毕业设计（论文）-饮料自动售卖机设计.doc

全套图纸加153893706 共61页 编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： 饮料自动售卖机设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 实验师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2010年4月10日摘 要本系统是基于单片微型计算机控制的散装饮料自动售货系统，用单片机的基本语言c语言和汇编语言来进行软件设计。本机是如此方便以至于可以安置在公园、车站、机场或者商场门口。该系统可分为纸杯销售机构部分、饮料销售机构部分。微机控制部分的功能又分四个部分。首先，商业行为应该讲求公正却不能没有防人之心，所以我们设置了硬币检测装置；其次，检测出结果后要进行退币或者收取动作，我们设计了退收币控制部分；再次，收了钱财当然要尽快让消费者拿到取饮料的纸杯，纸杯销售控制方案也必不可少；最后就要控制饮料的抽取和流出了。硬币检测装置在本设计中虽涉及不多，但它却要做诸如检验硬币真假并发出控制信号的很多事情；退收币机构在识别信号和按钮信号的控制下进行退收币动作；纸杯销售机构和饮料销售机构则根据识别结果并配合按钮控制信号完成销售任务。本设计中涉及到AT89S51和8031两种单片机的应用，如此安排以示两者区别，其实可以将个控制部分集成在一两个单片机上即足够了。本文详细阐述了此系统的机构设计方案和控制方案及设计过程中可能出现的问题及解决 方案。设计者的工作包括：系统各功能单元方案的设计；各功能单元控制方案设计；画出各功能单元原理图；根据原理图设计c语言或汇编语言源程序；部分机构的绘图及加工工艺等。关键词： 单片机AT89S51；螺线管；电磁阀；步进电机；售货机Abstract This system is an automatic vending machine for unpacked drinkings on basis of the contrlling of single-chip microcomputer,whose controlling program is writted by the basic language for microconroller such as the c language and the assembler language. This device is so convenient that it can be setted in park,station,airport or outside the door of some supermarket. This system is composed of the vending mechanism for paper cups and drinkings. The controlling part can be seperated into four. Firstly,commercial activities cant miss some bad boys while it should pursue justness,so coin-detaction device is setted up.secondly,the action of giving back or taking in the coins according to the result of detection is suggested,so we build up the controlling portion for coins gooing or coming.again,the cup-distribution section is neccsery before consumer will be thirsty for their cups for beverage.lastly,we should take measures to cnotrol the extracting and outflowing of the beverage.although little is referred to the content of coin-detection,its imprtant because it will do so many contributions such as verifying coins and sending out some controlling signal.the machine for coins will rotate in in the light of signals from coin-detection and press-button. The vending mechanisms for cups and beverage will accomplish the distribution mission based on the outcome of coins identifying in coordination with buttonsignal. As to show the difference ,Two kinds of single-chip microcontroller as AT89S51 and 8031 are involed in this project. But as a matter of fact one or two is enough.this paper detailed the scheme of the systems mechanisms and their controlling even some possible problems and their sollution. The works of designer are: the disgn of various units of the system; the disgn of the contrlling schemes; drawing system schematics; writing assembly language code or the c language code according the schematics; the drawing of some mechanisms and the machining technological disgn. Key words: AT89S51；Solenoid；Electromagnetic Valve ; Step Motor；Vending Machine目 录引言11 绪论21.1 自动售货机的理论背景与实际意义21.2 自动售货机设计的主要内容21.3 自动售货机设计的基本思路31.4 自动售货机设计中涉及的部分器件概述51.4.1 AT89S51单片机概述51.4.2 步进电动机概述51.4.3 螺线管概述61.4.4 涡流概述71.4.5 光电耦合概述81.4.6 电磁阀概述101.4.7 数字电路概述111.4.8 ABS塑料概述122 纸杯销售机构方案及其控制设计142.1 纸杯销售机构方案设计142.1.1 纸杯销售机构机械方案的设计142.1.1.1 纸杯选择机构方案设计142.1.1.2纸杯挖出机构方案的设计152.1.1.3纸杯选择及挖出机构的复合和尺寸确定以及加工艺162.1.2纸杯销售机构控制方案的设计212.1.2.1纸杯销售完毕指示灯电路分析设计212.1.2.2纸杯选择机构控制电路及程序的设计222.2 纸杯销售机构方案优化设计253 饮料销售机构方案及其控制设计283.1 硬币识别机构的原理概述283.2 退收硬币机构的方案及控制设计313.3 抽饮料及出饮料控制方案的设计403.3.1 抽饮料机构及控制方案设计403.3.2 出饮料机构及控制方案设计464 部分机构工艺设计及整机的部分优化 484.1 纸杯托板加工工艺设计简述484.2 饮料容器加工工艺设计简述524.3 整机的部分优化设534.3.1 单片机组的优化设计534.3.2 纸杯出售情况指示的优化设计534.3.3 饮料容器的优化设计544.3.4 纸杯存放机构的优化设计554.3.5 饮料抽取流速控制的优化设计565 结论58谢辞59参考文献60附图61备注：另附程序单（见附件）66引言 自动售货机成就了一种全新的商业零售形式，解放了一部分劳动力。自20世纪70年代于日本和欧美发展起来，它又被称为24小时营业的微型超市。据统计，日本70的罐装饮料是通过自动售货机销售出去的；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布置有50万台饮料自动售货机。自动售货机1999年开始进人中国市场。如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，自动售货机的身影已不难被发现。 从自动售货机的发展目的和趋势来看，它是劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。批量生产、大量消费以及消费者对消费模式和销售环境改革的需求，要求流通渠道有所更新；而超市、百货购物中心等流通渠道相对不够人性化，人工费用也相对更高；再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约，无人自动售货机作为一种需求便应运而生。 它的售货领域非常广泛，已成为发达国家商品零售的一种主要方式。近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。但由于售货机分布范围广阔和布置零散，自动售货机在为消费者带来便利的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。目前售货机运行的各种情况诸如缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等都需要由人工判断。经营者普遍采用的人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。 由于现在市场上投放的自动售货机不够人性化，针对的商品不是灌装就是盒装的，不能让消费者按量消费饮料，本人设计了可满足消费者这项需求的自动饮料售货机。1 绪论1.1 自动售货机设计的主要内容1. 此自动售货机可以识别五角、一元的硬币并累计，但一次只能出0.5元、1元和1.5元币量的饮料；2. 如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；3. 当顾客按下出纸杯按钮时，根据顾客所投硬币总数送出一个相应的纸杯（这里只提供0.5元、1元纸杯和1.5元纸杯）；4. 当顾客用纸杯对准了饮料出口并按下出饮料按钮后便按量出饮料。1.2 饮料售卖机机械框架图 图1-1 售货机机构框架图1.3 自动售货机控制设计的基本思路 本次大学毕业设计题目是饮料自动售卖机的设计，主要是应用ATMEL公司的AT89S51单片机通过C语言或者汇编程序。实现对货币的识别、累计、按累计币值选择送出不同大小的纸杯、按累计币值送出定量的饮料等控制，其中会涉及到光机电一体化学科中的光电耦合、液位控制开关以及数字逻辑电路等知识。在真正进入详细设计之前会对AT89S51单片机、光电耦合技术及其在本设计中用到的一些器件进行简单的论述。本设计的工作流程图如下所示：等待按抽饮料按钮出相应纸杯投 币硬币识别硬 币 累 计真 币 否 ？退 币等待了2分钟？NOYES0.5元1.0元1.5元按下出纸杯按钮NO 继续等待YES开 始驱动水泵按累计币值往容器中抽饮料出相应纸杯结 束电磁阀关闭等待按抽饮料按钮按下抽饮料按钮按出饮料按钮出 饮 料饮料流尽否NO 继续开 始等待下一次交易等饮料抽到指定位置才能到下一步图1-2 售货机控制流程策划图1.4 自动售货机设计中涉及的部分器件概述1.4.1 AT89S51单片机概述 AT89S51是美国ATMEL公司生产的一款高性能、低功耗的CMOS8位单片机，片内的Flash只读程序存储器容量为4bytes，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，能够兼容8051指令系统和引脚。它汇集Flash程序存储器既可在线编程又能用传统的方式编程及通用8位微处理器于单片机芯片中。ATMEL公司功能强大、价格低廉的AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。u 与MCS-51产品指令完全兼容u 4K字节在线系统编程（ISP）Flash闪存u 1000次擦写周期u 4.0-5.5V的工作电压范围u 全静态工作模式：0HZ-33MHZu 三级程序加密锁u 128 x 8字节内部RAMu 32个可编程I/O接口u 2个16位置定时/计数器u 6个中断源u 全双工串行UART通道u 低功耗空闲和掉电模式u 中断可从空闲模式唤醒系统u 看门狗（WRT）及双数据指针u 掉电标识和快速编辑特性u 灵活的在线系统编程 图1-3 AT89S51单片机欲知更多可以参阅本次毕业设计翻译部分AT89S51单片机。1.4.2 步进电动机概述步进电动机通常应用于需要运动控制的设备。这类电动机尤其适合应用在低速或者恒负载的设备中。步进电动机采用多极设计，目的时为了精确控制转子的旋转位置，甚至在RPM为0的时候也可以。它们的这种特性深受运动控制工程师的欢迎；绝大多数的计算机设备，如硬盘驱动器以及打印机等采用的都是步进电机。如下图所示为步进电动机的原理图。电动机具有6对作用力相反定子线圈，各对线圈相互能够独立地进行控制。当一对异性磁极（磁极5）被激活时，则产生了一个磁场，转子会根据磁场的作用力发生旋转；若磁极5关闭，磁极4被激活，则转子会转到一个新的位置。因此，只要精确控制这些磁极对，就可以精确控制转子的位置及其RPM下的步进电机。 为了提供更加精确的分辨率，步进电动机可以工作在半步模式下。在这个模式当中，由4个磁极被激活，因此，转子可以处于两对磁极之间的位置上，这样就使得步进电机的运行分辨率提高了一倍。如下图所示为工作于半步模式 图1-4 步进电机工作模式图把半步模式的思路进一步延伸，就产生了微步控制模式。只要精确控制两个磁极的磁场强度就可以让转子处于两对磁极之间的任何位置。 步进电机的特点如下：1） 脉冲数与转角成准确的比例。2） 每一步所对应的角度误差很小。3） 电动机的正反转、停止响应快。4） 能用数字信号的输出脉冲来控制（能开环控制）。5） 只要施加电压，步进电机就有自锁（制动）力，因此能保持在停止位置。 1.4.3 螺线管概述 螺线管是一种相当重要的电磁元件，它的应用范围非常广泛，遍及世界各地，确切地说，有成千上万种不同的应用场合。当螺线管通电时，空气中将会产生电磁场。如下图所示，螺线管的磁力线同条形磁铁的很相似，在没有任何外部影响的情况下，磁场保持平衡。 将铁芯穿过线圈就形成了电磁铁，磁力线与铁芯耦合。如果铁芯不在线圈的中间位置，将产生如上图所示的不对称磁场。不对称磁场将使铁芯向线圈的中心位置运动以使磁场达到平衡状态。利用这个原理可以在按钮的按键上产生机械驱动力。图1-5 螺线管工作图 如下图所示的是一个叶片式的螺线管。其中“L”形的铁芯和叶片组成磁路。当线圈通电时，叶片被拉到铁芯上。“C”形的螺线管跟叶片式螺线管相比，可以提供更大的移动距离。磁路通过固定在中央的线圈做成“C”形，铁制的导杆和定位器组成磁路。图1-6 叶片式螺线管和C形螺线管1.4.4 涡流概述 运动的导体通过磁场时会产生感应电势。任何导体都会产生涡流。如下左图所示，涡流是完全寄生于导体内部的电路。由于电流存在于导体内部，它们表现为短路电路。涡流的存在会引发两种结果：1）导体的发热量与电源的消耗量直接成正比；2）进入涡流的能量意味着能量的损失。虽然在导线中涡流引发的损失并不大，但是在电磁元件中如变压器、螺线管、电动机等，这种损失是相当严重的。为了减少涡流造成的损失，大多数交流电磁元件都采用叠片铁芯。叠层板是一种在电气上隔离的独立磁性物质。薄薄的叠层板减小了涡流的有效路径，从而使涡流最小。 如下右图所示的是一个有趣的涡流效应试验。把一个非磁性的导电板（铝制或铜制的）放在桌上，再将蹄形磁铁放在导电板的中央，慢慢地前后滑动磁铁。你会发现磁铁的移动没有什么阻力。然后快速移动磁铁，你就会注意到，此时产生了很大的运动阻力。实际上，你甚至还需要将向下导电板夹住，以防它随着磁铁一起运动。随着磁铁的运动，导电板内产生涡流。电流出现时，它将阻碍磁场，此时导电板被磁化。一旦磁铁停止运动，涡流消失，导电板消磁。图1-7 涡流实验图1.4.5 光电耦合概述 在论述光电耦合知识之前，不可回避地要谈到传感器。传感器在工业标准中传感器被定义为“实现感觉功能的检测器件”。这里所谓的感觉功能即人的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等感觉。为了使机器人之类的计算机控制装置工作，相当于人类感觉功能的检测器件是必须的，这种器件就是传感器。 光电耦合器件中最常用的就属光传感器了。半导体元件中有光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、CDS等。使用这些元器件或者其组合就可以制成检测光的光传感器。光传感器是把光信号转换为能被接收的电信号的元件。从原理上可分为：1）接收光后使电阻改变的元件，如硫化镉（CDS）光导管；2）接收光后产生电势的元件，如光电二极管、光敏三极管、光电池等；3）接收光后产生热量的元件，如热电传感器等。 这里只对光电二极管及其应用进行概述。在普通二极管上施加反向电压、光照，则会使二极管上流过反向电流。其特性如下图及说明所示。图1-8 光电二极管工作原理图1） 反向流动的输出电流小；2） 敏感波长为4002000nm，从紫外线到红外线的光谱范围都能检测，最高灵敏度在850nm；3） 响应速度在us级，具有告诉响应的特性；4） 发光量与检测电路成正比，线性范围大，可用于发光量的检测和颜色的识别。 如下图所示，发光二极管的输出电流小，要用晶体管等器件来放大。把光电二极管和晶体管做成一体的元件就是光敏三极管。图1-9 光电三极管工作原理图 发光二极管和光电三极管可组合成一种常用的光电耦合器件光电开关。光电开关可用于检测物体是否接近。它有透射型和反射型两类。如下图左图所示为透射型光电开关。发光管为LED，用于发光。发出的光由作为接收器的光电三极管接收。一旦物体靠近遮断了光三极管即可检测出这种状态。如下图右图所示的是反射型光电开关。靠近物体时，发光器件发出的光从物体上反射，射入光接收元件，从而检测出有无物体靠近。当然，发光管可以由单片机控制通断时间以控制接收器件的通断。图1-10 投射式和反射式光电耦合1.4.6 电磁阀概述 追溯电磁阀的发展史，到目前为止国内外的电磁阀从原理上分为三类（即直动式、分布式、先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分布重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分布直动活塞结构、先导活塞结构）。对于除直动式外的电磁阀在此不作赘述。 直动式电磁阀的原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。图1-11 电磁开关阀1.4.7 数字电路概述 数字电子技术是当前发展最快的学科之一。数字电路的设计过程和方法也在不断地发展和完善。由于半导体技术的迅速发展，微型计算机的应用，数字电子技术在现代科学技术领域中占据很重要的地位，应用也越来越广泛。数字逻辑的几种最基本的逻辑电路（逻辑与、逻辑或、非门电路）概述如下。（1）与逻辑及其实现电路 这种逻辑电路实现的功能是，只有当决定事情结果的全部条件同时具备时，结果才会发生。正如相串联了几个开关按钮电路，只有当所有串联的开关按钮都闭合才会点亮灯。能实现逻辑与作用的一种电路是如下所示的二极管与门电路。图1-12 与门实现电路和逻辑框图 (2) 或逻辑及其实现电路 这种逻辑电路实现的功能是，在决定事物结果的几个条件中只要有一个或一个以上条件具备结构就会发生。正如并联的几个开关按钮，只要其中任何一个或者几个闭合，电路中的灯就会亮。能实现逻辑或作用的一种电路是如下图所示的二极管或门电路。图1-12 或门实现电路和逻辑框图(3) 非逻辑及其实现电路 这种逻辑电路实现的功能是，条件具备了，结果不发生；而当条件不具备的时候，结果却发生。能实现非逻辑的一种电路是如下图所示的二极管非逻辑门电路。图1-12 非门实现电路和逻辑框图 其他的一些逻辑门电路可以通过对这几种基本电路的组合附加一些其他元件即可实现。1.4.8 ABS塑料概述 ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。 ABS根据冲击强度可分为：超高抗冲型、高抗冲击型、中抗冲型等品种； ABS根据成型加工工艺的差异，又可分为：注射、挤出、压延、真空、吹塑等品种； ABS依据用途和性能的特点，还可分为：通用级、耐热级、电镀级、阻燃级、透明级、抗静电、挤出板材级、管材级等品种。ABS外观为不透明呈象牙色粒料，其制品可着成五颜六色，并具有高光泽度。ABS相对密度为1.05左右，吸水率低。ABS同其他材料的结合性好，易于表面印刷、涂层和镀层处理。ABS的氧指数为1820，属易燃聚合物，火焰呈黄色，有黑烟，并发出特殊的肉桂味。ABS有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用；ABS的耐磨性优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的耐蠕变性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的影响较大。ABS的热变形温度为93118，制品经退火处理后还可提高10左右。ABS在-40时仍能表现出一定的韧性，可在-40100的温度范围内使用。ABS的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使用。ABS不受水、无机盐、碱及多种酸的影响，但可溶于酮类、醛类及氯代烃中，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。ABS的耐候性差，在紫外光的作用下易产生降解；于户外半年后，冲击强度下降一半。ABS同PS一样是一种加工性能优良的热塑性塑料，可用通用的加工方法加工。 ABS的熔体流动性比PVC和PC好，但比PE、PA及PS差，与POM和HIPS类似；ABS的流动特性属非牛顿流体；其熔体粘度与加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感。 ABS的热稳定性好，不易出现降解现象。ABS的吸水率较高，加工前应进行干燥处理。一般制品的干燥条件为温度8085，时间24h；对特殊要求的制品(如电镀)的干燥条件为温度7080，时间1818h。ABS制品在加工中易产生内应力，内应力的大小可通过浸入冰乙酸中检验；如应力太大和制品对应力开裂绝对禁止，应进行退火处理，具体条件为放于7080的热风循环干燥箱内24h，再冷却至室温即可2 纸杯销售机构方案及其控制设计2.1 纸杯销售机构方案设计 本设计中我们针对0.5元、1.0元、1.5元三种不等币值设计了三种尺寸不同的纸杯，在消费者按下出纸杯按钮后，纸杯销售机构便能在单片机的控制下选择送出相应币值的纸杯。为了使纸杯销售机构能实现上面所述的功能，我们在下面分别对机械部分和单片机控制部分进行详细的设计分析。2.1.1 纸杯销售机构机械方案的设计 在进行纸杯销售机构机械方案设计之前，我们必须弄清该机构要实现的是什么功能。该纸杯销售机构中包括了纸杯选择机构和纸杯送出机构。针对这两个机构我们将会在下面分别进行详细设计分析。2.1.1.1 纸杯选择机构方案设计 纸杯的选择该用什么形式的运动来实现，这是我们在机械方案设计之前必须要解决的事情。本设计中我们选择用单片机对步进电机进行控制进而驱动纸杯选择机构针对投入售货机的不等币值进行相应纸杯的选择。步进电机输出的是旋转运动，我们是否就直接用圆周运动的形式实现纸杯的选择呢？基于设计要简单的原则，在此我们就直接选择旋转运动的形式选择纸杯。针对0.5元、1.0元、1.5元的不等币值，我们设计了三种不等容积的纸杯（至少分别能容纳100ml、200ml、300ml的饮料）如下图所示。图2-1 纸杯初步设计图 考虑到步进电机控制程序编制的难易问题，我们下面的设计方案，分析说明如下。图2-2 纸杯选择机构简图 如上图所示，转轴与步进电机通过联轴器相联结，三种纸杯分别放在中心对称布置的三个纸杯存储筒里，初始的情况是1元纸杯筒被定位在纸杯送出口正上方。在消费者只投入了1元硬币的情况下，步进电机锁定；当消费者只投入了0.5元硬币的情况下，步进电机逆时针转过120角度并锁定2分钟后回转120回到原始位置；当消费者同时投入了1元和0.5元的硬币的情况下，步进电机顺时针转过120并锁定2分钟后回转120到原始位置。2.1.1.2 纸杯挖出机构方案的设计 前面器件的概述部分我们对螺线管已经有了部分的了解。螺线管是一种应用非常广泛的电子电力器件，它可以通过螺线管内线圈中电的通断实现外部机械结构的运动控制。上面我们设计了纸杯的选择机构，纸杯的送出机构自然也要结合选择机构来设计。观察上图我们会发现托盘上留了一道口子，而我们仔细观察三种纸杯的时候也不难发现每种杯子的口径都是40mm并且设计了耳朵，这些是我们为实现纸杯选择机构和送出机构合理结合而预留出来和做的准备。这里我们将用到的是如下图所示的叶片式螺线管。图2-3 叶片式螺线管 此螺线管运动部分将被合理地安插在托盘预留口以实现与层状纸杯合理地挤压和接触。螺线管在单片机控制下发出的脉冲的控制下实现将最底层的一个纸杯挖出的功能，并在延时等待20S后在复位弹簧的作用下复位。2.1.1.3 纸杯选择及挖出机构的复合和尺寸确定以及加工工艺 确定复合机构各项尺寸是很麻烦的事情，一各部件有着相互约束作用，二不能影响复合机构的功能。分析问题的方式很多，在此我们从源头“纸杯”着手。纸杯堆叠起来后呈层状结构，如何才能保证每相邻的两个纸杯之间的距离保持稳定呢，我们采取了下面的办法，如图所示。图2-4 纸杯改进图 如上图所示优化后的纸杯，对原来设计的纸杯从开口处往底20mm改造成圆柱状的，如此纸杯与纸杯堆叠后相邻纸杯的耳朵就能保持20mm左右的狭小范围，这样才能保证螺线管运动杆的运动设计空间。螺线管将纸杯挖出的原理图如下图所示，螺线管的运动杆端部是非封闭环结构，这样设计是为了确保能挖下纸杯的图2-5 螺线管挖纸杯示意图同时不损坏纸杯。为了避免螺线管运动杆运动的过程中与托盘发生干涉，以及避免运动杆端部运动期间与纸杯发生簧片失效导致螺线管失效，螺线管运动杆、托盘及其上面的结构的尺寸分析如下。 螺线管挖出纸杯的过程是这样的，当螺线管线圈没有通电的情况下，运动杆在复位弹簧的作用下远离纸杯；一旦螺线管线圈通电，运动杆便迅速顺时针转动，簧片在碰到纸杯耳朵并相互作用的过程中发生形变直到扣住最底层的那个纸杯，一旦通电结束运动杆会在复位弹簧的作用下回转并将纸杯挖出。由于纸杯的口径是40mm，我们设计纸杯的耳朵伸出口径边缘1mm，所以纸杯选择机构与纸杯挖出机构结合处（即出纸杯口处）的孔径应保持在40mm41mm（绝对不允许小于40mm以防纸杯无法挖出，也绝对不允许超过42mm以防纸杯自动掉落）。前面我们已经优化了纸杯的设计以使叠堆层状杯子每相邻的两个杯子孔径之间的距离保持在20mm左右。在设计托盘及其特征结构之前，我们必须把螺线管运动杆端部安装的簧片的尺寸设计完成。我们对簧片的尺寸设计如下图所示。图2-6 纸杯挖爪 采用如上图所示的设计是为了实现簧片在通电的时候能变形并夹住最底层的纸杯，而当从通电转向断电状态的时候簧片变形量尽量小以达到挖出纸杯的目的。了解了簧片的部分尺寸后我们就可以根据螺线管运动杆的运动规律设计运动杆的各项尺寸了。分析纸杯挖出机构我们不难发现，运动杆的运动其实就是一个刚体绕着一个旋转中心所作的旋转圆周运动。下面我们结合机构简图对运动杆的运动进行计算分析，然后再设计运动杆的尺寸参数。在构建的机构简图中我们将簧片简化为一片50mm长的钢片。机构简图如下图所示。图2-7挖纸杯机构运动简图 初步分析，相邻两个杯子口径之间的距离为20mm，那么如果纸杯存储箱内能容纳高度为1000mm的话，则最多可容纳各种纸杯总共150个，假如三种杯子的重量分别为10g、15g、20g，则三个相应的纸杯筒里纸杯的重量分别为500g、750g和1000g。随着饮料的陆续销售，纸杯筒里的纸杯会越来月少重量自然也逐渐减少，所以为了能让筒子里面的每个纸杯都能销售出去，我们还需要设计一个压迫纸杯往托盘压的压块（一方面是因为纸杯太轻，另一方面是由于压块还可以辅助纸杯挖出机构将纸杯挖出），与此同时，我们还可以设计让这个压块在销售完相应的纸杯后作为开关打开一个灯以表明该类纸杯已经销售完了。 由于运动杆端部簧片的运动简图模型长度为50mm我们将LAB值设计为60mm，LBC设计为30mm，LCD设计为40mm，LDE设计为50mm。下面我们对通电状态下的运动杆进行受力分析。我们设计弹簧在ABCDE位置时，F2的大小为40N，F磁场力为30N，假设挡块对AB的作用力为f，则根据转矩平衡公式得： F2xLDE=F磁场力x（LAB+LCD）-fx（LAB+LCD）所以 f=10N 即1kg的力。由于终点位置与簧片和纸杯耳朵接触作用的位置很接近，所以我们近似将f等同于簧片与纸杯耳朵之间的作用力，即通电瞬间簧片与纸杯耳朵之间的作用力为10N。根据这个作用力和簧片的尺寸以及各种簧片材料的特性分析，我们是否可以选择出适合的簧片呢？那我们到底该选择何种材料的片弹簧呢？我们还需要进一步分析和验证。如下图所示，纸杯挖爪是由被半圆头螺钉固定在一起的一刚性挖爪部分和一片弹簧组成，而且还外伸了2mm。挖纸杯的时候，片弹簧以外伸的2mm为力的作用对象变形；而真正挖纸杯之前的一瞬间片弹簧受力变形部分则是它的整体。图2-8 纸杯挖爪三维图 我们现在分别对变形对象不同的情况进行分析。当片弹簧整体变形时，受力变形简图如下图所示，L=12mm，P1kg，h=1mm，b=*（20+30）/2=78mm（由于是圆弧，在此以中间半周长作为长度），所以依据公式P=1kg得到0.923kg/mm2 ，我们先取1kg/mm2 ，但为了顺利地挖取杯子，片弹簧的变形量还得符合F2mm，根据变形量公式2mm 得到E48kg/mm2 我们选择片弹簧材料的时候要依据弹性模量E和许用应力而选择。图2-9 片弹簧受力变形图 我们把螺线管运动杆及其端部的簧片尺寸弄清楚之后，我们就可以着手做托盘及其特征结构和尺寸的设计了。为了避免螺线管运动杆端部簧片在运动过程中与托盘发生干涉，依据簧片的尺寸值，我们将托盘上的开口处小圆直径设计在40mm42mm之间，而将簧片出入的半环口直径设计为64mm，而将开口的宽度设计为12mm，具体尺寸设计如下图所示。图2-10 纸杯托板 根据上面的分析可知，运动杆端部与纸杯耳朵之间的作用力为10N，为了使最后一个杯子也能被挖出，我们必须设计压块使纸杯（从断电到通电状态）在与簧片作用过程中始终不被抬起。已知单个大纸杯的重量为20g，我们把压块的重量设计为G，则依据20/1000 * 10 + G 10 可知G 9.8N 所以将压块的质量设计为1kg，为使消费者明白何种纸杯已经销售完了，我们可以用压块用线连上开关，当最后一个纸杯被挖出后压块拉下连线打开相应的指示灯以示该种纸杯已经销售完毕。由于三种纸杯的高度各不相同，分别为40mm、80mm和120mm，而我们设计的纸杯销售系统指示灯开关与托盘之间的距离为1120mm。因为放置纸杯的筒子直径稍微比纸杯大口径大一点，我们把压块也设计成圆柱形的，直径稍微比纸杯大口径小一点，我们将其直径设计为39mm，高度为120mm，根据密度我们可以选择相应的材料设计此压块。依据上面分析中已知的数据，我们可以设计针对小杯、中杯、大杯的压块拉线尺寸分别为（1120-40-120+5）mm、（1120-80-120+5）mm、（1120-120-120+5）mm，即分别为965mm、925mm和885mm。 托盘上螺栓该选用那种材料及其校验将在下面分析。假设我们设计的托盘表面与纸杯之间的滑动摩擦系数为0.1，则在三个纸杯筒子里面都装满了纸杯并且把压块都压好了的情况下，托盘受到的总的压力F总=（500g+750g+1000g+3*1000g）/1000 * 10=52.50N 根据滑动摩擦的计算公式 f=F * u 得到 f=5.25N 相对托盘的中心 f的作用半径R为（120-70）mm即50mm，所以托盘受到的转矩T=f * R=0.2625N*m 而四个螺栓的受力半径r都是140mm 所以依据 T=4*f螺栓*140mm 可以得到每个螺栓所受到的剪力f螺栓=0.46875N根据公式 u*F0*r*4=Ks*T 可得螺栓的预紧力（令u=0.1，Ks=1.2）F0=5.625N 因此根据紧螺栓连接强度的计算公式 = F0/4d2（其中d=8mm）得=69.977pa 所以所选螺栓至少要能承受（1.3*69.977）pa=90.97pa的强度考验。 纸杯销售机构的机械设计部分就到此为止，具体的尺寸及加工工艺及数控加工编程将分别在图纸和毕业设计的附录里给出。下面将展开分析的是纸杯销售系统的控制部分设计。2.1.2纸杯销售机构控制方案的设计 “控制”一般被定义为“为了达到某一合适的目的对作为对象之物施加所必要的操作。2.1.2.1 纸杯销售完毕指示灯电路分析设计 纸杯销售系统中三种纸杯的尺寸不等，如果消费者想要1元的饮料但针对1元饮料量的纸杯已经销售完毕却不能让他知道，消费者投入1元人民币后就得不到纸杯，所以我们应该设计相应的指示灯电路来向消费者提供相应的信息。在前面的分析中我们已经对纸杯销售完毕指示灯的机械设计部分有部分说明，且已知了压块的的直径为39mm，高度为120mm；针对三种杯子的指示灯开关连线的长度尺寸我们也已经设计好了，从小到大分别为885mm、925mm、965mm。所以要完成此电路的设计，我们要把连线一端的开关设计好。前面我们已经预留了5mm的连线长度以使指示灯只会在最后一个纸杯销售完了之后才开启。由于在最后一个纸杯没有被销售完毕之前，指示灯开关是不允许被连通的，所以我们要设计的开关应该是常开式的开关元件。下面我们只对针对小纸杯的指示灯开关的设计进行详细说明。如下图所示，连线预留了5mm，所以连线长出最后一个纸杯底端的长度应该是（965-5）mm，即常开开关达到闭合状态的时候接触点距离最后一个纸杯底端的高度应该是960mm，所以我们设计的常开开关闭合触点距离托盘上表面的距离应该是（1000+120）mm即1120mm。常开开关的设计要用到弹簧以使在最后一个纸杯还没有销售完毕之前始终保持断开的状态。由于这个系统要求对三种纸杯的销售完毕情况给予反馈，所以我们采用三个指示灯各与一个开关串联后分别并联的方式来设计此纸杯销售完毕指示灯电路系统。电路系统如下图所示。图2-11 各种纸杯售完指示电路 注：该电路可以与售货机的其他功能电路集成在一起。2.1.2.2 纸杯选择机构控制电路及程序的设计 前面已经声明，纸杯选择机构的控制是通过单片机控制的步进电机来驱动的，我们再次对步进电机的相关重要内容进行说明。步进电机是工业过程控制及仪表控制的主要控制元件之一。步进电机有以下几个显著的特点1）步进电机可以直接接受数字信号，而不再需要D/A转换；2）步进电机具有快速启停能力，可在一刹那间实现启动和停止；3）步进电机精度高，步距角可由每步90降低到0.36；4）步进电机由于精度高且不用传感器，故定位准确。 常用的步进电机由三相、四相、五相、六相四种，其旋转方向与内部各绕组通电顺序有关。单片机控制步进电机，主要任务是把二进制数编程脉冲序列，按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制。每输入一个脉冲电机沿选择方向前进一步，每前进一步电机转动一个固定角度。从这个意义上讲，电机也是一个数字/角度转换器。另外还控制电机前进的步数，这是由控制工艺决定。 在纸杯选择销售机构方案设计部分我们已经设计了步进电机的运动方案，根据这项方案设计我们可以选择用三相步进电机的三相六拍方式的控制方案，可以选择四相步进电机的四相十二拍式的控制方案，可以选择五相步进电机的五相十二拍式的控制方案，或者选择六相步进电机的六相单六拍式的控制方案，比较后我们不难发现，选择三相步进电机的控制方案是最简单的，因此我们选择用三相步进电机的三相六拍方式的控制方案。关于三相步进电机的工作方式及控制字的表格如下表所示。图2-12 三相步进电机控制字表 从上面的状态表我们可以知道，B绕组通电的时候步进电机静止不动且锁定销售1元纸杯，当步进电机逆时针转动120后锁定销售0.5元的纸杯，当步进电机顺时针转动120并锁定销售1.5元的纸杯。单片机对步进电机动作的控制流程图如下所示。步进电机的三相绕组如果按B-BA-A-AC-C-CB-B方式通电，一个循环转过90，按照这种方式4个循环就能转完360。如果按B-BC-C-CA-A-AB-B的通电方式通电的话，步进电机就会反方向转动90，4个这样的循环就能转完360。所以步进电机顺时针方向转过120的通电方式就是B-BC-C-CA-A-AB-B-BC-C,而逆时针方向转过120的通电方式就是B-BA-A-AC-C-CB-B-BA-A逆时针转1201元纸杯0.5元纸杯1.5元纸杯保持保持顺时针转120图2-13 电机选择纸杯运动方式 AT89S51单片机有4个双向的8位I/O口P0-P3。其中，P0口为三态双向口；P1、p2、p3口为准双向口（用作输入时，口线被拉成高电平，所以称为准双向口。P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口还可以用来输出外部存储器的第8位地址。由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。P1口是专门供用户使用的I/O口，用户可以利用它作为I/O口线使用，它是准双向口。P2口是