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超市自动找零机的设计与实现
贵阳六中 高三（3班） 陈乾阳 周立文
摘要:本研究主要从超市购物结账长时间排队等待现象中发现问题，我们在分析了造成超市结账排队时间长的原因及其带来的负面影响后，了解了目前生活中广泛存在的银行自动取款机、饮料自动销售机、地铁自动售票退币机等智能系统的工作原理，在此基础之上设计出了多个超市自动找零系统的参考模型。进而利用乐高部件进行模型的搭建，从中逐步筛选出最佳模型作为最终方案。通过乐高软件编写找零程序，并反复进行修改调试，实现了自动化快速找零功能。该装置简洁方便，易于推广，能够和目前各大超市收银系统无缝衔接，当收银电脑自动计算出找零金额后该系统就能够快速弹出对应钱币。因此，能在一定程度上缓解超市收银处的排队压力，减轻了收银员手动找零的工作负担，节约了消费者大量的排队等待时间，这样在缩短超市结账流程的基础上，减少成本并增加利润，还能消除由于人工操作带来的收银误差。
关键字：超市；找零机；设计；实现
一、问题的提出
超市买东西的经历相信大家都有，特别是去一些大型的超市，如沃尔玛、北京华联、星力等大型超市，买东西买得开心，但是结账时那长长的队伍却让人头疼，在节假日，这种情况更为严重。主要有以下几点问题：第一，每次进超市买东西都得花大量的时间排队付钱，既浪费时间又影响心情；第二，这些超市由于收银时拥挤于是不得不招聘更多的收银员，甚至开设更多的收银窗口，这样一来付出的成本明显的增加，并且排队现象依然严重；第三，收银员在大量的接触收银退币的这样一个过程，难免会出现错误，毕竟人不是机器，如此导致超市的损失。基于以上三点的分析，我们以超市为例设计出了自动找零机，适用于超市等类似的机构。
二、现状分析
在国内专门用于找零钱的装置在市面上已经有产品出现。由北京三银龙科贸有限公司和北京公交凯鸿科技有限责任公司共同引进开发的“可找零公交投币机”，全面的解决了公交车无法找零钱的大难题，填补了国内无人售票车自动投币无法实现找零的空白。另外还有很多单位都在研究该装置。2003年8月12日《楚天都市报》记者从武汉市知识产权局获悉，一种新型智能投币箱可以解决公交车无法找零的问题；该投币箱已申请国家专利其产品也即将面世。但是就目前的情况来看，在全国大部分主要城市都还没有用上该装置，零钱兑换和公交车找零问题仍然是困扰公交公司的大难题。而且超市零钱的兑换也一直是伤脑筋的问题。因此，一种快捷方便的找零方式在目前来说是很有必要的，也是很有市场潜力的。
三、模型方案的设计
针对本产品功能要求，我们先后设计出2套模型设计方案。第一套采用盘式托盘盛币台方案，主要依靠对角度的精确控制达到对钱币的识别、输出。对角度、电机精度、传感器精度要求较高。其中主要技术难点：托盘的稳定结构设计、转动电机的超精准控制、传送带的角度设计等问题现阶段我们难以解决。

第2套采用箱式盛币台，通过一纵、一横、一伸缩三电机，达到对输出钱币的控制，通过算法达到对电机的精确控制。相较第1套方案而言，第2套方案结构稳定性更高，工作时的稳定性和强度也同时增强，对电机的要求下降。

四、关键部件的设计
转币头的设计：采用橡胶轮作为转币机构。其特点是：摩擦较大抓附力较大。缺点是：工作时可能导致夹钞现象。为此我们设计了阻币板防止此发生，采用精确角度电机作为动力可与程序较好的配套，配以辅助的距离传感器将保证其工作稳定性。

龙门架的设计：考虑到龙门架须承重且须承受因电机转动而产生的反作用力，故采用双层梁支撑，配以三角结构以增强其稳定性。龙门架两末端分别装有水平位移主动轮，及水平位移从动轮，上方载有水平位移头，可由此结构产生水平位移，两端配有支撑结构。

水平位移头设计：采用框架受力结构以双拉环式连接杆为连接机构上方配有水平位移齿轮通过链条与水平位移主动轮连接（可方便的产生水平位移），下部因材料限制，现阶段只能使用双拉杆和双承重杆受力。

五、工作原理
当运算器接收到输出的指令时，开始运行程序，先控制转头水平控制到50区上方，然后进行运算:若(输出金额)/50所取整数后为N余数为M，则控制竖直位移电机使转头移动到距钱币一定距离处此时转动电机工作转动（N倍钱币长）/2（转动轮半径）度，然后使竖直位移电机工作，使转头上升到初位置；若N为0，则直接进行下面操作。水平位移电机控制转头水平位移X（50区中央到20区中央的距离），赋值N=M后再次进行上述运算，以此类推，直到判断N/0.1取整后为0运算结束，水平电机控制转头水平位移—Y（Y为初位置到0.1区中央的距离）。
六、模型制作
1 选取适合的乐高积木

2 搭建龙门架

3 搭建转币头

4 制作简易外壳

七、程序模块
编写的程序主要是利用了取整与取余运算算法，自动找零机自动算出找零的金额与数量。超市找零纸币是一定的，分为50元、20元、10元、5元、1元（1元以下类似原理），通过计算机输入数据找零X元后，自动找零机将对X进行算法处理同时输出N1张50+N2张20+……+N6张1元，从而实现找零功能。具体的算法如下：
找零X元
X/50
取整N1

取余M1
X/20
取整N2

取余M2
X/10
取整N3

取余M3
X/5
取整N4

取余M4
X/2
取整N5

取余M5
X/1
N6

下图是代码的实现：

八、创新点
①该装置简洁方便，易于推广，能够和目前各大超市收银系统无缝衔接，当收银电脑自动计算出找零金额后该系统就能够快速弹出对应钱币。
②能在一定程度上缓解超市收银处的排队压力，减轻了收银员手动找零的工作负担，节约了消费者大量的排队等待时间，这样在缩短超市结账流程的基础上，减少成本并增加利润。
③能消除由于人工操作带来的收银误差。
④制作工艺简洁，成本低廉，极易于普及推广。
九、未来展望
该装置除了适用于超市找零钱外，也适合推广应用于一些经常需要兑换零钱和找零钱的场合，例如公汽站零钱兑换点、公交车上等；该装置为这些场合提供了一种方便快捷的零钱兑换及找零方式，将为无人售票车的普及发挥重要作用。从整体上来看该系统不仅具有良好的稳定性，而且还有轻便、体积小、经济等优点。
科学技术是在不断的发展的，人类文明也在不断进步；我相信在将来的某个时候世界上的纸币将不复存在，取而带之的是电子或者其他方式的货币。但就目前人们的消费观念以及科学技术发展的程度来看，完全用取消纸币的流通是不可能实现的，而且这需要一个相当长的时间。在这一段时间内，研制出一种快捷方便的零钱兑换方式是有必要的。我相信这个产品最终会向着网络化方向发展。
科学的发展人类的进步都来源于人类的智慧，我们今天所做的一切都是为了能更好的为人类服务，给人们的生活创造更好的条件。只要是人们生活中所需求的就 一定有它存在的价值，所以我相信我所设计的这个系统在目前来说是有它的实用性的，尽管它最终会随着人类文明的进步而消失。
十、我们的收获与不足
本研究从起初问题的发现到最终系统的实现，历时半年多，整个过程中我们不断提出假设，验证假设，有过成功的欣喜，亦有过失败的落寞。在这样起伏不断研究过程中，我们感悟了科学的魅力，体会了探索的艰难不易和发现新机的欣喜若狂，深刻明白了正是因为先贤们的不断进取，一个又一个看似不可能突破的难题才能被不断攻克。这次研究也暴露出我们诸多的不足，例如不够坚持，原本的想法本来非常不错，但是由于不够坚持，迅速被其他因素左右产生若干个错误的想法，最后经过小组成员反复实验和尝试又回到最初的想法。总之，非常感谢学校给我们这样的一个舞台，我相信我们的人生将会因为拥有这样的经历而更加丰富多彩。

参考文献
[1] URL: http://www.bj-
[2] URL:
[3] 李也白,王福成. 智能卡应用系统. 北京：清华大学出版社.2000,9：
[4] 储茂祥，巩荣芬，吴庆洪.电子技术应用 ，一种纸币识别系统的设计，2004年第12期