jù)計(jì)數(shù)作業(yè)實(shí)現(xiàn)方式對整個(gè)系統(tǒng)所需要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，倘若系統(tǒng)故障或計(jì)數(shù)數(shù)量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的上限閾值則系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。反之，系統(tǒng)無故障平穩(wěn)運(yùn)行作業(yè)時(shí)，在投幣量等于投幣箱閾值容量前系統(tǒng)一直穩(wěn)定計(jì)數(shù)運(yùn)行，當(dāng)數(shù)量等于閾值設(shè)定上限時(shí)，系統(tǒng)自動結(jié)束計(jì)數(shù)作業(yè)[2]。該計(jì)數(shù)作業(yè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3種類型硬幣的計(jì)數(shù)作業(yè)，分別是1元、5角和1角。

2" " 總體方案

2.1" " 硬幣計(jì)數(shù)要求

自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)需對各種不同硬幣進(jìn)行定量，在設(shè)計(jì)定量方案時(shí)，要求如下：

（1）最低計(jì)數(shù)速度需滿足120枚/min；

（2）各種幣值分別計(jì)數(shù)并計(jì)算出每種硬幣總幣數(shù)；

（3）設(shè)定的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)上限閾值為99 999個(gè)；

（4）計(jì)數(shù)方式：連續(xù)計(jì)數(shù)/預(yù)置計(jì)數(shù)。

2.2" " 硬幣計(jì)數(shù)方案

一般使用光電傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)作業(yè)，以免計(jì)數(shù)作業(yè)實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜煩瑣[3]。本文所述系統(tǒng)在硬幣計(jì)數(shù)方式設(shè)計(jì)時(shí)所選用的計(jì)數(shù)方式也是光電傳感器計(jì)數(shù)，該設(shè)計(jì)相對簡單、便于實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過光電傳感器對硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算出硬幣總量，實(shí)現(xiàn)方式為發(fā)射器利用紅外檢測捕捉到硬幣通過，通過接收器把捕捉的信號傳遞給單片機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)在記錄信號數(shù)據(jù)后進(jìn)行信號傳輸，并通過連接的數(shù)碼管對信號進(jìn)行數(shù)值顯示，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的硬幣計(jì)數(shù)作業(yè)。

2.3" " 電氣原理設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)系統(tǒng)是通過紅外光電傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)作業(yè)，其原理如下：電平的瞬時(shí)變化會導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)的外部中斷隨之發(fā)生改變，系統(tǒng)與LED數(shù)碼管元件之間有程序連接，從而能在顯示器上顯示數(shù)值變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對硬幣的計(jì)數(shù)作業(yè)。計(jì)數(shù)系統(tǒng)電氣總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

3" " 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1" " STC89C52單片機(jī)

完整的系統(tǒng)由微處理器、中斷系統(tǒng)、存放數(shù)據(jù)的RAM、存放程序指令的ROM、輸入/輸出及時(shí)鐘等共同組成。各部分通過系統(tǒng)地址總線互相連接，同時(shí)將系統(tǒng)輸入及輸出端口與外接設(shè)備連接，以此共同組成一套完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對分類后硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)的具體實(shí)際需求，采用STC89C52單片機(jī)作為硬幣計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理元件。選用的STC89C52單片機(jī)設(shè)置有4個(gè)I/O端口，均為雙向端口，分別為P0、P1、P2、P3，這4個(gè)端口均配置有鎖存器裝置[5]。每個(gè)端口都有8條引腳，4個(gè)端口共設(shè)置了32條I/O引腳。

3.2" " 傳感器設(shè)計(jì)

3.2.1" " 計(jì)數(shù)原理

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器，其原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號來實(shí)現(xiàn)控制。即當(dāng)光源強(qiáng)度出現(xiàn)瞬時(shí)變化時(shí)，光電傳感器發(fā)出光信號HS1，與測光信號、光電器件接收的光信號HS2相互配合，共同實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)作業(yè)。

3.2.2" " 傳感器元件

市場中可供實(shí)現(xiàn)硬幣計(jì)數(shù)作業(yè)的傳感器類型相對較多，紅外光電傳感器響應(yīng)速度快、時(shí)間短，其反應(yīng)速度最短可以達(dá)到毫微秒級，性價(jià)比相對較高，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了性價(jià)比較高的紅外光電傳感器。

3.3" " 電路模塊設(shè)計(jì)

3.3.1" " 復(fù)位電路

STC89C52單片機(jī)的復(fù)位輸入引腳RST能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)的初始化，單片機(jī)內(nèi)存中設(shè)定的0000H地址可以滿足本系統(tǒng)所要求的程序設(shè)計(jì)需求。STC89C52單片機(jī)所包含的時(shí)鐘電路運(yùn)行后，若RST引腳高電平的輸出值超10 ms，則該元件內(nèi)部系統(tǒng)自帶的微控制器便會對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。若RST一直維持高電平，則系統(tǒng)循環(huán)復(fù)位。只有高電平轉(zhuǎn)為低電平，STC89C52單片機(jī)內(nèi)部控制器才可以從地址0000H開始實(shí)施作業(yè)程序[6]。本設(shè)計(jì)對該單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)定如圖1 A區(qū)所示。

3.3.2" " 時(shí)鐘電路

該系統(tǒng)中STC89C52單片機(jī)的時(shí)鐘采用芯片振蕩器電路實(shí)現(xiàn)，此外，也可以選擇為單片機(jī)引入外部時(shí)鐘電路[7]。在STC89C52單片機(jī)中存在一個(gè)高增益反相放大器，該放大器輸入和輸出端的引腳分別是XTAL1和XTAL2，XTAL1引腳與石英晶體振蕩器相連，XTAL2引腳與微調(diào)電容進(jìn)行連接，最終形成如圖1 B區(qū)所示的平穩(wěn)自激振蕩器。

3.3.3" " 電源電路

設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對電源的要求如下：電壓穩(wěn)定，電壓紋波小，能耗低。為滿足以上需求，設(shè)計(jì)選擇LM7805CT芯片作為電路轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可以為系統(tǒng)提供電壓為5.0 V的穩(wěn)壓直流電，以滿足硬幣分揀后計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作時(shí)所需電壓[8]。圖1 C區(qū)所示部分為直插式TO-220封裝，其主要作用是為電路提供過流、過載保護(hù)，保證電壓的穩(wěn)定輸出，該部分在加裝散熱裝置情況下輸出電流可達(dá)1 A。

為了有效降低輸出電源的紋波，解決輸入端受干擾的問題，在芯片輸入端安裝了兩個(gè)不同容量的電容，其容量分別為2.2 μF和0.01 μF。

3.3.4" " 顯示電路

顯示電路采用LED顯示器，在滿足系統(tǒng)需求的前提下最大程度降低了整體硬件成本。顯示電路使用了七段顯示譯碼器7447和用于數(shù)據(jù)顯示的線解碼器SN74LS138，七段顯示譯碼器7447的主要作用為控制數(shù)字管的選通和顯示數(shù)據(jù)，將BCD編碼的數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的七段LED數(shù)字形式。圖1 D區(qū)為該系統(tǒng)的顯示電路，由于硬幣計(jì)數(shù)不存在小數(shù)情況，因此設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)七段LED顯示器上DP對應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)為空白（不亮）狀態(tài)。測試輸入BCD碼為“0011”時(shí)，通過譯碼輸出ABCDEFG為“0000110”，LED顯示數(shù)值為“3”；測試輸入BCD碼為“0101”時(shí)，通過譯碼輸出ABCDEFG為“0100100”，LED顯示數(shù)值為“5”，系統(tǒng)運(yùn)行正常。七段顯示譯碼器7447中有控制引腳LT、RB1和B1，各引腳對應(yīng)的功能如下：

LT引腳為由光線控制的輸入端，七段解碼器在輸入命令“0”時(shí)，處于系統(tǒng)光線的測試狀態(tài)。若譯碼輸出ABCDEFG全為0，顯示器顯示“8”，譯碼器可正常解碼。

RB1引腳作為紋波遮沒的輸入控制端口，當(dāng)RB1輸入“0”時(shí)，7447處于紋波覆蓋狀態(tài)；當(dāng)BCD編碼輸入為“0000”時(shí)，譯碼輸出ABCDEFG為“1111111”，此時(shí)七段顯示屏完全為空白（不亮）狀態(tài)；當(dāng)BCD編碼輸入的值不為“0”時(shí)，譯碼器正常工作，因此RB1端口為遮沒的受控端口。

B1控制端通過遮沒輸入紋波來實(shí)現(xiàn)遮沒輸出，同時(shí)具有強(qiáng)制遮沒輸入和鏈波遮沒指示輸出的功能。作為輸入時(shí)只要加“0”信號即可使七段顯示譯碼器7447完全進(jìn)入遮沒狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置的五組七段LED顯示器，顯示端通過七段顯示譯碼器7447與單片機(jī)的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行連接，連接方式簡單，很大程度上降低了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜性。

4" " 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

將INT0連接外接中斷并設(shè)置物理按鈕裝置實(shí)現(xiàn)快速復(fù)位，同時(shí)用INT1脈沖中斷對系統(tǒng)輸出的脈沖信號進(jìn)行捕捉以完成計(jì)數(shù)作業(yè)，采用動態(tài)變化的位解碼器SN74LS138與LED顯示器進(jìn)行搭接，完成信號傳輸及計(jì)數(shù)的累進(jìn)顯示。

本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)中的7BH～7FH地址來分別記錄LED1～LED5的數(shù)值。單片機(jī)通過PO口將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至顯示電路中，每次脈沖啟動中斷INT1，則R1中的數(shù)值會增加1，當(dāng)R1增加至數(shù)值9時(shí)將數(shù)值存儲于7BH中，并調(diào)用子程序?qū)?BH～7FH中記錄的數(shù)值傳輸給LED1～LED5。當(dāng)數(shù)值大于9時(shí)，系統(tǒng)會同時(shí)將R1、7BH的數(shù)值清零，7CH數(shù)值與此同時(shí)增加1。如7CH中數(shù)值不大于9，則調(diào)用顯示子程序，依次顯示7BH～7FH中的值；同理，若7CH中的數(shù)值大于9，則將7DH中的數(shù)值增加1，同時(shí)將7CH中的值清零。若7DH中的值不大于9，則調(diào)用顯示子程序，顯示7BH～7FH中的值；若7DH中的值大于9，則將7EH中的值加1，同時(shí)將7DH中的值清零。若7EH中的值不大于9，則調(diào)用顯示子程序，顯示7BH～7FH中的值；若7EH中的值大于9，則將7FH的值加1，將7EH中的值清零。若7FH中的值不大于9，則調(diào)用顯示子程序，顯示7BH～7FH中的值；若7FH中的值大于9，則表明顯示管已經(jīng)達(dá)到了能顯示的最高數(shù)值99999，程序溢出。

系統(tǒng)中脈沖中斷INT1可通過外部電壓變化轉(zhuǎn)換為中斷電平的變化，再通過系統(tǒng)的顯示電路以及程序?qū)a(chǎn)生的變化數(shù)值顯示在LED顯示器上，對落入系統(tǒng)中的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)作業(yè)。圖2所示為系統(tǒng)計(jì)數(shù)程序流程圖。

5" " 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)硬幣計(jì)數(shù)作業(yè)為目的，基于硬幣計(jì)數(shù)總體方案進(jìn)行了硬件布局搭建，并針對光電感應(yīng)器和電路模塊兩個(gè)方面進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。同時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)軟件程序，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了硬幣計(jì)數(shù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，提供了一套能夠?qū)崿F(xiàn)硬幣計(jì)數(shù)作業(yè)的運(yùn)行系統(tǒng)。

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收稿日期：2023-05-25

作者簡介：謝沖沖（1994—），男，河南蘭考人，碩士，助教，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

孔存陽（1988—），男，河南蘭考人，碩士，助教，研究方向：新能源汽車技術(shù)。