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密级： 学号：本科生毕业论文（设计） 人民币清分机总体方案设计说明书系 别： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 12 级 机 设 本 班 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的设计（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要本设计主要针对目前城市公交公司、商贸和银行关于钱币的分类、清点、整理需求而设计。目前以上场合的钱币分类主要依赖于人工，人力成本高且效率低下。本机械设备的主要功能是对混杂在一起的各种纸币和硬币进行分类、清点、整理。本设计准确、实用。可部分或者全部替代人工，减少人力成本。本设计的创新点主要有：（1）功能齐全，可同时实现硬币和纸币的分类、清点、整理。（2）结构紧凑，该设计中各模块排列紧凑。（3）该设计过程采用模块化设计，较多采用成熟技术，开发周期短。可靠性高。本文运用大学所学的知识，提出了人民币清分机的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了人民币清分机的设计总的指导思想，从而得出了该人民币清分机的设计的优点是高效，经济。关键词：钱币；机械设备；钱币自动分类；经济 Abstract In todays society, bus as travel tools have become increasingly popular, both on the road in the city or in the Township Road, but bus cashbox too dull, serious impact on the special passengers coin, relative to those tall, due to the box of money is short, so the coin is not very convenient, likewise, for their shorter passengers, due to the fixed height of the bus fare boxes, passengers were much taller, equally convenient coin. So many problems of the traditional fixed bus box brings is a problem we must solve the current. And if we can equipped with a large number of bus intelligent cashbox in bus, those problems will be greatly avoided described above, to those special passengers a convenient and comfortable travel environment. The design of the intelligent bus cashbox, mainly through AT89S51 MCU control system intelligent cashbox automatic lifting control, can be through the height of the test sensor passenger to realize the intelligent bus cashbox according to passengers of the height of the lift, panel using high quality 304 stainless steel production, environmentally friendly, generous.Key word: The bus box is convenient; microcomputer control; lifting;目 录摘要IAbstractII1引言1 1.1课题的来源与研究的目的和意义1 1.2发展状况2 1.3本课题研究的内容22单片机控制系统概述2 2.1 单片机的作用和功能2 2.2 单片机的应用场合 3 2.3 人民币清分机硬件系统总体框图的设计43人民币清分机自动升降装置的方案设计5 3.1人民币清分机的工作原理5 3.2钱箱自动升降和闭合的行程的确定64人民币清分机总体结构的设计8 4.1机械传动部分的设计计算9 4.1.1气缸缸筒设计与计算11 4.1.2缸底厚度的计算13 4.1.3缸筒发生完全塑性变形的压力计算15 4.1.4缸筒径向变形计算16 4.2直线轴承的设计计算175人民币清分机单片机控制系统软件部分的设计18 5.1主程序流程图的确定19结论21致谢22参考文献23 1 绪论1.1 课题的来源与研究的目的和意义 公交车是人们重要的交通运输工具，无论是载人载物，旅行观光，或者是外出代步等等场合都要用到，在人们的日常生活中，无处不见公交车的踪影。随着公交车数量的增加以及人民币清分机的不断创新，智能钱箱的开发和设计迫在眉睫，从而使得制造人民币清分机的生产企业具有良好的发展前景。人民币清分机的加工工艺的变化随着人民币清分机制造材料，制造工艺的变化而变化，随着人们生活水平的提高提出了更高的要求，本文针对人民币清分机的结构设计这一课题，提出了对这一事件的看法，并阐述了人民币清分机的结构组成和工作过程，本课题的提出，适应了当代国际品牌进入国内市场后生产的需要，满足人民币清分机的不断发展和创新的需求。随着科技和社会的发展和进步，各种各样的智能钱箱将会陆续出现在公路上面，与此同时，智能钱箱的更新换代也越来越频繁，通过外形结构，制造工艺以及人性使用等等方面不断地为乘客提供着更优越的使用环境，人民币清分机的发展前景如何，将直接影响着人们生活，起居，乘车旅行等等多方面，我国正在加强对这种现状的重视程度，对人民币清分机的更新换代提出了更多的要求。 随着国际标准化（SIO）的实施，世界纸币整理机构以采用新材料、新技术、新工艺、新结构为基础，着眼于产品零部件的标准化、系列化、规格化、通用化和专业化以及大批量生产。根据互换性、模数制、公差与配合的原理，使得组合、多变、拆装的纸币整理机构已经进入全面系统设计的阶段，其功能与形式的结合更为完美。 19世纪80年代，美国的HUGER公司将新开发的纸币整理机构应用到该公司的子公司-一个生产纸币整理机构的机械公司，经过几年的运行，为该公司创造了不菲的利润。随着技术的发展，能源危机引发全球性的节约能源和环境保护意识的提高，在总结第一代纸币整理机构的经验基础上，开发出了性能更佳，夹持直径更大的纸币整理机构。当前，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行纸币整理机构的研发工作。现在国外等著名纸币整理机构的品牌中，都有纸币整理机构的销售，全世界纸币整理机构的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，纸币整理机构的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此纸币整理机构是当今纸币整理装置生产加工企业比配的设备已经成为主要趋势。西方资本主义国家有巨大的纸币整理机构销售市场，机械人工业是西方资本主义国家的机械工业之一。 目前国外特别是美国正在考虑发展纸币整理机构的功率最大化，产能最优化的问题。自“九五”期间纸币整理机构的开发和研制已经被列入美国的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合美国机械工业发展的纸币整理机构。 我国从1953年开始生产纸币整理机构，于1958年自行设计制造整理半径在50、70、90、120、500型等纸币的纸币整理机构之后，为了适应纸币生产厂家的需要，1959年又制造了500、1000、1200型等大直径的纸币整理机构。 为了满足纸币生产工业发展需要，我国于1970年研制了大型纸币整理机构。也曾设计制造顶部单缸900液压纸币整理机构，并装有自动调整料口与过棒报警装置，经过多年实践摸索，于80年代研制1200/140轻液压纸币整理机构，经运转实践证明效果很好。近几年又研制出PX1400/170纸币整理机构，其设计能力为1750th/，实际达到2508th/，是设计值的1.6倍。 目前纸币整理机构将逐渐被全自动纸币整理机构所代替。纸币整理机构是1953年开始仿苏2100和1“O弹簧纸币整理机构而设计。1954年开始自行设计生产了1200纸币整理机构。1958年又设计制造了大型2200纸币整理机构。70年代已研制出1200，1650，2200多缸液压纸币整理机构的系列产品。后经多年反复研制与实践，相继克服了旧系统不足，零件强度低以及结构上的某些缺点，现己批量生产的新系列纸币整理机构有600，900，1200，1750，2200五个规格十四种类型，然而我国机械人业所需的纸币整理机构全部依赖进口，这使得国产机械人配备纸币整理机构后，成本增加很大，而装备自行开发生产纸币整理机构，其成本提高不大，说明纸币整理机构的市场前景令人乐观。 纸币整理机构是一种对各种面值的纸币进行自动分类、整理的机械设备，主要用在银行的纸币的分类和清点方面。通过设计出纸币整理机构，使银行对于散钞的处理更加方便，以解决目前的社会纸币面值逐渐增加循环量，以及钱币的清点、分类不便的问题。通过市场上的产品的调查，现有的纸币分选机构不具有包装的功能。当今社会，机械工业是一个国家的支柱产业，机械工业的发展每分每秒都在影响着国家经济的发展，人类社会文明的进步与机械制造的发展密不可分。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对人民币清分机进行改良和优化是当务之急。有大型人民币清分机生产设备企业对设备的安全指标的有着一定生产的严格要求。国内人民币清分机设备的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。人民币清分机的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。 本次设计是关于人民币清分机总体方案的设计，通过对传统的人民币清分机结构进行了改进和优化，使得此种类型的人民币清分机结构的使用范围更广泛，更加灵活，而且对以后我们要设计的东西有很大的帮助。2 1.2 发展状况人民币清分机的应用在外国更加普及，2001年，美国制造的高科技人民币清分机，从板材的加工开始到加工装配完毕都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。人民币清分机还能进行自动升降，投币口自动开关等特征。德国SMOART公司在传统的人民币清分机的基础上通过安装位置感应器和光纤传感器来感应人体的性格特征，开发出具有改变自身颜色的多功能智能钱箱。随着科学技术的发展、制造技术的进步和人类生活水平的提高，以及社会对产品质量和品种的多样化的要求趋势日益增强。公交车作为人们常用的日常交通工具，变得越来越普及，所以对人民币清分机的智能化程度的要求也越来越高，随着科技的发展，未来几年里，公交车上面能提供不同身高需求，能迅速升降、开合的人民币清分机，并大幅度地降低维护和生产的成本，同时还要求具有智能功能，以适应未来社会主义发展的需要。1.3 本课题研究的内容 本次课题的内容是人民币清分机的设计，以单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、超声波传感器等组成不同的检测电路，实现通过传感器测试乘客的高度从而通过单片机控制系统控制智能钱箱的升降，设计的具体过程如下： （1）查阅相关资料，了解人民币清分机控制系统的结构原理。 （2）确定人民币清分机的设计方案。 （3）CAD总装图，零件图以及程序流程图的绘制，电路图的绘制。 （4）编写设计说明书。2 单片机控制系统概述2.1 单片机的作用和功能随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，AT89C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS51系列中的AT89C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与AT89C51单片机兼容的基础上改善了AT89C51的许多特性。这样，AT89C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为AT89C51系列。AT89C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，AT89C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。STC89C51RC系列单片机是宏晶科技出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器和6时钟/机器可选，HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。89C51与89C51的区别在于51的程序空间为4K字节，而51程序空间为8K字节，其余性能与结构相同。本论文以89C51RC系列来讲述。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。由于单片机体积小，使用方便的特点，被应用在智能仪器上，再结合其他的传感器之类的，可以实现对温度、湿度等精密量的测量，功能十分的强大。同样由于单片机的体积小、环境适应能力强和使用方便等方面的优点，单片机也被普遍应用于工业控制上，比如多种多样的通讯系统以及机器人等方面。此外，由于单片机的适应能力很强，所以在我们常用的手机、电脑等物品上应用十分广泛。还有，医院的医疗设备如呼吸机等也有单片机的广泛应用。还有就是汽车系统、物流系统、电力系统、通讯系统等都广泛应用单片机。其中，单片机的结构图如图2-1所示： 图2-1 单片机的结构图2.2 单片机的应用场合由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。单片机应用的主要领域有：1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。2）办公自动化设备：现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。 4）工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。5）智能化仪表：采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。2.3 人民币清分机硬件系统总体框图的设计本次设计的人民币清分机以AT89C51为核心，将其作为主控芯片来处理各个模块的运营，其系统硬件总框图如图2-3所示：图2-3 硬件总框图3 人民币清分机自动升降装置的方案设计3.1人民币清分机的工作原理此次设计的人民币清分机，可以通过传感器测试乘客的高度从而反馈信号给中控系统，通过电磁阀来控制汽缸的活塞杆的升降从而来实现该人民币清分机的根据乘客的身高而升降，其具体结构原理图如下图3-1所示： 图3-1 结构原理图3.2钱箱自动升降和闭合的行程的确定本次设计的人民币清分机，是通过电磁阀来控制汽缸的活塞杆的升降从而来实现该人民币清分机的升降，其升降行程和汽缸的行程有直接关系。假设智能钱箱的初始状态为L，那么人民币清分机的最终状态为L1，那么该人民币清分机的升降行程为L2=L1-L=300-74=226mm。具体的示意图3-2如下图所示: 图3-2 行程示意图4 人民币清分机总体结构的设计4.1 机械传动部分的设计计算4.1.1气缸缸筒设计与计算端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将活塞杆（柱塞）腔封闭，并起着为活塞杆导向、密封和防尘之作用。后端盖即缸底一端封闭，通常起着将气缸与其他机件的作用。 缸筒与端盖的联接方式有很多种，通过查找相关资料可以看出来。缸筒的计算：由参考文献9，根据系统工况可知： ，圆整后，取D=80mm(气压传动）。在初步确定缸筒内径D后，下一步的工作是确定气缸的壁厚。当气缸为薄壁气缸（ ）,d 可按下式计算： 式中 Pmax-气缸最高（或设计或额定）工作压力， ； D -气缸筒内径（活塞外径），单位-缸筒材料的许用应力，单位。 对于脆性材料，许用应可表示为式中b -材料的抗拉强度或断裂强度； nb -安全系数，通常可取n=5， = 因为=所以=查表取壁厚为7.5mmd（根据参考文献9表3-4）s= 通过上述计算，可得气缸缸筒外径D1为95mm。 缸筒的零件图如下图4-1所示： 图4-1 缸筒零件图缸筒壁厚的验算 计算求得缸筒壁厚值后，还应进行以下4个方面的验算，以保证气缸安全可靠的工作。 （1）气缸的额定工作压力平Pn 应低于一定的极限值，以保证工作安全，即( =式中 D1,D-气缸外径和内径，单位为m或cm； s -缸筒材料的屈服强度，单位为。 = （2）为了避免缸筒工作时发生塑性变形，气缸的额定工作压力应与塑性变形压力有一定的比例关系： 符合条件缸筒的径向变形量 值应该在允许范围内，而不能超过密封件允许的范围：=0.46mm为确保气缸安全的使用，缸筒的爆裂压力应大于耐压试验压力 =缸筒壁厚符合条件。4.1.2缸底厚度的计算 平形无油孔：; 平形有油孔： d0 油口直径(mm)；4.1.3缸筒发生完全塑性变形的压力计算 缸筒发生完全塑性变形的压力计算公式为：式中：Ppl缸筒发生完全塑性变形的压力；s缸体材料的屈服强度。对于45钢正火处理，s340Mpa；D1缸体外径4.1.4缸筒径向变形计算 缸筒径向变形的计算公式为：式中：D缸体材料在试验压力下的变形量；E 缸体材料弹性模数；对于钢材E2.1105Mpa； 缸体材料的泊松系数；对于钢材0.3；4.2直线轴承的设计计算 为了要智能钱箱保证平稳，需要有导向装置，这里就需要设计导向光杆和直线轴承配合智能钱箱升降。1直线轴承的选择 用于测试的POM工程塑料支架；钢架适用于工作温度；不锈钢轴承适用于水，蒸汽，硝酸等腐蚀性介质和真空的工作场所，按下列公式确定型轴承的计算。硬度：硬度系数FH HRC58的硬度，hrc52-58，FH = 0.6-1.0 FH = 1。FT的温度系数：工作温度小于100C，FT = 1，温度100oc-125oc，FT = 1.0-0.95。接触系数FC：每根轴装一套轴承，FC=1.0；每根轴装二套轴承，FC=0.81；每根轴装三套轴承，FC=0.72；每根轴装四套轴承，FC=0.66；载荷系数FW：小于15米/分钟的速度，无冲击，无振动，FW = 1.0-1.5；小于60米/分钟的速度，超调量小或振荡，FW = 1.52.0；运行速度大于60米/分钟，或有更大的冲击，振动，FW = 2.05.0。时间是生命的LH =（100001）/ 2 * L（S * N1 * 60）（单位：小时小时）L：长度寿命 (万米)；LS：工作行程 (米)；N1：每分钟往复次数； 已知行程L=0.2米，工作温度60oC，每分钟往复次数n1=20，微小冲击，轴承工作载荷PC=200Kg，硬度大于HRC60，期望寿命Lh=5000小时，试选择轴承型号。 按以上工作条件：根据本次载荷重量为1000N，我们选用两个导向光杆加上丝杆螺母，这样滑动轴承的所受负载就平均分配，上下六个滑动轴承分别连接底板和连接上固定圆盘，两边轴承座为固定式的，中间六个为可以随着丝杆螺母上下滑动。六个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为166N。直线法兰、直线导杆的产品图纸如下图4-2、4-3所示：图4-2 直线法兰产品图图4-3 直线导杆产品图5 人民币清分机单片机控制系统软件部分的设计5.1主程序流程图的确定 该人民币清分机主程序流程图如下图5-1所示： 图5-1 主程序流程图结 论本次设计的题目是人民币清分机的设计，通过本次设计，使我们充分把握的设计方法和步骤以及如何用单片机控制系统进行机械电气的设计，通过查找相关资料，我系统熟悉了PLC控制系统和单片机控制系统，后来发现，单片机系统有占地面积小，控制方便，电路简单等PLC系统不具备的优点，所有选择采用AT89S51型单片机控制系统作为该人民币清分机的控制系统。毕业设计总算要完成了，我不仅系统地复习了所学的知识，而且还获得新的经验与启示，每当遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不容易，需要有不断钻研，积极进取的精神，以后我会更加努力，争取做到更好。