陈芳琪,林子钰,黄凯鸿,周雨婧,赵建柱

　　（中国农业大学 工学院，北京 100083）

摘要：设计了一种基于Arduino开发板的纸币整理、分类控制系统。该系统采用ArduinoMega2560单片机作为控制核心，结合步进电机驱动板、颜色传感器、显示屏、语音播放模块等组成整套系统，实现了纸币整理、分类、显示、语音播报等功能。该系统利用Arduino IDE开发环境编写控制程序，通过模拟人工整理纸币过程实现纸币整理，通过颜色传感器采集数据以及算法控制，实现纸币分类，并通过实验证明了设计的可靠性、稳定性。

关键词：纸币整理；Arduino；纸币分类；颜色识别

0引言

　　我国无人售票公交车的付费，相当一部分是由乘客使用小面额纸币或硬币自行投放，钱币的清点工作是一个难题，特别是纸币的分类需要大量的人工完成，缺少自动化的分选装置，国外的纸币清分机结构复杂、价格昂贵。本文提出了一种全自动纸币整理分类一体机，可实现纸币整理、分类、显示等功能，具有良好的应用前景。

1系统方案设计

　　纸币整理部分：模仿人工整理纸币的过程：（1）将散乱的纸币竖起；（2）用手指或者手掌将竖直或者倾斜的纸币拨倒；（3）用手指或者手掌将拨倒的纸币推整齐。该系统整理纸币分4步完成：（1）纸币顺斜板滑下；（2）动板往复运动震动纸币；（3）上拨针拨倒竖直或倾斜的纸币；（4）下拨针将拨倒的纸币推至左侧。

　　纸币分类部分：不同纸币之间颜色存在明显差异，通过颜色传感器检测每种纸币不同的红、绿、蓝三通道的颜色值（RGB），分析和比较不同纸币RGB的特性，实现纸币分类。

2系统结构

　　2.1纸币整理机构

　　纸币顺斜板滑下，进入竖直的两板之间，其中一个为动板，另一个为定板。通过控制步进电机丝杆滑台控制动板作水平往复直线运动，使两板间距周期变化，纸币在重力作用下继续下落。动板往复运动的同时，上端步进电机带动同步带上的拨针将竖直的纸币拨倒，下端步进电机带动同步带上的拨针将纸币自右端推至左侧。整理好的纸币通过控制舵机轴的旋转落入下面的纸币分类机构。

2.2纸币分类机构

　　纸币上方颜色识别传感器负责采集信号，不同面额的纸币对应不同的RGB，采用8G4R4B二值化［1］进行RGB数值处理，使之产生显著差别，从而实现不同纸币的分类。通过控制步进电机转动捻钞轮，实现纸币的单张输出，每次识别到当前纸币的面额之后，通过控制下方步进电机滑台，带动固定在滑台上方的收集盒前进或后退，使不同的纸币落入对应的收集盒中。该系统结构框图如图1所示。

3硬件部分

　　采用TCS3200颜色传感器收集纸币的RGB数据，ATmega2560芯片进行数据处理，Ramps1.4拓展板和a4988驱动板作为步进电机驱动拓展板，组成一个基于Ardunio Mega 2560控制的系统。通过控制各接口输出的高低电平来控制各个部件，通过多个数字接口进行信号传输，按时序通过I/O接口控制各部件工作状态。对在正常清点中各传感器接收到的信号进行取样、识别，并寄存起来，作为检测的依据，同时根据比较算法得到该面值纸币的特征信号。清点纸币时，把颜色传感器接收到的信号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，发出指令，步进电机驱动丝杆滑台移动，将不同纸币分别传送到对应的纸币收集盒中。

3.1单片机单元

　　系统采用Arduino Mega2560作为核心电路板，其最大的特点就是具有多达54路数字输入输出，特别适合以Mega2560处理器为核心的需要大量I/O接口的设计，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，1个16 MHz晶体振荡器，1个USB口，1个电源插座，1个ICSP header和1个复位按钮［2］。鉴于Arduino Mega 2560强大的功能，选择其作为纸币整理分类机的核心处理器。纸币整理分类机包含多个部件，其中5路步进电机驱动板占用10个数字I/O接口，颜色传感器占用一个中断0引脚、4个数字I/O接口，语音模块占用2个数字I/O接口，显示屏占用2个数字I/O接口。Arduino Mega 2560可满足该纸币整理分类机的数据处理需求。系统所用主控板如图2所示。

3.2颜色传感器单元

　　TCS3200可编程的彩色光频率转换器适合于色度计测量应用领域，根据三原色感应原理，如果已知构成各种颜色的三原色值，即可知道所测物体的颜色。对于TCS3200 ，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色通过［3］。例如，当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其他滤波器就可以得到蓝色光或绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS3200 传感器上光的颜色。

　　通过颜色传感器得到纸币RGB值后，再经过8G4R4B二值化处理数据，并根据数据特征，进行纸币分类。系统所用的颜色传感器如图3所示。

3.3显示单元

　　系统选择 LCD1602液晶显示器，其具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，可以显示字符和数字，显示容量为 2行16个字。在系统中，将第一行的16个字分为“1yuan 5jiao zong”，同时将不同纸币的数量、总金额对应到第二行的16个字。在数据通信方面，采用两条双向的串行线来实现数据的传输(I2C协议)，极大地简化了电路，使整个系统简单而不失功能。

3.4语音播放单元

　　本系统选择mini voice M3语音播放模块，该语音播放模块体积小、集成度高、音量大、可靠稳定，可以通过单片机单元选择播放存入存储卡内的指定音频［4］，如发送指令“play,0001,$ ”便播放0001号文件，具有操作简单、可控性高的优点。该系统采用异步串口通信UART接口2传输数据［4］，实现语音提示、语音播报总数量的功能。

3.5拓展板单元

　　Ramps1.4 连接强大的Arduino MEGA平台，并拥有充足的扩展空间。除了步进电机驱动器接口外，Ramps 1.4提供了大量其他应用电路的扩展接口，是一款更换零件方便，拥有强大的升级能力和扩展模块化设计的Arduino扩展板。除五路步进电机的脉冲宽度调制（PWM）信号接口外，自定义LCD1602屏、颜色传感器、mini voice M3语音播放模块的数字I/O接口，将所有接口集中在Ramps1.4拓展板上实现了装置一体化、自动化。

3.6步进电机驱动单元

　　A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器，该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35 V及2 A，A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。系统所用步进电机驱动如图4所示。

　　系统利用Arduino IDE开发环境编写控制程序。该开发环境基于C语言，主要的参数功能都已经函数化，直接调用函数，方便实现各模块的功能［5］。该程序采用模块化编程，程序由系统主程序、初始化子程序、PWM步进电机调速子程序、LCD1602液晶显示子程序、语音提示子程序和颜色传感器识别子程序组成。

　　主系统程序流程图如图5所示。

5结论

　　本文提出了一种可对纸币进行整理和分类的实现方法。通过动板往复运动，上拨针拨倒纸币，下拨针推齐纸币实现纸币的整理，通过颜色传感器测得纸币RGB值，通过8G4R4B二值化处理数据，并根据二值化数据特征进行纸币分类。该纸币整理分类装置结构简单，成本低，可减少人力物力的消耗，达到较佳的纸币分类效果，具有良好的应用前景。

参考文献

　　［1］ 蔡世捷.基于MATLAB的树木图像分割研究［D］. 南京：南京林业大学，2005.

　　［2］ 崔阳，张维华，白云峰.一种基于Arduino的智能家居控制系统［J］.电子技术应用，2014，40(4)：123-125.

　　［3］ 张菁，杨应平，章金敏，等.基于TCS3200D的颜色再现与分类［J］. 武汉大学学报（工学版），2013，46（2）：257-260.

　　［4］ 马光.单片机原理及应用［M］.北京:机械工业出版社,2006.

　　［5］ 程晨.Arduino 开发实战指南:AVR 篇［M］.北京：机械工业出版社,2012.