电气控制与PLC自动售货机的控制设计.docx
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电气控制与PLC自动售货机的控制设计
电气控制技术
课程设计
题目:
自动售货机的控制设计
院系名称：
电气工程学院
专业班级：
电气F1201
学生姓名：
邹海宏
学号：
2
指导教师：
王艳芳
成绩：
指导老师签名：
日期：
电气控制与PLC课程设计任务书
学生姓名
邹海宏
专业班级
电气F1201
学号
2
题目
自动售货机的控制设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟课题
指导教师
王艳芳
主要内容
运用所学的理论知识，进行自动售货机运行原理设计、硬件、软件系统设计主要内容包括：
1.设计出硬件系统的接线图、梯形图等；
2.系统有启动、停止功能；
3.运用功能指令进行PLC控制程序设计；
4.进行系统调试，实现自动售货机的控制要求。
任务要求
第1天：
熟悉课程设计任务和要求，针对课题查阅技术资料。
第2天：
确立方案，初步选定各部分框图。
第3-4天：
电路控制原理设计，软件编程，进行系统联调。
第5天：
撰写课程设计报告。
主要参
考资料
[1]程宪平主编.机电传动与控制[M].武汉：
华中科技大学出版社，2003.
[2]邓星钟.机电传动控制[M].武汉：
华中科技大学出版社.
[3]王永华编.现代电气控制和PLC应用技术[M].北京：
北京航空航天出版社，2008
[4]殷洪义主编.可编程控制器选择设计与维护[M].北京：
机械工业出版社，2002
[5]程子华，PLC原理与实例分析[M].北京:
国防工业出版社，2006
[6]高钦和，可编程控制器应用技术和其设计实例[M].北京:
高等教育出版社，2004
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
1系统概述........................................................1
2方案论证........................................................2
2.1PLC系统控制介绍................................................2
2.2总体设计思路...................................................3
3硬件设计........................................................4
3.1系统的原理方框图...............................................4
3.2主电路.........................................................5
3.3I/O分配........................................................6
3.4I/O接线图......................................................6
3.5元器件选型.....................................................7
3.5.1PLC的选型....................................................8
3.5.2CD4511七段数码管译码器......................................9
4软件设计.......................................................10
4.1主流程........................................................10
4.2梯形图........................................................11
5系统调试.......................................................15
设计心得..........................................................16
参考文献..........................................................18
1系统概述
自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的机器。
自动售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。
是一种全新的商业零售形式，又被称为24小时营业的微型超市。
能分为三种：
饮料自动售货机、食品自动售货机、综合自动售货机。
自动售货机最基本的功能是对投入的货币进行运算，并根据所投入的货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反映。
本次设计的自动售货机设有6个按钮，分别可以实现启动、停止、选择三种饮料和退币六种操作，并且有3个投币孔，投入的钱的总额和剩余的钱的总额可以通过外接的两片LED数码管显示，同时可以根据消费者投入的总额限制可购买的商品，可以退回多余的钱币。
本次设计能很好的完成对自动售货机的控制，使用起来快速方便，可以满足使用者的需求。
可编程控制器（PLC）是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置；它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC得发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了他们的发展。
本次设计就在于结合PLC的种种优点联系实际情况来弥补原有系统的不足，利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证了自动售货机能够长期稳定的运行。
PLC控制的自动售货机系统主要有三个可以感受到投币量的传感器、六个按钮开关（分别为启动按钮、停止按钮、退币按钮、汽水选择按钮、花茶选择按钮和咖啡选择按钮）、三个指示灯（分别为汽水指示灯、花茶指示灯和咖啡指示灯）、和两个七段数码管。
传感器用来接收投币信号，传送投币量的多少；按钮开关分别对系统功能进行控制，当投入的钱币够某一种饮料时，按下这种饮料的选择按钮时才会有饮料送出，有剩余钱币时，还可以通过按下退币按钮来找回剩余钱币；三个指示灯分别用来只是哪种饮料可以选择，只有投币量大于或等于这种饮料的价格时，这种饮料的指示灯才会亮；同时，还有两个七段数码管，用于显示当前剩余的总钱币。
具体对自动售货机的控制要求如下：
1．自动售货机有3个投币孔，分别为1元、5元和10元。
2．售货共有3种饮料供选择，分别为汽水、花茶和咖啡。
3．如投币总额超过销售价格，将可由退币钮找回余额。
4．投币总额或当前值显示在7段数码管上。
5．投币值等于或大于12元时，汽水指示灯亮，表示只可选择汽水。
6．投币值等于或大于15元时，汽水和花茶指示灯亮，表示只可选择汽水和花茶。
7．投币值等于或大于20元时，汽水、花茶和咖啡指示灯亮，表示3种均可选择。
8．按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，3s后自动停止，表示饮料已经掉出。
9．动作停止后按退币钮，可以退回余额，退回金额如果大于10元，则先退10元再退1元，如果小于10元则直接退1元的。
2方案论证
2.1PLC控制系统介绍
PLC是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主，具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程的自动控制装置。
具有以下特点:
1）可靠性高，抗干扰能力强；无触点免配线，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应于各种恶劣的工业环境。
2）编程简单，容易掌握；采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似。
3）功能完善，灵活方便；不仅有开关量逻辑控制功能和步进、计数功能，还具有模拟量处理、温度、位置、通信等功能。
4）体积小，质量小，能耗低；采用大规模集成电路芯片构成。
图2.1PLC控制系统设计步骤流程图
2.2总体设计思路
自动售货机是可以完成无人自动售货的商业自动化设备。
他不受任何场地限制，方便快捷，在我国也越来越普和，传统的自动售货采用单片机作为控制核心，但这样在输入输出接口上消耗很大。
PLC不但可以实现类似控制功能，还具有高可靠性，编程简单，功能强，能耗低，调试方便等优点。
自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算，然后根据运算结果做出相应的判断，看看哪种商品可以进行购买，哪种商品不能购买，本次课程设计的要求是可识别三种钱币，分别是1元、5元、10元，采用三个按钮进行模拟，自动售货机共出售三种货物，其价格分别定为12元、15元、20元，当投币数大于等于货物价格时且售货机里有这种货物时，指示灯亮，表示可以进行购买，三种货物分别用三个小灯泡代替进行模拟。
除此之外，本次设计还涉和了了显示、找零、出货等功能的实现，其中显示部分采用数码管进行显示，显示投币总数和购买后的余额；当按下找零按钮后，数码管显示进行清零退币，且退币指示灯闪烁。
由于售货机的全部功能是在下位机上模拟的，而监控是用上位机组态王进行实时监控。
所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟替代的，这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟现实售货机的运行。
图2.1自动售货机的顺序功能图
3硬件设计
3.1系统原理方框图
自动售货机是售汽水、花茶和咖啡这三种饮料，它的售货过程是：
首先由顾客按下商品选择开关，然后顾客投入的硬币（投入硬币的面值和剩余值由PLC驱动数码管显示）经过光传感器感应，再由光传感器驱动硬币识别传感器识别硬币。
然后由顾客选择，同时PLC控制，使PLC的输出口上有相应的信号输出。
最后输出饮料。
自动售货机控制系统硬件组成原理方框图如图所示：
图3.1自动售货机控制系统硬件组成原理方框图
3.2主电路
图3.2自动售货机的主电路
3.3I/O分配
输入输出单元通常也叫I/O单元，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理的结果送给被控对象，以实现控制目的。
此次设计的PLC控制的自动售货机控制系统的I/O分配表如下：
表3.3自动售货机I/O分配表
输入
输出
输入点
功能
输出点
功能
X0
1元投币孔ST1
Y0
够买汽水指示灯
X1
5元投币孔ST2
Y1
够买花茶指示灯
X2
10元投币孔ST3
Y2
够买咖啡指示灯
X3
选择汽水SB1
Y3~Y9
数码管显示
X4
选择花茶SB2
Y10
送出汽水
X5
选择咖啡SB3
Y11
送出花茶
X6
退币
Y12
送出咖啡
X7
启动
Y13
退出10元
X8
停止
Y14
退出1元
3.4I/O接线图
根据要求，将输出均用指示灯代替，由此绘出PLC控制电路接线图，如图所示。
图3.4自动售货机I/O接线图
3.5元器件选型
自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算，然后根据运算结果做出相应的判断，看看哪种商品可以进行购买，哪种商品不能购买，本次课程设计的要求是可识别三种钱币，分别是1元、5元、10元，采用三个按钮进行模拟，自动售货机共出售3种货物，其价格分别定为12元、15元、20元，当投币数大于等于货物价格时，该种货物的指示灯亮，表示可以进行购买，3种货物分别用3个信号灯进行指示。
除此之外，本次设计还涉和了显示、找零等功能的实现，其中显示部分采用数码管进行显示，PLC的外围接口由两个CD4511连接两个数码显示管，以显示投币总数和购买后的余额；当按下找零按钮后，数码管显示进行清零。
整个系统由三个可以感受到投币量的传感器、六个按钮开关、三个指示灯、和两个七段数码管和两片CD4511组成。
图3.5.1PLC硬件结构图
3.5.1PLC的选型
PLC的硬件主要由中央处理器，存储器，输入单元，输出单元，通信接口，扩展接口，电源等几部分组成。
其中，CPU是PLC的核心；输入/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器，上位计算机等外部设备。
现在世界上PLC的生产厂家有200多家，提供400多个品种的PLC供用户选择，目前我国市场上主要的PLC产品有：
西门子公司的S7-400/300/200系列、施奈德公司的momentum等、还有就是日本的欧姆龙、三菱、松下等公司的产品。
西门子公司生产的PLC可靠性高，特别适用于大的工业控制系统，造价比较高，对于小型的自动售货机的控制系统来说成本过高。
相反，目前我国市场上主流的小型的三菱PLC就比较合适，三菱公司生产的小型PLC的代表为FX-2N系列的PLC、它具有丰富的内部资源：
程序存储器具有16K步的最大存储容量，128种应用指令，还具有184点8进制编号的输入点数，184点8进制编号的输出点数，普通型、掉电保持性和赋予特殊用途型三种内部继电器，以和状态寄存器、定时器、计数器、数据寄存器、常数与指针等功能与资源。
可靠性高、造价低，对于自动售货机的控制中心就特别的合适。
因此，本次设计采用的PLC为三菱公司生产的FX-2N系列单片机。
3.5.2CD4511七段数码管译码器
CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。
其引脚图，其各引脚功能如下：
LT：
做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。
当LT=1，则正常解码。
BI：
空白输入控制，当BI=0（LT为1时）则不论DCBA之输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。
LE：
数据栓锁致能控制；在CD4511中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。
当LE=0时（LT=1且BI=1），DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1时，则IC中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0时的DCBA数据供译码器译码。
换句话说当LE=1时，不论DCBA的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg仍保留原来在LE由0转为1以前的资料。
图3.5.2CD4511引脚图
4软件设计
4.1主流程
系统的总体结构流程图如下：
图4.1系统总体结构流程图
4.2梯形图
系统梯形图如下图所示：
5系统调试
首先接好系统的硬件电路，然后将梯形图下载到PLC中，再运行程序。
在整个程序的调试过程中，我遇到了一些问题，最初的设计比较简单，只是将投币，购买的过程考虑进去，而没有将投币后显示模块加进设计的方案中，后来在仔细阅读设计要求后，我又将显示模块加进设计的方案中，用了两个七段数码管和两个CD4511七段数码管译码器构成了PLC的外接显示部分，这样投入的总钱币和剩余的钱币数量就可以在数码管上显示出来。
在数码显示的过程中也遇到了一些问题，数码显示需要两片七段数码管，如果使PLC直接连接七段数码管的话，需要14个输出，输出接口过多，系统变得复杂化，在查找各方面的资料后，决定采用两片七段数码管译码器CD4511来驱动两片七段数码管，大大减少了输出点数，程序运行也简单得多，数码显示功能顺利实现。
在找零阶段，按下找零按钮后直接没有设计将数码显示清零功能，后来经过思考和仔细探讨整个系统，将找零部分又逐步进行了完善，将找零的过程在数码管上显示了出来，找零时只找两种钱币，即10元的和1元的，先找大面额的10元的钱币，后找小面额的1元的钱币，其内部进行减法运算，使得整个找零的过程清晰可见。
经过认真的调试，使整个系统能够按照要求完成各种工作，FX-2N系列PLC控制的自动售货机的设计工作也最终完成。
图5.1自动售货机调试图
设计心得
通过这一周的控制系统课程设计，可以说感受颇深啊！
在自己的努力下，最终完成FX-2N系列PLC控制自动售货机系统的设计。
本控制系统就是充分利用了PLC、接口电路芯片以和显示模块。
实现了对自动售货机的控制，达到了设计的目的。
这次设计的PLC控制自动售货机系统的主要内容包括设计出了硬件系统的接线图、梯形图等；并且系统具有启动、停止功能；运用功能指令进行PLC控制程序设计；还进行了系统调试，实现自动售货机的控制要求。
这设计中的酸甜艰辛与成功的喜悦并不能用言语去表达。
与其说完成这次课程设计，不如说学会关于PLC的一点点皮毛，因为在这一周的时间里，自己可以明显的感觉到认知的改变。
之前从PLC和工程组态的老师那了解一些关于工程上的应用，现在通过大家的课程设计题目上，可以发现PLC的确离我们的生活很近。
在设计中运用所学的理论知识，进行自动售货机运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。
综合运用了所学的知识，理论与实际相结合，提出并论证设计方案，然后进行软、硬件的设计、制作与调试，最后获得正确的结果。
加深了对所学理论知识的巩固，加强了建立PLC控制工业机械和生产过程系统的整体概念，初步掌握了PLC控制工业生产和社会生活的软、硬件开发方法，为以后进行实际的PLC软、硬件应用开发奠定了良好的基础。
与此同时，也加强了我们对问题的分析解决能力，为以后的毕业设计和毕业后的工作做了充分的准备。
作为一位电气工程和其自动化专业的学生，控制系统是我们的必修课，怎样使我们所控制变得更简便而又不影响控制效果，这是我们不论在工作还是在学习上都应该时刻注意的问题。
关于这个问题，在这次的课程设计中，自己是深有体会。
首先是分析课程设计要求，画出相应的流程图，这是所有设计都必须考虑，它的明确与否关系到后面的编程思路是否正确简便。
其次是在编程的过程中使用简便的语句，在这次课程设计的编程中，对于这点，我可伤透脑筋。
由于我在编程时是从单个模块开始的，所以导致之前设计好的各个组合在一起时就变得不那么的让人满意。
好在我有一颗好奇摸索的心，尝试去解决问题，只有这样才能最终从根本上解决所有的难题。
重要的不是结果而是在过程中学会了什么！
总体来说,这次课设我受益匪浅。
在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。
这次控制系统课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高。
同时,非常感谢老师的指导和同学们的帮助,我才能顺利完成这次的课程设计,谢谢大家!
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006.
[2]康华光.电子技术基础模拟部分.北京：
高等教育出版社，2008.
[3]冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术.北京：
清华大学出版，2007.
[4]朱玉玺，崔如春，邝小磊.计算机控制技术.北京：
电子工业出版社，2010.
[5]夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程protel99se.北京：
北京希望电子出版社，2002.
[6]常晓玲.电气控制系统与可编程控制器.北京：
机械工业出版社，2008.
[7]MicrosoftOfficeVisio2003SP3简体中文版.微软，2003
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