智能硬币储蓄罐设计

电子基础
0 引言
普通的存钱罐只具备存储硬币的功能，不能显示内部硬币的币种和数量。

本文提出一种智能硬币储蓄罐，能够对硬币自动分拣[3]，分别存储，并利用显示屏显示币种和数量。

智能储蓄罐内部集成Wi-Fi模块，通过手机APP，可以实时查看储蓄罐内的硬币信息，提高了储蓄罐的智能化程度，增加了储蓄罐的附加值。

1 总体方案设计
本设计以STM32单片机为控制核心，包括入币单元、分拣单元、计数单元、存储单元、出币单元和通信单元组成，其系统框图如图1所示。

计数单元与STM32的外部中断引脚相连，出币单元与STM32的GPIO相连，通信单元与STM32
的串行通信接口相连。

图1 储蓄罐硬件结构图
■1�1 控制单元
控制单元包括STM32F103增强型单片机、晶振电路、复位电路、程序下载等电路。

STM32F103R8T6具有32位的Cortex-M3内核，片上集成64KB FLASH，时钟频率是72MHz，芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。

■1�2 入币单元
入币单元由一个直流电机和一个偏心装置构成[4]。

入币单元采用独立电源控制，当大量硬币同时进入装置时，打开入币单元的开关，偏心装置的直流电机产生振动，使硬币以一个均匀的速度进入分拣单元。

当硬币全部进入分拣单元时，即可关闭电源。

入币单元可以即开即用，便于维护与更换。

■1�3 分拣单元
分拣单元的主体为一个分类轨道。

根据第五套硬币的直径，轨道上分别开有6mm、10mm、15mm，三种不同规格的方孔[5-6]。

分类轨道与地面的倾斜角为36°，且顺时针翻转15°放置，可以保证三种不同规格的硬币依次进入存储单元。

在分类轨道的入口放置一个挡板，使之与轨道的缝隙为2mm，以保证硬币逐一进入轨道，避免出现重叠进入现象。

在轨道尾端设有一个容错出口，防止硬币进入过快时，无法顺利进入硬币分类孔，进而导致无法计数。

■1�4 计数单元
光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，在分拣单元与存储单元之间加入常开式对射型光电传感器[7-8]。

发射器发出的光线直接进入接收器，当硬币通过传感器时，阻断光线，光电开关就产生开关信号，发送给单片机，从而实现硬币的计数功能。

每个币种需要一个独立的光电传感器，因此，需要3个光电传感器。

1602显示屏实时显示硬币的种类和数量。

■1�5 存储单元
存储单元用于分别存储三个币种的硬币。

为了便于自动出币，存储单元采用圆筒式装置，圆筒的直径比硬币的直径稍大一点。

如果圆筒过小，硬币进入的阻力变大；如果圆筒过大，可能出现硬币侧立等现象。

硬币之间采用叠放式，从低到高依次存放。

■1�6 出币单元
出币单元采用了包括步进电机、矩阵键盘和液晶显示屏。

出币单元处于存储单元的底端，每一个出币单元有一个独立的步进电机。

通过矩阵键盘输入取币金额，控制单元利用穷举算法，以大面值硬币优先的方式出币。

控制单元控制相应存储单元的步进电机转动，将硬币推出。

采用28BYJ-48步进电机，通过控制电机转动圈数，实现了对出币数目的控制[9]。

由于单片机的管脚电压不足以驱动电机，本设计采用ULN2003模块驱动。

上面的硬币由于重力作用自动下落，进而实现下一次出币。

■1�7 通信单元
通信单元采用ATK_ESP8266 Wi-Fi模块。

ATK-ESP8266模块采用串口（LVTTL）与STM32单片机进行数据通信。

智能硬币储蓄罐设计
刘萍萍，崔煜，张华峰
（天津德致伦电子科技有限公司，天津，300387）
摘要：普通硬币储蓄罐只具备存储硬币的功能，提出一种智能硬币储蓄罐，能够对硬币自动分拣，分别存储，同时可以根据输入金额，自动出币。

智能硬币储蓄罐以STM32单片机为控制核心，包括LCD1602显示屏、矩阵键盘、电机、光电传感器、存储仓、Wi-Fi模块等模块组成。

实现了不同面值硬币的自动分类、计数与存取，罐内硬币数量的显示。

通过穷举算法，实现最优的出币方式。

提高了储蓄罐的智能化，具有一定的应用价值。

关键词：储蓄罐；单片机；硬币分拣；物联网
DOI:10.16589/11-3571/tn.2019.07.034
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模块内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与Wi-Fi之间的转换。

对ATK-ESP8266模块进行简单的串口配置，即可将Wi-Fi 模块连接到云平台。

通过Wi-Fi无线网络传输数据，实现智能终端（手机或平板）对储蓄罐的远程监控。

2 控制程序设计
智能储蓄罐的控制程序包括入币控制程序、出币控制程序、液晶屏显示程序和通信程序。

■2�1 入币控制程序
入币控制程序实现每个币种硬币的计数和硬币数量的显示。

经过硬币分拣单元后，硬币通过轨道分别进入三个不同的存储单元。

当硬币经过光电传感器时，光电传感器会形成一个脉冲信号，经过解调输出送入单片机控制单元。

每检测到一个硬币，相应币种的计数器加1。

液晶显示屏分别显示币种和每个币种的数量。

■2�2 出币控制程序
出币控制程序实现取币功能，包括矩阵键盘检测程序、电机控制程序和液晶显示程序。

出币控制程序的流程如图2
所示。

图2 出币控制程序流程图
用户通过矩阵键盘输入取币金额，当输入金额大于储蓄罐内总额时，认为金额非法，需要重新输入。

金额合法时，利用穷举算法，以大面值优先的原则，解算每个币种的数量；单片机控制单元控制相应币种底端的电机转动，将硬币推出，落入到出币仓。

1602显示屏上实时显示取出硬币数与剩余硬币数。

■2�3 显示程序
液晶显示程序的主要功能是显示三个币种及其各自的数量、储蓄罐内的总金额、取币金额、取币的数量。

设计中，主要用到液晶显示屏的写操作。

写操作包括写指令和写数据两种。

写指令主要实现液晶屏的显示模式设置、显示开关及光标设置。

写数据主要实现硬币币种和数量显示。

当系统开始运行时，STM32先向液晶显示屏依次发送0x38、0x3c、0x06、0x01，使液晶屏完成初始化。

再发送0x80或是0x80+0x40，规定字符的显示位置。

利用for循环实现多个字符的显示。

■2�4 通信程序
通信程序的主要功能是实现控制单元与智能储蓄罐的远程无线通信。

在无线网络中，包括手机、无线路由器和储蓄罐。

无线路由器是手机和储蓄罐之间的通信桥梁。

因此，为实现的远程控制，需要将储蓄罐的Wi-Fi模块和手机的WLAN连接到无线路由器。

首先，单片机对无线网络进行初始化，及等待手机的联网设置；其次，配置手机和Wi-Fi模块的无线网络连接，将路由器的名字和密钥发送给Wi-Fi模块，保证Wi-Fi模块连接到路由器，进而连接到云平台上，以实现网络化控制。

3 结论
本文设计一种基于STM32的智能储蓄罐，具有硬币的分类存储与按规定数量取出两种功能。

不同币种的硬币通过分拣单元和计数单元，进入不同的存储单元后，液晶屏显示不同币种的数量。

通过矩阵键盘的输入取币金额，智能储蓄罐可以实现自动出币。

可以通过手机APP远程查看储蓄罐内的硬币数量与总额，账单功能记录每一次入币或出币的时间和数量。

本设计融合嵌入式技术、传感器技术、物联网技术，实现了储蓄罐的智能化、人性化，具有一定的应用价值。

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90 | 电子制作 2019年04月。