Münzzähl- Und Sortiermaschine Für Euromünzen Prototyp

Vorab:

Dieses Projekt wurde im Rahmen der Technikerschule als Micro-Projekt umgesetzt. Aufgabe war es in einem halben Jahr eine Münzzähl- und Sortiermaschine für Euromünzen entwickeln und umzusetzen. Die Dokumentation die hier auch mit eingearbeitet ist, war also eher für Schulische Zwecke gedacht. Das Projekt war zwar soweit fertig, funktionieren tut die Sortieranlage aber so nicht! Dazu aber im weiteren. Ich wollte jedoch die Erfahrung und investierte Arbeit nicht auf dem Schulserver verrotten lassen sondern mit euch teilen, vielleicht hat ja jemand Lust die begonnene Arbeit zu Ende zu führen.

Die Münzzählmaschine soll den Betrag der Euromünzen in drei Schritten berechnen:

1. Die Münzen werden der Größe nach sortiert.

2. Die Münzen werden von einem Sensor erfasst.

3. Ein Microcontroller verarbeitet die Daten und ermittelt die Gesamtsumme.

Als grundlegende Vorlage wurde eine Zählmaschine vom Youtuber „Fraens“ verwendet: 3D Printed Coin Sorting Machine with Arduino/ 280 coins per minute / Download all files https://www.youtube.com/watch?v=sQj0ageWvSU Das Vorbild soll dahingehend angepasst werden, dass alle Euromünzen gezählt werden können. Um das Geld zu separieren, wird ein rotierendes Rad mit Ausschnitten verwendet. In diese legen sich die Münzen rein und werden über die verschieden großen Ausschnitte ihrem Durchmesser nach sortiert. Die Schwerkraft löst die Münzen aus dem Rad und lässt sie in einen Auffangbehälter fallen. Dort werden sie gesammelt und können nach der Zählung entnommen werden.

Durch die Vereinzelung über das Rad kann jeweils nur eine Münze den Sensor passieren. Dadurch genügt ein binärer Sensor, welcher ein Low- oder High-Signal ausgibt. Um den Microcontroller zu entlasten, fiel die Wahl auf fertig konzipierte Platinen, welche ein sauberes Rechtecksignal liefern.

Microcontroller:

Es wurde sich für einen ESP32 im Development-Kit entschieden. Der Chip hat eine vergleichsweise hohe Taktrate, welche besonders für das hochauflösende Display benötigt wird. Der ESP32 lässt sich über die Arduino-IDE programmieren, das Development-Kit generiert dabei alle nötigen Signale, welche für den Stand-Alone Betrieb des Boards nötig sind.

Spannungsversorgung:

Ein 12V Steckernetzteil versorgt über einen Hohlstecker die Maschine mit Energie. Die 5V Spannungsversorgung wird über einen einstellbaren Spannungsregler vom Typ LM2596 realisiert.

Detektion der Münzen:

Hall-Sensor

Zunächst fiel die Wahl auf einen Hall-Sensor. Auf der gegenüberliegenden Seite sollten dabei Permanentmagnete angebracht werden, bei einer durchfallenden Münze wird das Magnetfeld gestört. Diese Störung wird vom Microcontroller detektiert und verarbeitet. Verworfen wurde diese Idee, da die 1-, 2-, und 5-Cent Münzen aus magnetischem Stahl mit einer Kupferummantelung bestehen. Die Münzen hätten dann unter Umständen an dem Permanentmagneten gehaftet. Ein Vorteil dieser Technologie ist die Lichtunempfindlichkeit.

Infrarot-Sensor:

Der Infrarot-Sensor besteht aus einer LED, welche eine, für das menschliche Auge unsichtbare Strahlung aussendet. Eine Fotodiode detektiert dann diese Strahlung. Fällt nun eine Münze durch dieses konstante Lichtfeld wird es gestört und die Änderung detektiert. Es wurde sich für das TCRT5000 Modul entschieden. Bestehend aus Infrarot Detektor, einstellbarem Schwellwertschalter und Digitalausgang ist es hervorragend geeignet, um am ESP32 zu arbeiten.

Antrieb

Das Rad wird über einen 12V Getriebemotor angetrieben (18 RPM). Ein direkt angeflanschtes Schneckengetriebe sorgt hierbei für die nötige Untersetzung und erhöht das Drehmoment auf das notwendige Maß. Die Ansteuerung erfolgt über einen MOSFET vom Typ IRFZ44N, welcher vom ESP32 mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird.

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Die Wahl fiel hierbei auf ein 6,2 Zoll großes, mit 480x320 Pixeln auflösendes LC-Display. Angezeigt wird eine Tabelle mit den gezählten Münzen, der jeweiligen Summe und einer Gesamtsumme.

Steuerung

Über einen Taster und einen Schalter lässt sich die Maschine steuern. Der Schalter schaltet die Spannung ein. Leuchtet er Rot ist die Spannung eingeschaltet. Der Taster steuert den Microcontroller. Die eingebaute LED zeigt dabei verschiedene Zustände an. Ein kurzes Drücken startet den Zählvorgang. Zweimal kurzes Drücken stoppt den Motor. Ein langes Drücken stoppt den Motor und setzt den Zähler zurück.

Zusammengefasst:

1. 8 Stück TCRT5000 IR Lichtschranke
2. Stift-und Buchsenleisten
3. JST-XH Buchsen
4. ESP32 WROOM 32 (38Pin)
5. TFT Display LCD 480x320 3.5"
6. IRFZ44N Mosfet
7. LM2596 Step Down Module
8. Einbaubuchse für Holstecker DC M8(außen 5,6mm/innen 2,1mm)
9. 12mm Drucktaster mit LED rot
10. 12mm Druckschalter mit LED rot
11. 12V Getriebemotor 18 RPM (JGY370)
12. Axiallager AXK6590 (65mm innen / 90mm außen)
13. M3 Einschmelzgewinde
14. 4 Stück 11 mm M3 Messing-Distanzbuchsen

Das Projekt umfasst viele 3D-Druck-Arbeiten. Das größte Bauteil ist der "Sensortrichter" – überprüft am besten, ob dieses überhaupt auf euren Drucker passt. Alles wurde in Autodesk Fusion 360 designt. Anbei findet ihr die Dateien zur Weiterentwicklung sowie die fertigen ".stl"-Dateien.

Die Bodenplatte, Grundplatte mit Sieb sowie der Münzzähler-Deckel wurden an der CNC-Fräse aus Holz geschnitten und anschließend schwarz lackiert.

In die Tasche auf der Grundplatte mit Münzsieb wurde das Axiallager AXK6590 (65 mm innen / 90 mm außen) eingelassen, sodass das Münzzählrad darauf laufen konnte. Die vier dahinterliegenden Löcher dienen einerseits dazu, das Lager bei Bedarf ausdrücken zu können, und andererseits wurden vier M4-Madenschrauben hineingeschraubt. Dadurch konnte der Abstand zum Rad verstellt werden.

Die Platine auf den Bildern ist noch die erste Version. Die neue wurde überarbeitet aber noch nicht getestet.

Die Platine wurde in KICAD erstellt. Leider gibt es nicht die Möglichkeit hier "ZIP."-Datein anzuhängen daher schreibt mir bitte einfach wenn ihr die KICAD Datei benötigt.

Benötigte Librarys:

TFT_eSPI by Bodmer (In dieser Library muss noch das richtige Display Konfiguriert werden)

OneButton by Matthias Hertel

Aus Dokumentation:

Das gesetzte Ziel wurde zum Teil erreicht. Das Separieren der Münzen funktioniert gut. Die Zählung der Münzen ist teils fehlerhaft. Der Terminplan wurde eingehalten und das Projekt pünktlich dem Auftraggeber vorgestellt. Das Budget wurde nach Absprache mit dem Auftraggeber auf 70€ erhöht. Auch nach der Erhöhung wurde es trotzdem noch überschritten, sodass sich die Gesamtkosten auf 73,34€ summieren.

Die IR-Sensoren haben sich als extrem lichtempfindlich herausgestellt. Wenn die Sensoren zu unsensibel eingestellt waren, erkannten sie die Münzen schnell gar nicht mehr. Waren sie hingegen sensibel genug, zählten sie im Tageslicht unkontrolliert hoch. Der YouTuber „Fraens“ hat im Gegensatz zu uns den Analogausgang des Sensors weiterverarbeitet und diese Daten dann im Arduino genutzt (siehe oben genanntes Video). Vielleicht ist das auch der Schlüssel zum Erfolg.

Wenn ich das Projekt noch einmal angehen würde, würde ich folgende Dinge anders lösen:

1. Den Mitnehmer des Münzzählrades, also den Übergang von der Motorwelle zum Kunststoff, ändern. Wenn sich eine Münze verkeilt, dreht die Welle durch, und man muss das gesamte Rad neu drucken.
2. Die Sensoren gegen Hall-Sensoren tauschen (zumindest bei den Münzen, die nicht magnetisch sind).
3. Die Transistorschaltung des Motors überarbeiten und eine Freilaufdiode ergänzen.
4. Die Münzbehälter vervollständigen und so überarbeiten, dass sie an ihrem jeweiligen Münzfach einrasten können, sodass sie nicht herausfallen.