华中科技大学plc自动售货机毕业设计Word文档格式.docx

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1绪论

1.1自动售货机的研究背景及意义

由于资本主义国家很早就完成了工业革命，售货机最先出现在资本主义社会。

当时美国工业水平不及英国，但是还是有一定量的自动售货机，基本是出售糖果类小物品。

而英国当时已经可以运用售货机贩卖杂货，从日用生活用品香烟、食品等到文化商品唱片。

随着时间推移，通过自动售货机贩卖物品这种方式被周围各国借鉴，他们也相继研究和生产自己的自动售货机。

从20世纪80年代以来，自动售货机作为一种很新颖的售货方式，在欧美、日本等发达国家基本上已经普及。

尤其在日本，除了鸡蛋、米饭不能贩卖，自动售货机几乎可供销售各种生活用品。

与商店工作人员售货比较，尽管种类不及店铺齐全，但它有自己的有优势。

它可以实现24小时无人售货，售货方便，节省人工和成本。

目前，大多数自动售货机的价格仍然非常贵，全世界在工作的自动售货机也只有两千万左右，其中日本就占了大部分。

中国在方面起步较晚，只是在繁华城市偶尔可以看见自动售货机。

近些年，自动售货机在我国的大中城市发展得相当快，尤其是在一线城市，在大学校园、食堂、车站、小区这些地方都可以看到自动售货机。

现代生活的节奏越来越快，忙碌的工作使得人们很少有机会去超市购物，倘若可以在居民小区里设置一些自动售货机，这无疑可以缓解上班族的购物压力。

虽然它的价格目前仍然昂贵，但是随着经济发展，它会普及的。

自动售货机不仅丰富了人们的购物方式，更是给消费者提供了方便。

它的使用可以节省社会能源和人力资源，符合节约型社会发展要求。

1.2研究自动售货机的目的

自上世纪70年代以来,自动售货机在全球得到了飞快的发展并成为一个新兴的产业，在生活中不断普及,也逐渐被应用于其他的领域。

随着中国经济的快速发展、行业运作方式需要改革。

我国是人口大国，有着大量生产、大量消费的社会环境。

传统的去店铺、百货、超市等地方购物已经无法充分满足人们的需求，人们需要更多的购物渠道。

自动售货机不仅可以提供一个购物平台，也给消费者带来了方便。

这种购物方式深受人们喜欢。

尽管现在中国拥有的自动售货机数量还不算很多，但是我国人口多、零售业的

发展相当快，自动售货机行业的发展前景还是很好。

1.3本设计研究的内容

对自动售货机进行设计，可以从硬件和软件两大部分着手：

（1）根据售货机实现的功能，确定出货方式，选择继电器、电机等。

（2）选择货币识别器：

包括纸币和硬币。

（3）通过I/O分配以及程序所需的存储容量来确定PLC的型号，做出硬件连接图。

（4）掌握所选型号PLC的有关指令功能，在“GXDeveloper”中编写合理的程序。

（5）学习掌握触摸屏的原理及应用，完成控制系统的模拟仿真。

2自动售货机的功能分析

2.1自动售货机主控单元的确定

对自动售货机实现售货功能，需要一个合适的主控单元。

可以满足需求的元件有很多，但最适合的需要通过功能、价格、可靠性等各方面进行比较才可以确定。

2.1.1PLC的部分功能

PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。

因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。

PLC的硬件系统主要有主机、输入/输出扩展单元、外部设备组成，各部分之间通过总线连接。

其中主机由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出电路、外部设备接口、电源几大部分组成。

中央处理单元是PLC的核心部件，它的功能是：

（1）接受、存储用户通过变编程器等输入设备输入的程序和数据。

（2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存储区

（3）利用错误校验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误。

（4）执行用户程序，完成各种数据处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志的状态位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应内的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。

（5）响应各种外围设备的要求。

存储器是PLC的另一主要部分，存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。

根据存储器在在系统中的作用，可将其分为系统存储器和用户存储器。

系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他关，管理程序。

系统程序直接影响着PLC的整机性能。

系统程序需要永久保存在PLC中，不能因关机、停电或其它部分出现故障而改变其内容。

因此，系统程序需固化在只读存储器ROM中，作为PLC的一部分提供给用户，用户无法改变系统程序的内容。

用户数据存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，用户存储器游客分成用户程序存储器和用户数据存储器。

用户程序存储器用来存储用户编写的程序，用户数据存储器用来存储控制过程成中不断改变的信息，如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。

输入模块用来接受和采集输入信号，输入信号有两类：

一类是按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；

另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器变送来的连续变化的模拟量输入信号。

输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成CPU能识别的数字信号。

输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯数字显示器和报警装置等。

2.1.2确定自动售货机的主控单元为PLC

很多元件可以实现对自动售货机的控制。

生活中我们对设备控制用的大多是继电器，但它在这里会显得很笨重、控制柜接线过于复杂。

主控结构有许多，单片机也可以实现控制，价格也不贵，但在电压不稳的情况下，单片机就很有可能被损坏。

因此价格仅仅是方案选择时需要考虑的一个因素，可靠性往往也是选择时需要考虑的。

为了实现经济效益的最大化，企业都希望设计过程花费的时间少、生产周期越短越好，最理想的情况是一边设计、一边改造、一边生产。

这个社会发展太快，产品更新换代的速度已是你不能想象的，所以在生产过程中需要不断改造工艺。

为了给企业提高经济效益，实现利益最大化，企业都要求不改动现有生产设备和外部接线，只需更改程序，花最少时间完成改造并投入生产。

传统的继电器或半导体都满足不了，继电器控制柜里的接线相当复杂，出现了错误很难被发现，费时费力。

而PLC的最大有点就是在软件上做文章，不需要更改接线，只需根据新的工艺要求编写合适程序（梯形图），这不仅节省了劳动力，而且加快了产品的改造和能上市的进度。

这种控制方式简单、经济、灵活、给企业带来了活力，同时大大提高了经济效益，可以说是达到了事半功倍的要求。

我们都知道，我国70%左右的生产机械设备依然是采用传统的继电器控制，不仅可靠性差，设计程序和接线也是相当复杂。

在方案的确定到技术设计以及操作实施这个过程中，由于工作量很大，直接造成设计周期很长。

而采用PLC控制，通常不会去画图，只需完成对应的程序的编写，发现调试无误、合理，就可以保存在相应的存储器中。

当生产需要时，很快就可以调出使用。

这不仅方便、简单又节省时间。

在当下科技成果飞快发展的今天，市场经济的竞争就是花最小的投入来获取最大的回报。

具有相同功能的售货机可以采用不同的控制方法。

实现无人售货，自动售货机作为一种独立设备，不仅要求它的结构可靠、同时也要有很高的稳定性和执行效率。

如果采用液压系统控制，由于液压系统控制的技术要求更高，它对阀体和设备的组装也有很高的要求，非常不经济，同时反应速度比较缓慢，效果不是很好；

电力机械在生活中很常用，由于它的体积较大，而自动售货机的空间有限。

如果使用它来控制，自动售货机的有用价值空间得不到充分利用，同时也会造成动力资源的浪费；

使用单片机控制，在输入、输出接口上要做的工作量太大，过于复杂，同时抗干扰能力差，不稳定，这也不合理。

对比起来，PLC具有“可靠性高、编程简单、维护方便”等优点，同时价格不贵，优势明显。

可以满足需求的元件有很多，但最适合的需要通过功能、价格、可靠性等各方面进行比较才可以确定。

通过对比，选择PLC。

2.2自动售货机的售货方法

自动售货机常用的售货方法有三种。

一种是使用“机械手推货型”售货机，主要是通过“机械手推货”装置对货道上的商品行售卖。

售货动作是由灵敏度很高的传感器来进行控制，从而实现售货过程的高效、精确和自动化。

另一种是弹簧出货型售货机，主要是依靠货道上弹簧的旋转来出货，这是生活中常见的商品输出方式。

这种方式出货准确，也非常好操作，容易实现，一般是在商品尺寸与出货弹簧直径可以匹配的情况下使用。

第三种是“升降台出货型”售货机，它可以结合弹簧或者“机械手”一起组合使用，是一种辅助出货系统，是为了减小商品出货时的损伤，可以实现贩卖容易碎的商品。

本次设计的售货机采用的是双螺旋体出货装置，采用这种结构，可以使人清楚地了解每个货道上的货物情况，这样便于顾客选择货物；

在货物不足的情况下，工作人员可以及时发现并补足货物,这样在编写程序时不需要设置“无货报警”。

这种机构的组成有：

驱动电机、减速器、螺旋体挂轮、螺旋体、货道。

两个螺旋体通过一对齿轮进行啮合，其中一个按顺时针旋转，那么另一个就按逆时针旋转。

货物是分布在螺旋体的螺距间，当螺旋体旋转一圈，就会送出一个商品。

2.3自动售货机的空间结构

售货机需要有一定的容量来装货（饮料），它是通过弹簧的旋转将饮料从货道上送出去。

为了方便，采用单货道。

由于在该设计中，售货机出售八种饮料，相应地应该占有八个货道。

当然为了丰富出售商品的种类，可以对商品进行合理的摆放，并多加几个双推进弹簧即可。

当购物者够买某种饮料时，物品是依靠电动机带动弹簧的转动而被送到出货通道中，人们从取物口取出自己购买的物品。

当购物者买其中某种饮料时，要求售货机不能多出货品。

设计时，将饮料的尺寸和弹簧螺距尺寸进行合理地匹配，从而保证每一个单位饮料在每个弹簧间隔内并被卡紧，这样就可以避免货物自动掉落的情况。

售货机可以出售很多东西，但毕竟空间有限，也需要工作人员完成货物的补给。

图2-1自动售货机的空间结构示意图

2.4自动售货机的功能

当购物者投入一定的币值时，售货机上的传感器很快就可以采集到所有数据，货币识别器可以辨别币值，并向PLC传送信息，售货机能够对所投入的币值进行累加，最后根据累加的钱数去判断能否购买某种物品，并给出相关购物提示。

当顾客按下其中一个选择按钮时，首先电动机就会驱动弹簧旋转将饮料转到出货口，然后顾客从取物口取走自己买的东西，一次交易就简单地完成了。

售货功能的实现离不开它的硬件和软件系统，根据购买过程，可以分为投币、比较、选择和饮料供应、退币这五个部分。

简单地说，售货机的基本功能就是首先辨别币值同时进行累加，然后根据累加值判断是否可以购买某种物品，最后给出相关购物提示。

本次设计的售货机可以出售八种饮料，价格2元类饮料有可乐、芬达、健力宝、雪碧这四种，价格为3元的有东方树叶和加多宝，价格为4.5元有纯牛奶和咖啡这两种。

当消费者投入一定的钱币，如果投入的钱数超过对应商品的价格时，对应的指示灯就会亮，提示可以购物。

比如投入2元时，4个指示灯就会亮；

当投入钱数超过4.5元，所有指示灯都会亮。

如果消费者按下芬达按钮时，售货机内部相应的关于减法运算的程序就会执行，将投入的钱数减去可乐的价格，相应的电机就会启动驱动弹簧旋转出货，芬达就会掉入出货口。

同理，购买别的物品也是一样的。

购买物品完成后，若余额足够，可以选择继续购物；

当余额不足或者不想再买时，可以选择退币。

这次交易就完成了。

通过上面分析可以得出，售货机在完成一次看似简单的交易，它的内部会执行比较、加法、减法等指令，完成相应的运算。

整个售货过程是在货币识别的基础上完成的。

根据操作的性质将售货机的售货分为如下四个过程：

（1）投币过程

（2）价格比较过程

（3）选择商品过程

（4）退币过程

将售货机的工作过程分为五个状态：

（1）启动状态：

启动前元件处于复位，电机静止，等待消费者投币才运行。

（2）投币状态：

在投币口处投入合适的人民币（大于20元不能识别）

（3可购买显示状态：

对应的指示灯亮。

（4）购买状态:

按下选择按钮。

（5）退币状态：

按下退币按钮，售货机计算退币钱数并退币。

2.5自动售货机的购物使用流程

消费者需要购买某个物品时，当投入一定的币值后，售货机就会给出相应的购物提示。

当投入的钱数只能买其中一个物品时，在选择购买后，若有余额会自动退出；

如果投入的钱数足够时，在购买一个物品后可以继续选择购买，也可以直接退币；

当投入的钱数不足以买任何一个物品时，在规定时间内没有进行投币，投入的钱数会自动退出。

投币时既可以投硬币，也可以投纸币，但是只能退硬币。

该设计的退币值有五角和一元两种。

图2-2自动售货机的使用流程

3自动售货机的硬件部分

自动售货机的硬件部分包括主电路部分和控制电路部分的硬件。

控制部分中PLC的选型和货币识别器的选型的最重要的。

根据I/O分配表选择出PLC，并列出外部接线图。

根据之前对自动售货机的功能介绍，选择货币识别器。

最后选择自动售货机上的主电路部分的硬件。

3.1控制电路硬件组成框图

从如下控制流程框图可以很清晰地看出：

控制部分的硬件由货币识别器、PLC、各种按钮（包括各选择按钮和退币按钮）、各指示灯和接触器等。

图3-1自动售货机控制部分硬件组成框图

3.2确定自动售货机使用的PLC类型

表3-1PLC的I/O分配表

输入

输出

设备

开始按钮

SB0

X000

0.5元灯

HL1

Y001

0．5元

SB1

X001

1元灯

HL2

Y002

1元

SB2

X002

5元灯

HL3

Y003

5元

SB3

X003

10元灯

HL4

Y004

10元

SB4

X004

20元灯

HL5

Y005

20元

SB5

X005

可乐灯

HL6

Y006

可乐按钮

SB6

X006

雪碧灯

HL7

Y007

雪碧按钮

SB7

X007

纯牛奶灯

HL10

Y010

纯牛奶按钮

SB10

X010

东方树叶灯

HL11

Y011

东方树叶按钮

SB11

X011

芬达灯

HL12

Y012

芬达按钮

SB12

X012

加多宝灯

HL13

Y013

加多宝按钮

SB13

X013

健力宝灯

HL14

Y014

健力宝按钮

SB14

X014

雀巢咖啡灯

HL15

Y015

雀巢咖啡按钮

SB15

X015

可乐出口

YV1

Y016

退币按钮

SB16

X016

雪碧出口

YV2

Y017

——

纯牛奶出口

YV3

Y020

东方树叶出口

YV4

Y021

芬达出口

YV5

Y022

加多宝出口

YV6

Y023

健力宝出口

YV7

Y024

雀巢咖啡出口

YV8

Y025

1元退币

YV13

Y026

0.5元退币口

YV14

Y027

退币口灯

HL16

Y030

货币不足灯

HL17

YO31

取物口灯

HL18

Y032

PLC控制在逻辑上方便、控制速度高、更灵活且便于维护。

PLC是建立在单片机上的产品。

单片机是一种集成电路，不具可比性。

单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。

从工程角度上说：

对于单项或重复极少的项目，采用PLC是更明智、快捷的途径。

功率高，可靠性好！

通过对各种控制的优缺点分析，各适用于不同控制要求的场合。

对于自动售货机的设计来说。

要求控制速度快、灵活、可靠性高、易于维护和改动、属于单项重复数少的项目。

用PLC来控制是最好的选择。

它少了几点继电器控制的笨重和单片机控制的复杂性。

但分析各种厂家生产的PLC。

西门子PLC多用于大型、超大型的场合。

所以我选用了三菱型PLC来进行自动售货机的控制。

又根据对自动售货机的I/O分配表确定该自动售货机有15个输入点和26个输出点，15个输入包括开始按钮、货币识别按钮和饮料选择按钮以及退币按钮。

输出点包括5个货币识别指示灯、8个饮料指示灯、8个饮料输出、2个退币以及3个特殊的指示灯。

因此选用FX2N-64MR型的PLC。

关于PLC的具体分配如上表3-1所示。

因为PLC的输入端内部本身有24V的电源，所以输入部分不用外接电源，而在输出端需要外接电源。

各种指示灯和接触器可以用同一个电源，因此，不用将各个输出分开个供电。

选择的电源是根据电动机的额定电压选的，详见3.4节。

虽然PLC输出端有多个COM口，但由于各个点所接电压相同，所以，图中未显示所有的COM口。

因为在次设计中使用的是现有的货币识别器，货币识别器识别币种后，将各种不同的币放在不同的部位。

X01、X02、X03、X04、X05分别为代表0.5元、1元硬币和5元、10元、20元纸币的投入。

货币识别器每识别一次，开关接通一次，相当于投入一个币。

该PLC自动售货机I/O接线图中，PLC元件X006，X007，X010，X011、X012、X013、X014、X015是选择控制按钮，选择可乐，雪碧，纯牛奶、东方树叶、芬达、加多宝、健力宝、雀巢咖啡。

线圈Y006，Y007，Y010，Y011、Y012、Y013、Y014、Y015，是作为指示灯的输出线圈。

当投币，选择可乐、雪碧、纯牛奶、东方树叶、芬达、加多宝、健力宝、雀巢咖啡时的指示引导购物作用。

按钮和指示灯，直接明了，方便简单，易于操作。

确定了PLC的类型，又完成了对各个点的分配，那么PLC的外部接线图如下3-2所示。

图3-2外部接线图

3.3货币识别器选型

这次设计，我们需要选择一个硬币识别器（可识别五角和一元）和一个纸币识别器（可识别五元、十元、二十元）。

货币识别器的选择是相当重要的，它是顺利完成一次购物的基础。

因为时间原因，就都选