PLC控制的自动存包柜.docx
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PLC控制的自动存包柜
毕业设计（论文）
PLC控制的自动存包柜
系名：
专业班级：
学生姓名：
（四号宋体）
学号：
（四号宋体）
指导教师姓名：
指导教师职称：
二0二0年四月
PLC控制的自动存包柜
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
职称：
摘要自动存包柜也叫做电子储物柜、电子寄存柜，在20世纪嵌入式计算机迅速发展之后，在寄存行业当中的重要应用。
伴随互联网时代的快速发展，人们在日常生活当中，对于智能化方面的需求也在不断增加，所要求的社会服务品质也在逐渐提升。
现如今，消费者对于商场购物方面的需求在逐渐的增强，随身携带的物品都能够得到安全的保障，进而可以让购物的过程更加轻松。
因此，此类需求也就对公共场所存包柜有了更高的要求，令其具备具备更广泛的功能性以及操作来渐变、有较高安全度等特征。
当顾客想要存放物件的时候，可需要拿出条形码对准扫描器，红外线经过扫描就能控制自己的小柜子打开了，这样顾客就能取出自己的包裹了。
本文主要以PLC为主控制器，来实现通过条形码的对比完成自动存包取包过程的设计。
主要的内容包括整个系统方案设计、镜反射式光点开关、限位开关、系统控制等四个部分组成。
关键词：
自动存包柜；PLC控制；系统
AutomaticStorageCabinetControlledByPLC
AbstractAutomaticstoragecabinet,alsoknownaselectronicstoragecabinetandelectronicdepositcabinet,isanimportantapplicationindepositindustryaftertherapiddevelopmentofembeddedcomputerinthe20thcentury.WiththerapiddevelopmentoftheInternetera,people'sdemandforintelligenceintheirdailylifeisalsoincreasing,andtherequiredsocialservicequalityisalsograduallyimproving.Nowadays,consumers'demandforshoppinginshoppingmallsisgraduallyincreasing,andtheitemstheycarrycanbeprotectedsafely,whichcanmaketheshoppingprocesseasier.Therefore,thiskindofdemandalsohashigherrequirementsforthestoragecabinetinpublicplaces,sothatithasawiderrangeoffunctionalityandoperation,withhighersecurityandothercharacteristics.Whencustomerswanttostoreobjects,theyneedtotakeoutthebarcodeandaimatthescanner.Afterinfraredscanning,theycancontroltheirsmallcabinettoopen,sothatcustomerscantakeouttheirpackages.ThispapermainlyusesPLCasthemaincontrollertorealizethedesignofautomaticpacketstorageandretrievalprocessthroughbarcodecomparison.Themaincontentsincludethewholesystemschemedesign,mirrorreflectionlightspotswitch,limitswitchandsystemcontrol.
Keywords：
Automaticstoragecabinet;PLCcontrol;System
一、绪论
（一）研究背景及意义
1.研究背景
随着社会经济及科学技术的快速发展，有更多的场所喜欢使用此类设备对出入人员的物品进行管理。
当前，自动存储柜在不同的城市中分布着，涉及到的领域主要有机场、浴场、超市等等。
但在市场当中，电子储物柜大多都是使用传统单片机模式来设计，使用者将凭条码提供，将指定的箱子打开存取物品。
单片机形式的存包柜操作起来比较简单、方便，可是在许多的领域当中都存在一定的局限性。
例如，技术较为落后、配置较低、功能单一、屏幕过小等不足之处。
因此，本文主要对PLC控制的自动存包柜进行设计，通过对系统方案的设计、系统硬件的设计、芯片的使用以及系统控制等方面展开说明，希望通过本设计的开展，可以为相关研究的补充提供积极意义，也希望为PLC控制的自动存包柜的发展提供重要的借鉴意义。
2.研究意义
建立物品的存放于取出的自动化系统，方便了人们的生活，将人们存放行李的效率提升，可以让人们感受到更好的存取物品的服务体验。
与此同时，通过条码的方式来将物品提取，对人们来说操作更加的简单、方便，并且条码为一次性使用，其在安全性方面也有很好的保障，进而实现了自动化存取物品的服务升级，将服务人们存取物品的整体水平，进而将客户的整体体验感受加强。
此外，还能够将自动存包柜的信息化水平提升，利用计算机来进行管理，能更加轻松的将不同客户端设备信息获取，可以远程对不同的储物柜操作记录以及使用情况进行查看，且将其记性整理、归纳。
还能够将存包柜核心竞争力提升。
伴随科技水平以及生活水平的发展，传统的存储柜在较为高端的领域进行应用已经不适合，但本次设计的PLC控制自动存包柜具有更先进的技术，也具备更好的核心竞争力。
电子存包柜在智能化、安全化、实用性等方面具有传统人工存包处所不可比拟的优点，集手动、自动为一体，给顾客提供方便安全的储物服务。
本次设计以基于单片机的超市电子自动条码存取柜为代表，在传统自动存包柜的基础上扩展了一些功能，使该系统更加具有实用性。
（二）国内外研究现状
1.国内研究现状
潘世豪（2016）等将新型智能指纹之别的存储柜控制系统提出，能够针对存储柜所处的不同使用环境，将其设置成为临时的使用状态或是固定的使用状态，也就是个人专用状态与公用状态，不只是将物品安全性进行了保障，还将重复使用存储柜的能力得到了很明显的提升[1]。
袁梅（2016）将离体的自动化车库监测控制系统建立，令实时监控单元立体车库成为了现实，此系统使用的是多巷道堆垛的立体式车库及PLC控制、通讯等技术，来实施监控单元车库，进而将进出车辆的安全性保障，将传统人工监控安全性较低方面发挥了积极的转变作用[2]。
张先震（2016）等提出电子式储物柜系统，其对于箱子门的控制主要通过驱动电路来完成，控制器完成柜门打开的操作。
在有人将物品进行存放的时候，利用单片机将空储物柜门打开，程序自动将密码纸生成并通过打印机完成打印，让储存物品的人在取物的时候有开柜门的凭证。
人们想要取出物品的时候，可以利用对凭证的扫描或是将密码输入的形式将对应的储物柜门打开。
通过凭证打开储物柜的方式，比机械式储物柜的操作更加的便捷，并且具备良好的安全性[3]。
王博（2017）等因为在校园生活当中，电子储物柜所具备的一次性凭条的特征较不适用，对于频繁适用的场所更加适用。
这个时候，IC卡就被应用在生活当中，其在便捷性以及管理性方面都具备一定的优点，而IC卡存取物品的方式也在校园或是校区生活场所当中广泛的应用着[4]。
闫万鸿（2018）表示伴随科技快速发展，对于安全性、便捷性以及管理性等方面的优化考虑，人们逐渐开始使用自身独有的特点，来将刷卡、条形码等凭证进行替代。
人体独有的特征，例如视网膜、指纹等都具备唯一性，依据其特征就可将某一个人进行确认。
依据市场发展需求，出现了较多的高速的处理芯片以及大容量的存储器，加之不断成熟的指纹识别技术，提升了其可靠性，且在一定程度上将成本降低，在操作方面也更加的简单、方便，将市场的需求满足，所以，在储物柜的系统当中，指纹识别得到了广泛的应用[5]。
张旭（2019等）表示电子式的储物柜系统的好处是操作方便，人机交互良好，效率较高而且超大的屏幕，可以给使用者带来视觉的直观感受，对于运营商来说还可以添加流媒体广告视频信息，也使本地监控系统的功能更加强大。
对于储物柜系统来说，工控机加触摸屏的使用在国外已经广泛使用，在国内也有部分公司进行相关方向的开发和研究[5]。
2.国外研究现状
通过对国外研究文献的收集与整理发展，国外有关电子储物柜的研究比较少，主要是侧重于对有关技术及应用发展方面的研究。
MimuraM（2015）将眼球、指纹等没有办法替代的人类特征系统在系统的安全性当中进行了应用，使用这种唯一的特征来讲智能卡、IC卡替代等。
Stanisław（2016）以较为独特的角度将使用储物柜的方法提出，将存储包裹的柜子当做是最后一英里的有效交付系统，将重复搬运货物等问题更好的解决，进而令工作效率提升。
Stanisław（2017）表示电子储物柜系统大部分都为单片机加小液晶屏幕的搭配组合形式，存在着一定程度的技术落后、功能单一、管理较为不便以及可维护性较低等不足。
所以，触摸屏技术在当地的监控管理系统当中逐渐被应用。
触摸屏主要是通过触摸屏控制器与检测部件构成，触摸检测的部件在显示器的屏幕之前进行安装，用来对用户的触摸位置进行检测，之后再将有关信息传送到触摸屏的控制器上，将其转变为触点坐标，传送给CPU。
与此同时，其也能够将CPU发来的指令进行接收与执行，将替代键盘、鼠标的功能替代。
此类技术具备操作快速、人机交互表现良好等优点。
AndreasKlappenecker（2018）提出了一种基于模糊理论和整数规划逻辑的“智能”车库控制管理系统。
据用户的需求在有限的停车资源内使用混合整数线性规划优化资源配置。
DouglasA（2018）使用一个二维扫描光探测和测距（激光雷达）传感器安装在立体车库或一辆车中，用于探测地面实际路况或该车辆的实际运行状况，以实现实时监控。
综上所述，国内与国外有关电子储物柜方面的研究，主要是在储物柜的技术改进方面，将指纹识别、报警等功能增加，可是其本质上的存取方式变化比较小。
但是，这对于本文的研究也有着重要的借鉴意义。
本文将以此为基础，对PLC控制的自动存包柜进行研究与设计，希望为人们存取物品的方便性以及安全性等方面的优化提供更进一步的推动作用。
（三）研究内容及方法
1.研究内容
本研究的主要内容就是对PLC控制的自动存包柜进行设计。
第一部分为绪论。
主要对研究背景及意义、国内外研究现状、研究内容及方法进行阐述；第二部分为系统方案设计。
即控制系统的工作原理、自动存包柜系统框图、电路核心器件的选择、开关选择；第三部分为系统硬件设计。
即识别系统、光电开关、限位开关、输入电路连接、电路以及键盘设计；第四部分为芯片的使用。
即外部地址锁存器介绍、程序存储器的扩展、静态数据存储器的扩展；第五部分为系统控制；最后进行总结。
2.研究方法
本研究使用的主要方法就是文献研究法，将相关文献研究进行收集与整理，对有关包裹、物品存取的自动储物柜等相关设计及研究进行获取，并进行阅读与了解，将前人有关此方面的文献研究为基础，将自动存包系统的发展情况进行了解与概括，在此基础上做进一步的设计研究[6]。
二、系统方案设计
（一）控制系统的工作原理
1.PLC控制器的定义
PLC为电子系统，主要是利用数字运算来操作，其设计是专门为了适应工业环境。
其主要使用的就是可编程序单的存储器，在其内部进行贮存，将顺序控制、逻辑运算、计数、定时及运算等操作指令完成，且利用输入与输出数字模拟的形式，将不同类型机械或是生产的过程进行控制。
在结构上划分，PLC为组合形式与固定形式两种类型。
固定形式的PLC包含I/O板、CPU板、内存块、显示面板、电源等等。
此类元素构成了一个整体，且具备不可拆卸性。
模块形式的PLC包含I/O板、CPU板、内存、底板、电源模块或是机架，此类模块能够依据相应规则进行组合配置[7]。
2.控制系统的工作原理
在超市等不允许带随身物品入场的地方可以看到提供物品短期寄存保管服务的自动储物柜。
只要记住存物时给出的条形码就可以实现用户自助取物。
自动储物柜的出现大大避免了人工寄存所带来的种种麻烦。
自动储物柜对于用户有其自主性。
用户来到储物区，面对多个可用储物柜，便可随意选择一个寄存自己的物品。
回来取物时，用户拿着小票直接对准扫描器就可以从储物柜取出自己的物品。
而传统的人工寄存方式，不仅需要用户排队存物取物，效率低下，而且出错率高、秩序难以保证，存在用户物品的误领、遗失、损坏现象。
对比分析这两种储物方式，明显可以看出采用自动储物柜的管理方式，工作效率和准确率都有很大提高，实现了用户随身物品的自我管理，基本消除了物品损坏、遗失的发生[8]。
本系统的主控制器为PLC，能对24个存包柜进行同步管理。
柜门锁的控制主要就是通过电磁阀，在顾客要将包或是物件进行存放时，可到存包柜前按下“存”键，PLC将脉冲信号进行接收，且利用系统的I/O将相应的信号发出来，对柜门电磁阀进行控制，然后打开一个空箱，顾客就可以将包或是物件进行存放。
在顾客想要将包取出的时候，只要放置条码在条形码阅读器之前放置，阅读器将条码的信息采集到，然后将相应的高低点评信号输出传送到PLC，系统将密码进行比较，在对比一致之后将对应箱子打开，顾客将能够将包取出。
此系统对于自动化程度的需求比较高，将PLC作为核心，利用识别条形码的技术，来对柜门进行自动控制并打开。
在关门之后利用打印机将条形码打出来，实时的将没有物品的箱子号码显示出来。
且要具备断电保护的功能，对箱内有无物品存放进行红外线检测并进行报警。
（二）自动存包柜系统框架
如图1-1所示,该以系统PLC为核心,还有空柜子显示功能,打印机功能,红外线检测和继电保护的功能。
看似操作简单的系统,里面却需要很多的功能,能实现智能化存包也看出来了智能系统的在我们生活中起着至关重要的作用。
图1-1自动存包柜系统框图
（三）电路核心器件的选择
整个运动控制系统的核心就是控制器，所以对控制器的选用要慎重。
对于电器控制电路来将其实现来说，其控制电路会较为复杂，安全性不够好，这种情况下容易令电动机损坏，熔丝比较容易断，对其错误点进行查找的时候也较为困难，同时通过继电器对电路进行控制的过程中，会用到很多的时间继电器与中间继电器，一旦出现接触不良的触点，就非常容易有故障出现。
与继电器相比，选择使用PLC控制器就会更加的实用、简便。
由于PLC是以电子计算机为基础，对于工业现场工作适用的控制器，源自于继电控制装置，主要依靠PLC内存当中的程序运行，变换入出信息将控制实现。
依赖于应用程序㔿系统程序，将输入、输出的电路进行专门的设计，令入出信息实时性、可靠性与使用性等方面实现，尤其是考虑到了怎样对工作环境问题进行适应。
利用PLC控制器的内部程序将每一个动作的控制、运行进行协调，依据程序的指令来行使每个机械动作，不做任何多余的动作。
设计硬件部分应依据产品工艺生产需要，与实际使用相结合，令设计更加的完善、合理[9]。
PLC为一种通过人来将程序编写之后将设备运行驱动的方式，同继电器的控制方式是不同的。
继电器控制的方式整体表现较为单一，只要是依据电路图的界限方式来进行连接，就能够实现控制，在修改上也是需要花费较多时间的，而PLC进行修改只需要在程序当中就能够完成。
因此，相比传统继电器控制而言，PLC的控制更具备有时。
PLC和微型计算机相比，工作方式也是不同的。
微信计算机的程序运行到指令结束END的时候，程序不会再运行。
而PLC在程序运行的时候，会依据顺序来对储存器当中的程序指令执行，在执行程度到最终指令的时候，并非是马上令运行停止，而是重新将储存器当中的制定程序进行读取，之后再将程序执行，不断的循环往复，也就是说PLC控制器的工作方式就是进行循环扫描的方式[10]。
PLC工作的主要流程如下。
先要将PLC控制器上的电源接电之后，可编程控制器将系统初始化完成，然后恢复内部控制电驴到原始的状态，进而完成自我检测，对内部电源的正常值能否达成进行检测，进而令内部系统的正常运行保障。
在检测结束之后，PLC扫描、检测通信结构，若存在外接设备，只要连接通信结构就能够完成通信。
若通信口未与外界传输设备或是其他的通信相连，系统就进行自动输入并完成采样，对输入设备状态进行检测，例如按钮、开关的状态等。
之后依据输入的采样结果对用户程序依次执行，在程序结束运行之后刷新输出，依据运行输出程序产生的控制信号以及上述的运行过程，在完成之后，系统会自动进行返回，并开始重新作出自我诊断及运行，然后循环往复。
（四）开关选择
红外线光电开关，即光电传感器，主要就是通过被检测物对于红外光束的反射或是遮光，通过同步回路来对物体是否存在进行检测，这类物品不只局限于金属物，对于一切可以将光线反射的物体都能够实现检测。
依据不同的检测方式，红外线的光电开关可以划分为：
（1）漫反射开关。
通常来说，在受到检测的物品有着很光亮的表面或是具备非常高的反光率的时候，通常都会使用漫反射开关。
（2）镜反射式光电开关。
此开关是讲发射器和接收器集于一体的装置，光电开关将光线发射出去，利用反射镜反射回到接收器，在检测光线受到被检测物完全阻断后，光电开关就会有检测开关的信号产生。
（3）对射式光电开关。
在接受检测的物品为不透明的时候，此开关为最可靠的检测方式。
（4）槽式光电开关。
这种开关较为可靠和安全，对于高速变化的检测较为合适，对半透明及透明物体进行分辨。
使用它来对存包柜当中有无物品进行检测，且将相对应的信号向PLC传输，PLC依据接收的信号能利用I/O线来对其他器件的工作进行控制[11]。
三、系统硬件设计
（一）识别系统设计
1.条形码的识别原理
图1-2显示的是条码识读的基本工作原理
想要将依据相应规则所编译的条形码，转变为具有意义的信息，需通过扫描与译码这个过程。
物体颜色通过其所反射的光类型来决定。
因此，在条码器的扫描光源所发出的光在条形码上面反射后，反射光照到扫描器内的光电转换器上，转换器依据不同强弱的反射光信号，将其转变成为相对应的电信号。
依据原理上存在的差别，扫描器可换分成CCD、光笔以及激光三种类型。
在条码扫描器放大电路内输入电信号且将其信号加强后，在输送至整形电路，转变模拟器信号为数字信号。
之后译码器利用对脉冲数字信号0、1来进行测量，并对条与空的树木进行判定。
利用对0/1信号测量的市场来对条与空所具备的宽度进行判定。
这时获得的数据依然为无序的，想要对条码蕴含的信息进行了解，就需要依据相对应的编码对着，转变条形符号为相对应的字符、数字信息。
最终，计算机系统在对数据进行处理以及管理的时候，细致的物品信息就会被识别到。
这样就可以将辨别读取出的条形码符号所具备的条与空的数量、宽度及使用的码制获取到，依据对应码制的编码规则，就可以转变条形符号为对应字符集数字信息，利用接口电路输送到计算机系统内，对数据进行处理及管理，就将辨别、读取条形码的整个过程完成[12]。
2.条形码识读系统
具备图形化的编码符号就是条码符号，识别、读取条码符号，就需要依托相应的专用设备，转换条形码符号当中所包含的编码信息为计算机能够读取出来的数字信息。
条码识别、读取系统都是通过扫描系统、整形信号以及译码这三个部分构成。
3.条形码印制
条码为信息传递的特殊图形，普遍的符号载体就是白纸、标签纸等。
在不同的需求下，对于符号的需求也是不同的，主要可以归为以下几方面：
（1）符号的载体需具备一定强度，保障在一定受力条件之下，或是进行接触扫描时，不会出现明显变形或是破碎的问题。
（2）符号载体的物理性能要稳定，在一定压力条件或是温度条件之下，其不会出现物理形态的改变。
（3）符号载体要具备相应的几何形状及尺寸，条码印制的表面应该是光滑的，可以与光电扫描器相适应。
（4）符号载体需具备相应的附着涂料的能力，且要具备迅速干燥的能力。
（5）符号载体需要具备相应的光学特征。
在直接使用符号载体表面来制作条形码的条或是空时，应将印制涂料的空或是条的光学对比度保障。
打印条形码的设备有激光、点阵、喷墨、热敏打印设备等[13]。
（二）光电开关设计
1.光电开关的工作原理
光电开关属于一种传感器，其通过被检测物品对于光的反射或是遮挡，有同步回路选通电路，进而对是否有物品存在进行检测。
光电开关在发射器上转变输入电流为光信号并射出，接收器依据所收光线的有无或是强弱，来探测目标物。
大部分的光电开关使用的都是波长接近的可见光，也就是红外线光波。
光电开关的构成有发射器、接收器以及检测电流。
具体见下图。
图2-1光电开关的工作原理图
2.光电开关的使用注意事项
有关使用光电开关的注意事项如下：
（1）红外线传感器属于漫反射类型产品，其使用的标准的检测体就是白色平面纸。
（2）在外部环境具备高照度的状况下，红外线光电开关依然可以稳定工作，可是在原则上需将传感器光轴与太阳光正对等光源强烈的情况避免。
（3）对射式光电开关，检测最小宽度是此开关80%的透镜宽度。
（4）在使用感性负载的时候，例如电动机、灯等，其具备较强的瞬间冲击电流，很容易对交流二线光电开关造成损坏或是劣化，在此种状况下，需将负债通过交流继电器进行转换使用。
（5）红外线光电开关透镜的擦拭可以使用擦镜纸，禁止使用稀释溶剂等类型的化学品，避免将塑料镜造成永久的损坏。
（6）对于顾客实际的现场需求，在一些比较差的环境条件之下，例如有很多灰尘的场合等，其选取光电开关敏捷度应提升50%，用来对长时间的使用过程当中光电开关盐城维护周期的需求相适应。
（7）产品的生产制造都是通过SMD工艺，且经过严格检测，在合格之后才能够出厂。
为将出现意外情况进行规避，需要用户在将电源接通之前，对接线的正确性进行检查，核定电压是不是为额定值[14]。
在此设计当中，需检测存包柜内部，且将没有物品的箱子号码进行实时的显示，顾客在未将门关闭的时候就发出警报，因此，选择使用漫反射式的光电开关。
（三）限位开关设计
限位开关能依据运动部件位置将电路进行切换。
在工作的时候，利用限位及挡块开关的触杆或是轮子相撞，断开或是接通限位开关触点，经常在丢运动部件的行程、方向、位置进行控制。
还能对开关物体的闭合状态进行检测。
将LJ-DFJ型限位开关使用，其具备的特征有：
（1）单棒式探头，感度好，工作稳定。
（2）不会受到测定物品性质的影响，在安装之后不需要进行调整，就可以投入使用且具备稳定性。
（3）使用压电元件在厚管壁与棒体的不锈钢内置的探头，消振管只有9mm，与同类相比是最短的，具备抗重负荷、寿命长且可靠、安全。
（4）根据不同的检测对象，可以将测定的感应程度进行调整。
（5）使用15A大容量继电器开关，能够对电机进行直接性的控制。
（四）输入电路连接
因为有很多的输入电路，每组都具备一个控制器，因此，在此采用74LS244来完成拓展。
74LS244为三态输出八路缓冲器，其构成为两组、每组四路的输入与输出。
每一组具备一个控制端，而控制端的高电平或是低电平，对该组的电路接通或是断开进行决定。
具体的功能表如下。
表3-174
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