零钱兑换装置的设计

于嘉慧 陈亚楠 默润朴 张可可 刘云汉 周宝枫

摘 要 随着社会的发展，科学技术不断进步，便民设施越来越完善。虽然很多地方都已经进入了无币化的电子交易模式，给广大消费者和商家带来了方便，但是，在中国大众会有无零钱的不便情况，基于这个问题，我们设计了用来实现公交网络购票与零钱兑换的装置。公交网络购票与零钱兑换装置由电子找零机、投币机、扫码支付购票系统（支付宝、微信）和回单打印系统四个部分组成。本文就零钱兑换装置的设计进行了详细的研究与分析，并且对该装置的操作方式以及发展前景进行了展望。

【关键词】零钱兑换装置 单片机 纸币识别 步进电机

1 绪言

近几年，城市交通系统是我国大部分城市的主要交通方式，随着居民乘车次数和公交车辆的不断增加，全自动的零钱兑换装置是必不可少的。该项目的设计实现基于嵌入式技术的无人值守零钱兑换置，能够被安置在景区、公交站或者乘客比较集中的其他地方，能够实现大额纸币兑换的功能，方便的普通群众的日常生活。本文阐述了零钱兑换装置的研究与设计的研究背景，现状以及发展方向和前景展望，并且明确指出了现阶段中零钱兑换装置中可能出现的问题。

1.1 选题背景及其研究意义

公共交通系统连接了城市与农村地区，是我们大部分城市的交通系统，它的功能的质量和工作效率会直接影响人们的正常工作和生活，随着绿色出行的推进，公交、地铁等便民绿色交通方式的出现，人们大多选择了公共交通方式出行，并且出行次数不断增加[1]。由此，公共交通系统的路线分布变得越来越广泛。目前的乘车收费方式已经不能满足人们的出行需求了，公交车的现金零钱兑换和电子购票乘车的需求也越来越迫切，所以我们的产品应运而生。

1.2 现状分析

在国内，有知识产权局获得信息：2003年武汉市出现一种新型的只能投币箱，用来解决公交车找零的问题。但是，在国内这只是个别现象。

在国外，街头巷尾早已推出零钱兑换机。十几年前，美国的Coinstar公司开始推出零钱兑换机：市民只要往兑换机里投币，它就会自动计算按10%的费用收取手续费后，将应兑换出的零钞和凭证小票一起从窗口兑出。据调查，日本，首尔也已经出现了零钱兑换机。

1.3 装置的整体设计

我们主要的研究工作是设计出一种方便快捷的零钱兑换装置。该装置由电子找零机、投币机、回单打印系统三个部分组成。该装置主要包括了两个部分：控制部分和机械部分。控制部分进行扫码，从而获得相应的信息，然后它向执行部件发出执行的命令和执行的方式。进行零钱兑换的执行的部件的机械部分，例如电子找零机、投币机，它的具体作用是在软件的控制下实现精确的计算并输出零钱。投币机由纸币识别和分类系统和零钱兑换执行系统组成，它集成了IC卡收费系统，将人们投入的纸币进行识别、分类、并找回相应的零钱数量。

2 系統的基本构成及工作原理

图1为系统的结构图，该系统分为以下五个部分。

其各自的工作原理级功能表现如下：

（1）公交网络购票与IC卡识别系统的主要用途是进行公交系统的电子收费。

（2）零钱兑换和找零系统的核心控制器件是89C51单片机，其主要功能是：通过特定的功能区读取纸币信息并进行识别出纸币面值信息；并且传送出所需要找零钱数额的显示信号；并且能够检测装置内是否缺钱或者少钱；其次，它能够控制步进电机，最后正确地输出零钱数。

（3）运行流程：当装置的控制系统接收到纸币识别系统送来的纸币信息后，将该信息存入寄存器，然后再启动对应的扫描识别程序，将所识别到的数值与纸币识别系统送来的纸币信息相比较，从而输出相应的零钱，由此实现零钱兑换及找零功能。控制器控制显示器显示找零数值以及二维码的显示，兑换选项等。

3 系统硬件主要有以下四个模块

3.1 单片机模块

单片机即单片微型计算机，在现如今的生活中，其实单片机随处可见，例如我们经常使用的电冰箱，空调等。众所周知，单片机是一种集成电路芯片，又被称为微控制器，由于其众多优点且结合本产品实际情况而选择单片机成为其中一个硬件模块，且单片机的发展速度飞快、其结构组成与指令系统都着重满足工控要求，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2 纸币识别模块

识别纸币的方法有许多种方法，例如：

（1）紫外线（UV）识别技术

（2）磁性识别技术

（3）弱磁编码识别技术

（4）红外线（IR）识别技术

（5）3D识别技术

（6）色敏识别技术

（7）图像识别技术等等。

一般纸币识别都是利用DSP技术与CPLD技术和CCD技术相结合。这样的产品都已经成为集成模块了，而该三项技术又适用于本装置，所以本装置可能的话也会运用该技术。

3.3 显示器模块

目前显示器的装置多种多样，其中，发光二极管显示器（简称为LED）。它的的配置灵活，安装操作十分简便，并且具有连接方式方便，价格便宜等优点，所以我们选用了二位共阴极的LED显示器作为我们的显示器模块的用件。

3.4 电机控制模块

图2为一种常见的小步距的三相反应式步进电机剖面示意图。

步进电机，是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置，而且步进电机可以快速启停，相比于直流电机而言步进电机的定位功能就很出色了。对本装置来说两种电机原理上都可以，但综合考虑对比优缺点我们选用了交流电机中的步进电机作为该装置的电机控制模块。

4 软件系统及其特点

4.1 软件系统主程序流程图

软件系统主程序流程图如图3所示。

币值读取子程序流程图如图4。

5 实验遇到的问题与总结

5.1 电源模块

初期单片机供电采用12V转5V，使用7805芯片制作稳压电源，但由于步进电机需要较大的电流，导致7805容易过热，且电机不能正常运转。最后采用独立电源。

5.2 机械执行机构

设计时出现机械摩擦现象，步进电机转动时间较长时会出现角度偏差，情况较严重时出现卡死堵转现象。经机械打磨有机玻璃底盘和锋利风翅情况有改善。

5.3 兑换量大

面值较大的纸币如果全部兑换成一元纸币， 既不方便携带，也不能更好的别人们带来便利。我们要解决的就是通过系统设置，让装置能够自动的兑换出小面值纸币和一元零钱。

5.4 找零失误

在装置应用过程中，当系统的硬件和软件出现问题时，可能会造成找零失误，需要做定期检查维修装置。

6 前景展望

随着高新技术的不断发展，越来越多的自动化产品应用于我们的生活，为我们带来便利。我们这个装置将为大家提供一种方便快捷的兑换方式，它将极大地便利人们的生活。此外，零钱兑换系统具有结构紧凑，功能稳定，可以实现不同面额纸币的兑换等特点，将该零钱兑换装置的信息统计工作进一步网络化。文中所描述的零钱兑换装置，这是一个能够给大众带来很多便利的装置，操作简便，适用面广泛，而且能够大大减轻从事公共交通系统的人员的工作负担，对群众而言，出门在外再也不用为换零钱而到处碰壁了。我认为，这种装置的实现并适时利用将会大大促进社会的发展，和人类文明的进步。

参考文献

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作者简介

于嘉慧（1996-），女，山东省平度市人。大学本科在读。研究方向为工程造价方向。

作者单位

河北建筑工程学院 河北省张家口市 075000