自动售货机

湖南人文科技学院课程设计报告课程名称电气控制与PLC课程设计设计题目自动售货机的控制设计系别通信与控制工程系专业自动化班级09自2学生姓名黄翾郭志辉罗建云胡逵学号09421208074212280742122909421214起止日期2012年11月5日2012年11月19日指导教师赵志刚刘伟元教研室主任岳舟指导教师评语指导教师签名年月日成绩项目权重黄翾郭志辉罗建云胡逵1、设计过程中出勤、学习态度等方面022、课程设计质量与答辩053、设计报告书写及图纸规范程度03成绩评定总成绩教研室审核意见教研室主任签字年月日教学系审核意见主任签字年月日摘要可编程控制器（PLC是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点。本文就详细的介绍了自动售货机的结构组成，简述利用可编程控制器（PLC控制的自动售货机控制系统的控制原理、元器件选型，最后给出了该控制系统的硬件设计和软件设计，并编写了程序总框图和一个具体的梯形图，实现了自动售货机的大体功能，经实践验证该控制系统是可行的。关键词可编程控制器；自动售货机；三菱FX2N；梯形图目录设计要求41方案论证与对比411方案一412方案二513方案对比与选择62系统方案设计621元器件选型622系统电气图723系统方案83自动售货机控制系统硬件设计931控制要求分析932I/O点统计933PLC选择934I/O分配表1035硬件接线图10351CD4511七段数码管译码器10352自动售货机控制系统外部接线图114软件设计分析1241系统流程图1242系统软件设计梯形图135系统调试分析1451系统调试及问题解决1452结果分析146结束语16参考文献17附录一梯形图18附录二指令表20自动售货机的控制设计设计要求1、控制要求利用可编程控制器作为控制核心，完成一个自动售货机控制系统。具体要求如下（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，将可由退币按钮找回余额。（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种饮料均可选择。（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。2、设计任务1设计出硬件系统的结构图、接线图；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，并有主程序和子程序；4进行系统调试，实现自动售货机的控制要求。1方案论证与对比11方案一方案一采用8751单片机为核心的自动售货机装置的控制系统。该系统以单片机8751芯片为核心，采用集中控制方式实现了对自动售货机全过程的自动控制。本系统选择44矩阵式键盘按键作为货物选择端，采用了2个可编程并行接口8255A实现并行接口的扩展，解决了单片机8751芯片输入/输出口引脚紧张的问题，实现了货物的掉出以及货币数的显示功能。采用8751单片机为核心的自动售货机系统可以分为三部分组成，即自动售货机的控制子系统、通讯子系统、硬币器子系统以及纸币器子系统。其中控制子系统是本设计研究重点。以单片机8751芯片为核心自动售货机的硬件原理构成如下图1所示识币器无货检测并行输入接口扩展自动复位线路8751并行输出接口扩展串行输出接口扩展继电器电磁铁金额显示购货状态显示按钮图1自动售货机硬件结构图12方案二方案二采用三菱FX2NMR48可编程控制器（PLC）的自动售货机装置的控制系统。其中输入部分由八个按键构成，分别实现不同的控制功能。输出部分由五个电磁阀、三个指示灯、一个七段译码显示构成。在本控制系统原理是首先由顾客按下商品选择开关，然后顾客投入钱币，经钱币识别传感器后将信号送给PLC，由用户编写的PLC程序运行可以识别出硬币的市值，并显示投入钱币的数值，并同时与商品的价格比较。当投入的钱币满足某商品的购买价格后，则可以购买该商品的指示灯亮，PLC通过计算还可以显示出消费数值和余额数值，商品驱动机构收到控制信号后即出货电磁阀动作，送出商品，若有余额，则退币电动机动作，可以退出余额数值的相应市值，同时完成内部清零过程。这样就完成一次商品提货过程，其控制系统的硬件示意图如图2所示图2自动售货机硬件组成示意图13方案对比与选择方案一考虑到自动售货机的输入电压不稳定，作为CPU的MCX51型单片机系统PLC商品选择开关钱币识别传感器各种显示灯退币电动机出货电磁阀的抗干扰性比较差，电压使用范围窄，超压发热容易造成爆裂，而且在输入输出接口上工作量大。方案二PLC不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、适应面广、抗干扰能力强、编程方便、电压使用范围宽等特点。方案选择根据自动售货机的使用要求，以及可靠性和稳定性要求这里选择方案二。本系统设计采用三菱PLCFX2N作为自动售货机的控制装置。2系统方案设计21元器件选型本系统中主要用到的电器元件有光电开关、电磁阀、执行机构、指示灯以及按钮。光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电开关一般情况下由三部分构成，分别是发送器接收器和检测电路，目前使用最多的是红外线光电开关。在设计中使用的光电开关是为了检测投入的硬币的数目，可选用普通的红外线光电开关，这里选用深圳市浦亿光电有限公司的光电开关ITR8104。图3光电开关ITR8104电磁阀是利用电磁线圈通电后产生的磁场来实现动作的，因此电磁阀只有开、关两个位置，即常闭（不通电时关闭状态）、常开（不通电时打开状态）。由于开启时间少于关闭时间，所以选用常闭型电磁阀。选用交流型电磁阀，电压规格用尽量优先选用AC220V。深圳众恒电器中国有限公司的电磁阀AC220V。图4电磁阀AV220V目前投入试用的“硬币识别机”设置有感应线圈，通过对硬币的材料、大小尺寸等各个要素进行感应并探明真伪。据技术人员介绍，不同的材质具有不同的磁场变化，以通过电子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。这里我们选用佛山市南海区黄岐程仕达电子厂的设定式投币器。图5硬币识别器22系统电气图图5是本控制系统的主电路电气图。5台电机M1M5依次通过各自的热继电器、接触器与熔断器连接到了三相电网上。QSM1M2M3M4FR1FR2FR3FR4KM1KM2KM3KM4FU1FU1FU3FU4L1L2L3汽水传送电机花茶传送电机咖啡传送电机M5FR5FU5KM5找1元传送电机找10元传送电机图6主电路图23系统方案本系统采用PLC作为控制器，通过用光电货币检测对所投币的数量与内型计算可得货币的总数，显示在LED数码管上。根据各灯的显示看能够购买那种商品，顾客可以按下相应的开关来选择饮料，从而来驱动相应的继电器来控制相应的商品执行机构来送出相应的饮料。当按下找币开关时，根据相应的余下的货币找钱。其整体控制系统的硬件示意图如图7所示商品选择开关硬币感应器PLC各种指示灯退币电动机出货电磁阀光电传感器图7自动售货机控制系统硬件组成示意图3自动售货机控制系统硬件设计31控制要求分析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，本次设计还涉及了显示、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。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。除此之外，本次设计还涉及了找零功能的实现。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、三个指示灯组成。32I/O点统计根据以上系统设计和功能实现要求，以下是本系统设计的I/O点统计表表1I/O点统计输入输出输入点数量输出点数量投币孔3够买商品指示3商品选择3输出商品3退币1退币2启动1数码管显示7停止1合计9合计1533PLC选择根据I/O点统计表可知输入输出I/O点总数分别为9/15。三菱公司生产的小型PLC的代表为FX2N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，以及状态寄存器、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3。因此，本次设计采用的PLC为三菱公司生产的FX2N系列PLC软组件，控制系统选用FX2N32MR001，I/O点数各为16点，可以满足要求，且有一定裕量。34I/O分配表此次设计的PLC控制的自动售货机控制系统的I/O分配表如下表32自动售货机I/O分配表输入输出输入点功能输出点功能X01元投币孔Y0够买汽水指示X15元投币孔Y1够买花茶指示X210元投币孔Y2够买咖啡指示X3汽水选择Y10输出汽水X4花茶选择Y11输出花茶X5咖啡选择Y12输出咖啡X6退币Y13退10元X7启动Y14退1元X8停止Y3Y9与CD4511连接35硬件接线图351CD4511七段数码管译码器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LT0，则不论其它输入状态为何，其输出ABCDEFG1111111，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LT1，则正常解码。BI空白输入控制，当BI0LT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LE0时LT1且BI1，DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存，以供译码器码；当LE1时，则IC中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE0时的DCBA数据供译码器译码。换句话说当LE1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10。图8CD4511引脚图352自动售货机控制系统外部接线图本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。根据控制要求，I/O点数在48个左右，选择性能价格比较高的三菱FX2N32MR001，其中其输入点为24点，输出点为24点，该PLC为继电器输出型。了解各个控制对象的驱动要求，分析对象的控制要求，完成PLC硬件结构配置。本设计中，退币按钮、各种饮料按钮和饮料出口（驱动电磁阀）等均为开关量。根据上述要求，因条件所限输出均用指示灯代替，由此绘制出PLC控制电路接线图，如图9所示X0X1X2X3X4X5X6X7X10COM1Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12Y13Y14S0S1S2SB3SB4SB5SB6SB7SB8KM1KM2KM3KM4KM5OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7220V24VCOM2COM3HL1HL2HL3AL1AL2/LT/BILEAL3AL4GNDVCCABCDEFGCD4511OUT1OUT2COMOUT3OUT4S15V12345677段数码管ABCDEFGDS1AL1AL2/LT/BILEAL3AL4GNDVCCABCDEFGCD4511OUT5OUT5COMOUT6OUT7S25V12345677段数码管ABCDEFGDS2三菱FX2NPLCS12图9自动售货机外部接线图4软件设计分析41系统流程图开始阶段即投入硬币，系统会进行价格比较。如果硬币不足，系统提示退币。如果硬币价格足够，系统根据价格不同和对比会让您选择不同种类的饮料。如果买完还有剩余硬币，系统同样会提示退币。具体系统流程见自动售货机控制系统的系统程序流程图如图10开始汽水选择比较币价计算余额是否退币输出退币返回钱币不足选择饮料选择饮料花茶选择咖啡选择计算余额计算余额NY1520图10系统总体结构流程图42系统软件设计梯形图该程序设计的主要分为几个过程，现在我们具体分析一下程序过程1初始状态。此时不能购买任何商品。2投币状态。顾客投币，显示投入总值，即余额数值，当所投币值超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。3购买状态。按下可以购买的选择按钮，所选的商品出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。4退币按钮。按下退币按钮，显示退币框，同时显示出应退币值及数量。按下确认钮，则恢复初始状态。到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束，梯形图总体设计见附录一。5系统调试分析51系统调试及问题解决（1）断电时检查电源是否接好，地线是否接好，各输入/输出点是否接好接牢；（2）用万用表检查实验板线路有没短路、开路现象。（3）接通5V直流电源，按动相应的功能按钮，确认各个数码管能否按照要求显示；4按要求输入梯形图，检查后编译通过，在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。5将编辑好的程序传入PLC运行，使用编辑器联机调试操作，检查各点工作状态，并配合观察PLC各点输入/输出指示LED或输入/输出设备工作是否符合程序功能要求。6将设计好的实验电路板与PLC连接起来，利用上位机软件动画效果来模拟硬件的连接。采用分模块的调试方法，来调试系统程序。调试步骤和结果如下当投入总金额12元时，饮料指示灯亮，等投入总金额12时，汽水指示灯亮。八段数码管显示投入的总金额值。饮料指示灯亮时，按饮料按钮，饮料驱动器动作，饮料从售货口自动售出，饮料指示灯闪烁，3S后饮料驱动器释放，完成一次售货。若有剩余金额，找钱灯亮。在购买商品后还剩余额，或在投入硬币后又不想购买商品，按复位按钮，售货机自动退出应找回的硬币。售货机能自动计算已售出商品的总金额、啤酒和饮料的现存数量。当啤酒或饮料现存数量为零时，对应的指示灯闪烁。52结果分析从硬件与软件调试可以看出，自动售货机大体运作正常。当有顾客购买饮料时，投入硬币时经过光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器识别硬币,如果是假币则系统自动退出硬币,如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮存腔,并经光传感器感应，然后在PLC内进行数据运算，否则认为是假币并退出系统，投币完成后，系统会将内钱币数据和可以购买的饮料价格进行区间比较若投币12元，则汽水选择指示灯Y0长亮，此时可以选择汽水或退币；若15元投币20元，则汽水、花茶和咖啡指示灯Y0、Y1和Y2长亮,此时可以选择汽水、花茶和咖啡或退币。上诉三种情况退币按钮Y13、Y14均会长亮。比较完成后，按下指示灯长亮的选择按钮，相应的电磁阀（Y10、Y11、Y12、Y13、Y14）起动，从而完成相应的操作。通过这次课程设计，我发现学习过程不容半点马虎和随意。就好比这次设计，虽说不难，但设计过程还是碰到了不少问题。特总结以下几点（1）程序设计过程中，要按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查反复修改完善的先后顺序进行。（2）应注重与同学间的协作，每个人的思维不同，对程序的理解、功能的实现也会有不同看法，因而对程序的编制会产生意想不到的效果。这种同学之间的相互协作，可以使程序日益完善、精简，实现模块化编程。6结束语PLC课程设计考察同学们动手,思考,操作能力以及对PLC理论知识的理解能力,应用能力,通过这段时间的学习与实践,让我重新去学习PLC各方面的知识,PLC的一些知识简单易懂,掌握较快,同时加大对我们操作能力,了解各方面的一些知识,让自己的能力有些提高。对于这次对自动售货机的设计制作，也让我了解了关于自动售货机的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。PLC设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这虽然是我们第二次做课程设计，但还是会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次PLC课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在刘老师的耐心指导下，终于迎刃而解。参考文献1廖常初PLC基础及应用M北京机械工业出版社，20042王兆义可编程序控制器教程M北京机械工业出版社20053程周可编程序控制器原理与应用M北京高等教育出版社，20034王永华现代电气控制及PLC应用技术M北京北京航空航天大学出版社，20005周美兰，周封，忘岳宇PLC电气控制与组态设计M北京科学出版社，20036吴建强，姜三勇可编程控制器原理及应用哈尔滨工业大学出版社，20007吴中俊，黄永红可编程序控制器原理及应用M北京机械工业出版社，20038张万忠，刘明芹电器与PLC控制技术M北京化学工业出版社，20039王永华现代电气控制及PLC应用技术M北京北京航空航天大学出版社，200010贺哲荣，石帅军流行PLC实用程序及设计（三菱FX2系列）M北京机