陳芳琪,林子鈺,黃凱鴻,周雨婧,趙建柱

　?。ㄖ袊?guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

       摘要：設(shè)計(jì)了一種基于Arduino開(kāi)發(fā)板的紙幣整理、分類控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ArduinoMega2560單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、顏色傳感器、顯示屏、語(yǔ)音播放模塊等組成整套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紙幣整理、分類、顯示、語(yǔ)音播報(bào)等功能。該系統(tǒng)利用Arduino IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)控制程序，通過(guò)模擬人工整理紙幣過(guò)程實(shí)現(xiàn)紙幣整理，通過(guò)顏色傳感器采集數(shù)據(jù)以及算法控制，實(shí)現(xiàn)紙幣分類，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可靠性、穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞：紙幣整理；Arduino；紙幣分類；顏色識(shí)別

0引言

　　我國(guó)無(wú)人售票公交車的付費(fèi)，相當(dāng)一部分是由乘客使用小面額紙幣或硬幣自行投放，錢(qián)幣的清點(diǎn)工作是一個(gè)難題，特別是紙幣的分類需要大量的人工完成，缺少自動(dòng)化的分選裝置，國(guó)外的紙幣清分機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。本文提出了一種全自動(dòng)紙幣整理分類一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)紙幣整理、分類、顯示等功能，具有良好的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　紙幣整理部分：模仿人工整理紙幣的過(guò)程：（1）將散亂的紙幣豎起；（2）用手指或者手掌將豎直或者傾斜的紙幣撥倒；（3）用手指或者手掌將撥倒的紙幣推整齊。該系統(tǒng)整理紙幣分4步完成：（1）紙幣順斜板滑下；（2）動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)震動(dòng)紙幣；（3）上撥針撥倒豎直或傾斜的紙幣；（4）下?lián)茚槍艿沟募垘磐浦磷髠?cè)。

　　紙幣分類部分：不同紙幣之間顏色存在明顯差異，通過(guò)顏色傳感器檢測(cè)每種紙幣不同的紅、綠、藍(lán)三通道的顏色值（RGB），分析和比較不同紙幣RGB的特性，實(shí)現(xiàn)紙幣分類。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1紙幣整理機(jī)構(gòu)

　　紙幣順斜板滑下，進(jìn)入豎直的兩板之間，其中一個(gè)為動(dòng)板，另一個(gè)為定板。通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)控制動(dòng)板作水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使兩板間距周期變化，紙幣在重力作用下繼續(xù)下落。動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，上端步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶上的撥針將豎直的紙幣撥倒，下端步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶上的撥針將紙幣自右端推至左側(cè)。整理好的紙幣通過(guò)控制舵機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)落入下面的紙幣分類機(jī)構(gòu)。

　　2.2紙幣分類機(jī)構(gòu)

　　紙幣上方顏色識(shí)別傳感器負(fù)責(zé)采集信號(hào)，不同面額的紙幣對(duì)應(yīng)不同的RGB，采用8G4R4B二值化［1］進(jìn)行RGB數(shù)值處理，使之產(chǎn)生顯著差別，從而實(shí)現(xiàn)不同紙幣的分類。通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)捻鈔輪，實(shí)現(xiàn)紙幣的單張輸出，每次識(shí)別到當(dāng)前紙幣的面額之后，通過(guò)控制下方步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)，帶動(dòng)固定在滑臺(tái)上方的收集盒前進(jìn)或后退，使不同的紙幣落入對(duì)應(yīng)的收集盒中。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3硬件部分

　　采用TCS3200顏色傳感器收集紙幣的RGB數(shù)據(jù)，ATmega2560芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Ramps1.4拓展板和a4988驅(qū)動(dòng)板作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板，組成一個(gè)基于Ardunio Mega 2560控制的系統(tǒng)。通過(guò)控制各接口輸出的高低電平來(lái)控制各個(gè)部件，通過(guò)多個(gè)數(shù)字接口進(jìn)行信號(hào)傳輸，按時(shí)序通過(guò)I/O接口控制各部件工作狀態(tài)。對(duì)在正常清點(diǎn)中各傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行取樣、識(shí)別，并寄存起來(lái)，作為檢測(cè)的依據(jù)，同時(shí)根據(jù)比較算法得到該面值紙幣的特征信號(hào)。清點(diǎn)紙幣時(shí)，把顏色傳感器接收到的信號(hào)參數(shù)與原寄存起來(lái)的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行比較、判斷，發(fā)出指令，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)移動(dòng)，將不同紙幣分別傳送到對(duì)應(yīng)的紙幣收集盒中。

　　3.1單片機(jī)單元

　　系統(tǒng)采用Arduino Mega2560作為核心電路板，其最大的特點(diǎn)就是具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出，特別適合以Mega2560處理器為核心的需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，1個(gè)16 MHz晶體振蕩器，1個(gè)USB口，1個(gè)電源插座，1個(gè)ICSP header和1個(gè)復(fù)位按鈕［2］。鑒于Arduino Mega 2560強(qiáng)大的功能，選擇其作為紙幣整理分類機(jī)的核心處理器。紙幣整理分類機(jī)包含多個(gè)部件，其中5路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板占用10個(gè)數(shù)字I/O接口，顏色傳感器占用一個(gè)中斷0引腳、4個(gè)數(shù)字I/O接口，語(yǔ)音模塊占用2個(gè)數(shù)字I/O接口，顯示屏占用2個(gè)數(shù)字I/O接口。Arduino Mega 2560可滿足該紙幣整理分類機(jī)的數(shù)據(jù)處理需求。系統(tǒng)所用主控板如圖2所示。

　　3.2顏色傳感器單元

　　TCS3200可編程的彩色光頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)三原色感應(yīng)原理，如果已知構(gòu)成各種顏色的三原色值，即可知道所測(cè)物體的顏色。對(duì)于TCS3200 ，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其他原色通過(guò)［3］。例如，當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同理，選擇其他濾波器就可以得到藍(lán)色光或綠色光的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS3200 傳感器上光的顏色。

　　通過(guò)顏色傳感器得到紙幣RGB值后，再經(jīng)過(guò)8G4R4B二值化處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)特征，進(jìn)行紙幣分類。系統(tǒng)所用的顏色傳感器如圖3所示。

　　3.3顯示單元

　　系統(tǒng)選擇 LCD1602液晶顯示器，其具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以顯示字符和數(shù)字，顯示容量為 2行16個(gè)字。在系統(tǒng)中，將第一行的16個(gè)字分為“1yuan 5jiao zong”，同時(shí)將不同紙幣的數(shù)量、總金額對(duì)應(yīng)到第二行的16個(gè)字。在數(shù)據(jù)通信方面，采用兩條雙向的串行線來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸(I2C協(xié)議)，極大地簡(jiǎn)化了電路，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單而不失功能。

　　3.4語(yǔ)音播放單元

　　本系統(tǒng)選擇mini voice M3語(yǔ)音播放模塊，該語(yǔ)音播放模塊體積小、集成度高、音量大、可靠穩(wěn)定，可以通過(guò)單片機(jī)單元選擇播放存入存儲(chǔ)卡內(nèi)的指定音頻［4］，如發(fā)送指令“play,0001,$ ”便播放0001號(hào)文件，具有操作簡(jiǎn)單、可控性高的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用異步串口通信UART接口2傳輸數(shù)據(jù)［4］，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提示、語(yǔ)音播報(bào)總數(shù)量的功能。

　　3.5拓展板單元

　　Ramps1.4 連接強(qiáng)大的Arduino MEGA平臺(tái)，并擁有充足的擴(kuò)展空間。除了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口外，Ramps 1.4提供了大量其他應(yīng)用電路的擴(kuò)展接口，是一款更換零件方便，擁有強(qiáng)大的升級(jí)能力和擴(kuò)展模塊化設(shè)計(jì)的Arduino擴(kuò)展板。除五路步進(jìn)電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)接口外，自定義LCD1602屏、顏色傳感器、mini voice M3語(yǔ)音播放模塊的數(shù)字I/O接口，將所有接口集中在Ramps1.4拓展板上實(shí)現(xiàn)了裝置一體化、自動(dòng)化。

　　3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

　　A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35 V及2 A，A4988包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。系統(tǒng)所用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖4所示。

　　系統(tǒng)利用Arduino IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)控制程序。該開(kāi)發(fā)環(huán)境基于C語(yǔ)言，主要的參數(shù)功能都已經(jīng)函數(shù)化，直接調(diào)用函數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)各模塊的功能［5］。該程序采用模塊化編程，程序由系統(tǒng)主程序、初始化子程序、PWM步進(jìn)電機(jī)調(diào)速子程序、LCD1602液晶顯示子程序、語(yǔ)音提示子程序和顏色傳感器識(shí)別子程序組成。

　　主系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

5結(jié)論

　　本文提出了一種可對(duì)紙幣進(jìn)行整理和分類的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上撥針撥倒紙幣，下?lián)茚樛讫R紙幣實(shí)現(xiàn)紙幣的整理，通過(guò)顏色傳感器測(cè)得紙幣RGB值，通過(guò)8G4R4B二值化處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)二值化數(shù)據(jù)特征進(jìn)行紙幣分類。該紙幣整理分類裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可減少人力物力的消耗，達(dá)到較佳的紙幣分類效果，具有良好的應(yīng)用前景。

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