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饮料自动售卖机设计,饮料,自动,售卖,设计
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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 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： 方赏华 学 号： 0600110204 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 龙向前 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 整机的部分优化设计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）64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口是供系统扩展时作为高8位地址线用。如果没有系统扩展，它也可以作为用户I/O口线使用。P2口也是准双向口。P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O口功能或者第二I/O功能口。作为第一功能口时，p3口的结构与操作同p1口。P3口的第二功能有串行输入口、串行输出口、外部中断0、外部中断1、定时器0外部输入、定时器1外部输入、外部数据存储器写脉冲、外部数据存储器读脉冲等共8项功能。每个I/O口都有两种读入方法：读锁存器和读引脚。每种读入方法都有相应的指令。步进电机与AT89S51单片机的连接口我们应该选择哪种I/O口呢？根据上面的分析，我们选择用p1口的p1.0、p1.1、p1.2三位分别与步进电机的A相绕组、B相绕组、C相绕组相连接。在步进电机和单片机之间连接的电路有光电耦合和驱动电路部分，如下图所示。在选择电阻R1等的时候要特别注意，能维持发光二极管点亮状态的电流范围是3mA-10mA，超过了这个范围发光二极管能被点亮却会立即被烧毁。所以根据通电电压为5v，我们在选择电阻R1、R5、R9的范围应该在【5*1000/（3，10）】欧姆，即（500，1667）欧姆的范围。我们以p1.0口部分来解析该电路的控制作用。当p1.0口置“0”的时候，发光二极管被点亮并耦合光敏三极管使其导通，此时R12右侧图2-14 三项步进电机和螺线管的控制电路的三极管不能导通，所以A相是断电的；相反，当p1.0被置“1”时，发光二极管是熄灭的，R12右侧的三极管基极电压为5v，该三极管导通，经二级三极管的放大作用驱动A相绕组通电，步进电机逆时针转动120销售0.5元的纸杯。P1.1和p1.2接口部分电路的工作原理亦如上所述。 那么我们进行纸杯销售机构控制程序设计的条件充足了嘛？还不够，因为我们还没确定控制电机顺时针或者逆时针转动的信号应给怎样配置及其输入输出接口该如何选择。在整个售货系统里，我们应用的货币识别装置的识别原理是电涡流传感器对人民币的识别原理，此装置及其原理将在后面进行论述。在这个售货系统中我们设计，当涡流传感器识别到0.5元人民币的时候发出信号使I/O口p1.3置“1”，当涡流传感器识别到1.0元或者两枚0.5元的人民币的时候单片机的I/O口p1.4被置“1”。当AT89S51检测到端口p1.3和p1.4都被置“1”时，纸杯销售系统中的步进电机顺时针转动销售1.5元的纸杯；当只是检测到了p1.4被置“1”时步进电机保持静止且被锁定位置；当只是检测到了p1.3被置“1”时步进电机逆时针转动销售0.5元的纸杯。所以该步进电机的控制流程图如下所示。电机顺时针转延 时 10s 钟电机逆时针转静止并锁定P1.2P1.1P1.0置为“010”保持P1.2P1.1P1.0始终不变 步进电机转回最初位置并锁定位置步进电机控制程序P1.4P1.3=01P1.4P1.3=11P1.4P1.3=10P1.1置为“1”按照逆时针B-BA-A-AC-C-CB-B-BA-A通电，每相邻一拍延时0.2s，最后一拍完成后延时10s按照逆时针B-BC-C-CA-A-AB-B-BC-C通电，每相邻一拍延时0.2s，最后一拍完成后延时10s图2-15 步进电机的控制流程图该纸杯选择机构的控制程序可以编制如程序单上的程序1.2.2 纸杯销售机构方案优化设计 优化设计是相对传统设计而言的。传统设计一般是为了达到功能要求却忽略了成本等其他因素的设计，而优化设计却会统筹考虑很多因素的约束作用以达到以最少的投入获得最满意的收获的设计。在优化设计发展历程的不同时期应用的主导方法各不相同，20年代末用的是试算法，30年代用的是表格法，40年代用的是图算法，40年代末用的是函数极值法，50年代至60年代末用的是优化设计方法，发展到现在形成了以遗传算法、网络算法为主要方法的现代优化设计学。一般而言，在优化设计的初始阶段要做的就是对问题进行数学建模，创建在多个约束条件下的目标函数，中期则进行调查确认约束条件和模型的可靠性，后期对所建立的模型进行模型解析得出最优解并按最优解进行设计。在机械制造领域，设计本身就是一种创造，是人类进行的一种有目的、有意识、有计划的活动，而优化设计则可以被描述为一种再创新的行为。创新不管是对我们自身的发展还是对整个国家的未来都至关重要。下面的结构图所示是对创新的划分及其各自在人类活动中的作用的最好概括。震撼人心的是，技术的创新在我们的整个发展活动中起到了主导地位的图2-16 创新方法作用。本纸杯销售机构的优化设计中我们将要用到的就是技术创新的其中一种方法。我们前面已经对纸杯销售机构的框架设计进行了详细的描述，但我们是不是忽视了一个问题？即我们方便了消费者却有可能忽略了售货机操作员的存在。纸杯随时都有可能被销售一空，一旦如此即便有消费者想要他们的心理也会受到打击，所以必须要有操作员根据抽日期对销售情况调查并根据所得数据确定对售货机进行操作换纸杯及检查的间隔时间。但我们在前面的设计中并没有为方便操作员而对机械方案严加约束。售纸杯机构在断电的情况下步进电机没有被锁定，它控制的纸杯选择机构是可以随意转动的，这为操作员补充纸杯带来了方便，但如何才能让操作员瞬间完成对纸杯存储筒子中补充纸杯的动作呢？这就需要我们对纸杯筒子的设计进行必要的优化设计了。 如何设计存储纸杯的筒子才能让操作员轻而易举就把纸杯补充进去呢？也许我们应该把筒子设计成独立的元件，当里面空无一个纸杯的时候我们可以把它们卸下来补充完纸杯再装上去；或许我们没必要把存储纸杯的筒子做成独立元件，我们只需对纸杯筒子进行拆解组合创新就能达到我们的目的。下面我们用加权系数评分法对两种方法进行比较如下。针对 创新方法独立元件法创新拆解组合法创新影响因素时间成本投资成本加工难度时间成本投资成本加工难度加工时间操作时间加工时 间操作时间权系数0.200.200.400.200.200.200.400.20评分数86886466评价结果7.605.60图2-17 评价创新法的应用两种创新方法的比较，我们考虑了时间成本（加工时间和操作时间）、投资成本和加工难度对整体设计的影响，并且分配的权系数分别是0.4（0.2+0.2）、0.4和0.2。评分是我们对上面权系数分配的认可度的表现，每项最高分为10分。最后根据公式 评价结果分=权系数*对应评分 得到独立元件法的评价结果分为7.60分，而拆解组合法的评价结果分为5，60分，比较发现采用前者我们会付出更大的代价，所以我们决定采取拆解组合的创新方法。既然决定了不把纸杯储存筒子当作独立元件来设计，那我们该如何使该部分在不分离出整体的前提下实现我们的要求呢？何谓拆解组合创新法呢？拆解组合法就是将我们原来设计的整体根据功能要求将其中一部分拆分出来然后以某种连接方式再组合上去从而达到愿望的方法。我们的要求是用最短的时间方便地向纸杯储存筒子内补充纸杯，而纸杯已经是定了尺寸的，因此我们可以对筒子对半拆解以使纸杯直接可以塞入。对于这拆接下来的半个筒子我们又该如何组合上去使其仍然不失为一个整体呢？我们是否想起了我们相对我们房间只是一部分的门和窗户？我们是否也能用门绕着轴转动的原理对拆接下来的筒子进行组合呢？当然是可以的。具体设计我们放在后面的优化设计部分。3 饮料销售机构方案及其控制设计3.1 硬币识别机构的原理概述 自动售货机使社会向着无商店化、无人售化方向发展，这样不但减少了许多劳动力的使用而且还极大地方便了人们的购物。许多自动售货机制造厂家和一些食品生产厂家正在进行新样品的研发和推广。人民币识别装置是自动售货机的重要组成部分。这里我们要介绍的是苏州大学研制成功的一种利用电涡流传感器识别人民币的装置。该装置以单片机为系统处理核心，用传感器将非可测量的非电量信号转换为可测量的电量信号，通过数据处理和智能模式比较识别出人民币币值及真假。电涡流传感器是利用磁路磁阻变化引起传感线圈电感的变化来检测非电量的装置。当电涡流传感器通一交变电流时，在其周围就产生一交变磁场，若一导体置于该磁场范围内导体内便产生电涡流，此涡流也将产生一个新的磁场，两个磁场方向相反，相互作用从而导致传感器线圈电感量、阻抗和品质因数发生变化 这些参数的变化与导体的几何形状、磁导率，增导率、线圈的几何形状 电流的频率及线圈与导体间的距离有关 如果控制以上参数中一个参数改变，就能构成测量该参数的传感器。电涡流传感结构简单、灵敏度高，频率响应范围宽、工作可靠、寿命长、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，目前已广泛用来测壁位移、振动、转速、温度、硬度等参数以及用于无损探伤领域。 不同面值的人民币硬币，其大小、厚度、形状以及其材质均有所不同，故它们的电导率、磁导率也不相同。电涡流传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与其产生的交变磁场内导体的几何形状、尺寸、电导率、磁导率等有关。并且和传感器表面到导体表面的距离和相对覆盖面积有关。所以当不同的人民币硬币从通有交变电流的电涡流传感器表面滑动时将引起不同的涡流效应，使传感器的等效阻抗发生变化，利用这一特征将传感器与一电阻串联后加上频率和幅度均恒定的正弦波，当有金属导体通过传感器表面时，电阻与传感器分压值将发生变化，通过对传感器的输出电压进行动态测量 计算并与存贮器中的模式数据进行比较，识别出不同面值的硬币。下图为人民币硬币识别系统实施框图。 稳频、稳幅振荡器电涡流传感器数据存储器RAM电 阻隔离放大器包络检波器模数转化器单片机信号识别输出接口面值显 示程序存储器ROM图3-1 硬币识别控制部件框图 稳频稳幅振荡器产生一个频率为20KHz 幅度为IOV的正弦波经电阻加到电涡流传感器上，当无金属硬币或其它任何导体从传感器表面通过时，电涡流传感器输出信号最大，并保持恒定不变，它的半波包络线是一条直线；当有金属硬币从电涡流传感器的表面通过时随着传感器与硬币相对覆盖面积的不断变化，引起涡流效应也不断变化，电涡流传感器的输出信号也随之变化，输出信号经隔离放大，包络检波，模数转换由程序计算并进行模式比较，识别出是何种硬币并显示其面值及输出相应的控制信号。当有非人民币硬币的其它导体通过传感器表面时传感器输出的信号经处理、比较后单片机将不产生任何信号，将其自动剔除。电涡流传感器是整个识别系统的关键部件，它性能的好坏，直接影响识别结果的准确度。现采用罐形磁芯，在其中心柱上绕上电感线圈制成电涡流传感器。这样结构简单可靠性好。由于电涡流传感器轴向灵敏度高而径向灵敏度低为保证测量精度，就要求被测导体与线圈间隙始终保持恒定，否则需要采用补偿措施。现将两个相同的电涡流传感器串联起来使用，分别安排在硬币导轨的两侧，这样可对硬币在导轨中滑动与传感器之间产生的间隙起差动补偿作用，确保测量结果的准确性。稳频稳幅振荡电路为电涡流传感器提供频率和幅度均恒定的交变电流。其频率和幅度稳定与否，对识别结果有很大的影响，所以本设计采用场效应管稳幅文氏桥振荡器电路。电路原理图下图所示。下图中用场效应管来控制电路的增益，使文氏电桥输出信号的振幅保持恒定。振荡频率由组成文氏电桥的元件决定，选定R9、R10、C2、C3的值使输出频率为20KHz。结型场效应管Q2等效为一个压控电阻，其内阻在外电压的作用下可由500欧姆变化到1O0兆欧。控制电压是由文氏电桥振荡器通过差分放大器Ql供给，当振荡器输出振幅发生变化时差分放大器的输出将会改变场效应管内阻，使运算放大器的增益发生改变，从而使振荡器的输出幅度保持恒定，为测量电路提供一个良好的信号源。另外，隔离放大器、包络检波器和单片机及其外围电路均为常用电路，其原理在此不再详述。图3-2 稳频稳幅器电路 硬件设计利用电涡流传感器将非电量转换戚可测量的电信号，通过单片微型机的软件控制完成模数转换等数据的计算、智能模式比较、显示识别人民币面值，并输出相应控制信号。将连续投入的人民币的面值累加起来，同时可剔除约币和非人民币币种。软件实施流程图如下图所示。在设计软件程序的时候，我们应该要注意面值显示的时间段。投入硬币并被是别后开始显示，如果2分钟后仍未等到消费者按下抽饮料的信号或者在2分钟内消费者按下了退币按钮或者消费行为已经完成，面值显示的二极管应该清零。开始是人民币硬币否？程序的初始化等待硬币投入信号采集及处理显示面值并输出信号无否图3-3 硬币识别及显示控制流程图3.2 退收硬币机构的方案及控制设计 前面我们已经假定了该售货系统只能辨识1.0元和0.5元的人民币，并且销售的饮料形式只有三种：0.5元、1.0元和1.5元。光投入硬币饮料售货机是不会出饮料的，在等待了2分钟后仍然没等到消费者按下抽饮料按钮，售货机将对硬币进行退币动作；另外一种需要退币的情况是，当消费者手动按下退币按钮后，售货机对投入的硬币进行退币动作。而针对收取硬币的动作则只有当消费者按下了抽饮料按钮后才能进行。切记，售货机收取了硬币只是进行了按投币量进行抽饮料动作，欲使饮料流入纸杯，出饮料按钮必须被按下才行。如此设计是因为这样更人性化，出饮料按钮的闭合与切断直接联系到电磁阀的关闭和打开动作。由于退币和收币动作的对象是同一的，我们采取组合创新的思想来进行设计该机构。仔细分析，在消费者没有对抽饮料按钮或者退币按钮动作前至多在2分钟内该机构应该保持静止，否则该机构就应该对投入的硬币进行退或收取的动作。在进行设计之前，我们以表格的形式对常用的机构对运动的转换能力及其功能评价进行比较如下面两个表格所示。常用机构运动转换功能表 常见机构性能的初步评价表 图3-4 机构运动转换功能表和机构性能评价表 由于我们要设计的机构不论是退币还是收取硬币的动作针对的对象是一样的，我们考虑用往复直线运动的方式为出发点设计该机构。从上面表格获悉，能实现往复直线运动的机构形式有曲柄滑块机构、移动导杆机构、 锲块机构、移动从动杆凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、气液动换向机构等。由于我们要设计的机构针对的对象只是几个硬币，因此运动力学性能要求并不是很高，即效率、平稳性等要求不高。又因为连杆机构有制造比较容易、对制造误差也不敏感、调整方便、能耗一般、质量较轻、结构较简单、噪声较小等特点，因此我们选用连杆机构中的曲柄滑块机构来实现退币和收币的动作。 我们选择了用曲柄滑块机构，那我们该如何设计它的形状及尺寸以实现或者满足我们退币或收币的要求呢？该机构包括曲柄、连杆和滑块。曲柄在步进电机的作用下作圆周转动运动，连杆在曲柄的带动作用下推动滑块往复直线运动。我们可以将滑块设计成中空形状，当它停留在初始位置时硬币通过滑到进入滑块中空部分，因此滑块的中空部位相当于硬币容器。滑块沿着导杆方向运动，它行程两端的水平面也分别是中空的，当滑块在电机的牵引下向一方向滑动将硬币收取时，则当滑块向另一方向滑动时就进行退币动作。为了保证主动杆在运动过程中只沿径向转动而减少它沿轴向的晃动，我们将主动干固定连接在一个辐射轮上。曲柄滑块机构简图如下所示。当主动杆端点B运动到B1位置时滑块与连杆的连接点C点到C1位置，当主动杆端点B运动到B2位置时滑块与连杆连接点C运动到C2位置。图3-5 曲柄滑块机构简图 经测量统计发现，1.0元的硬币厚度为2mm左右，0.5元的硬币厚度约1.5mm，为了保证滑块能顺利将硬币退还或者收取又减小滑块与硬币托板之间的摩擦，我们将滑块设计成两侧有滑翼与滑道间隙配合，滑块与硬币托板之间距离为0.5mm的结构，如此就减少了接触面积减小了摩擦，又能满足将硬币拖动的要求。经测量统计发现，1.0元硬币的直径约25mm，0.5元硬币的直径约15mm。如果我们将硬币滑道设计成30mm4mm的方形滑道，我们可以将滑块设计成内槽尺寸为40mm40mm10mm壁厚为5mm的结构，因此滑块的行程设计为100mm，所以曲柄滑块机构中的主动杆AB的长度应该设计成50mm，而连杆BC的长度应该设计成至少（50mm2+50mm1/2）即125mm，我们将其设计成200mm的尺寸。滑块和硬币托板形状设计如下两幅图所示。采取用6个沉头螺钉将硬币托板与售货机本体连接。在安图3-6 曲柄滑块机构之滑块三维图图3-7 曲柄滑块机构之滑块的导向构件装设计该硬币收取和退币机构的时候切记我们设计的是对心而非偏心曲柄滑块机构，因此应该使主动杆的旋转中心与连杆和滑块连接环的圆心在同一水平面上。 为了确保消费者每次投入的硬币能被挡在硬币托板上，我们将曲柄滑块机构的滑块初始位置设计在硬币托板非中空部分的正上方位置（如下图所示位置），而此时曲柄滑块机构主动杆端点B位置正好如前面所示的曲柄滑块机构简图所示位置。注意，滑块和硬币托板之间是有间隙的（间隙为0.50mm左右），至于原因我们前面已经说过。图3-8 滑块与导向部件的装配 下面我们对该机构进行受力分析和运动分析。我们选择的电机输出转矩为2NM，转速为39r/min，则根据功率公式P=Tn/975得电机的输出功率为40瓦。我们将电机与曲柄滑块机构主动杆相连的轴直径设计成10mm，因为主动杆的长度为50mm，所以根据公式T=FR得到主动杆与连杆相连处沿切向的牵动力为40N。然而，我们动态地分析曲柄滑块机构的受力时却发现，当滑块滑到如下图所示的两个极限位置的时候，滑块却没有受到任何力的牵引，所以为了防止滑块滑到两个极限位置时突然停止，我们将该机构滑块的初始运动位置设置在两极限位置之间以达到当滑块到达极限位置的时候已经有足够的速度依靠惯性度过难关。图3-9 曲柄滑块机构运动的两个极限状态 同样的，我们对该机构进行运动分析。当主动杆处于垂直于水平面的时候，主动杆端部的运动速度和滑块的速度是一致的；但当滑块到了极限位置时，即使主动杆的转度仍然维持，滑块的运动速度却在这一瞬间为0，而且这一瞬间滑块的加速度也是0，所以这种状态也需要惯性来打破。所以仅仅将初始位置设置在中点位置还是不够的，我们可以将主动杆所在的转动轮的质量设计得大点，如此增大了惯性就有助于渡过这个转折点了。 不知道有人想到过没有，硬币是商业的目的，然而却很薄易丢失。虽然步进电机即使在开环控制下也能精确运动，但难免会因为一些原因丢步或出现其他问题以致滑块没能与硬币托板正对上，如下图所示。如果这样的话就可能伤害消费者的权益，即使这样的概率极其微小。而前面我们已经对曲柄滑块机构进行了简单的运动分析，硬币一旦随着滑块运动起来就有了速度，它不会因为滑块突然停止运动而停止运动，它还会向前滑动一段距离。所以我们可以将硬币托板（滑块导轨）的非中空部分分别向两个方向加长2.5mm。这样就不至于在未按下抽饮料按钮之前出现硬币已经掉落的问题，即使偶然因电机误动作。图3-10 因硬币托板尺寸设计不足导致硬币从缝隙掉落在曲柄滑块机构的设计中我们还有一个问题就是轴及其与其他结构的装配安排了。我们选择的电机输出端连接的是直径为10mm的轴。由于该轴一端连接电机，另一端连接主动杆所在的转轮，与轴系相互作用的还有其他的一些诸如滚动轴承的部件，因此轴系可能会因为所受力的作用而减少它的寿命甚至很快报废，所以我们应该先对该轴结构进行装配方案设计如下示意图所示，然后再进行受力分析以改进轴的装配结构。已知的条件有：转动轮的直径至少要100（我们将其设计成120），转轮两侧装的是滚动轴承，轴的一端由联轴器连接到电动机。如果按下图方式装配该轴，轴的径向将受转轮，联轴器及套筒、端盖等的压力作用，图3-11 曲柄轮所在轴设计方案轴向也会因为电机的窜动受力。现在我们把转轮的最大厚度设计为20mm，并将其质量设计成5kg，查表得知联轴器的重量为1.56kg，将右轴承右侧机构等效到轴承上的重量为3.0kg，将左轴承左端结构等效到转轮上的重量为6kg。设左侧轴承对轴的反作用力F1且方向向下，右侧轴承对轴的反作用力为F2且方向向上。依公式 3*110+6*20=F2 *50 得到F2=9kg图3-12 轴承受力分析简图依据公式 F1 *50+6*30=3*60 得到F1=0kg。所以左侧轴承似乎没有什么作用。但是我们在前面已经说了，由于电机工作过程中会出现不稳定并窜动的情况，可能会对求轴承造成磨损，为了减轻这种情况造成的损失，我们可以将左侧的球轴承改换成向心推力轴承或者干脆不要该轴承而将轴端加厚一点以抵消在电机窜动情况下产生的轴向力。改装之后的结构简图可以如下图所示，本设计中将其删去。具体机械图在图纸上。图3-13 改进后的轴承受力分析简图在硬币托板左侧空心位置的正下方放置收取硬币的箱子以储存和保护硬币，在硬币托板右侧空心位置的正下方我们设计一个退币滑道以退还真假硬币，具体设计将在我们的总装图中进行展示。 既然我们将收取硬币的储存箱置于左侧，那么控制曲柄滑块机构的电机逆时针旋转一周就是收取硬币的动作，而顺时针转动一周就是退币的动作了。那么以什么信号来控制电机的正反转呢？试分析，如果硬币检测装置检测到假的硬币无论消费者按下了抽饮料按钮与否电机都应该顺时针转一周退币，而如果硬币检测装置检测出的硬币是真硬币而消费者并没有按下抽饮料按钮电机就应该保持不转，否则就逆时针方向转一周以收取硬币。所以控制电机动作的信号应该是抽饮料按钮信号和硬币检测信号的组合信号。但我们应该明确，硬币检测信号也是0.5元币和1.0元币的组合信号，所以如果消费者投入了两次硬币且哪怕有一次投入的是假的硬币，电机就应该顺时针方向转一周退币。在此我们同样选择AT89S51单片机控制四相步进电机对硬币的取舍。四相步进电机如图3-14所示。图3-14 所选四相步进电机 我们将抽饮料按钮的信号线接到AT89S51的P1.0口，将硬币识别信号线（假币信号线）接到AT89C51的P1.1口。假设我们前面所设计的硬币识别装置检测到假币或非币信号时假币信号线置“0”，而当消费者按下抽饮料按钮时也会导致P1.0口置“1”，于是我们可以将退收币电机控制电路设计如图3-15和3-16所示。在非门控制下假币或非币信号“0”被改变成了“1”信号。图3-15 四相步进电机驱动电路1图3-16 四相步进电机驱动电路2前面纸杯销售部分的程序我们是用C语言编写的，在此我们将用汇编对硬币的取舍进行编程如程序单上程序2所示。3.3 抽饮料及出饮料控制方案的设计3.3.1 抽饮料机构及控制方案设计本售货机系统中，饮料并没有预先存储在售货机当中，而是存储在室内的冷冻保鲜箱中。所以，我们需要设计一个抽饮料控制方案使水泵和电机按照我们的意图自动工作。而对如何对饮料抽取量进行控制以及何时开启电机进行抽饮料的控制将是抽饮料方案设计的重头戏。我们知道，饮料的抽取量与消费者所投入的硬币量是一一对应的，我们是通过所投入应币量的信号来控制抽取时间以达到目的呢还是对售货机内置的容器进行改造以反馈的方式进行自动控制？凡是用过水泵或见过水泵工作的人都应该知道，水泵的抽取流量时刻受到电机功率的影响，而电机的功率总会因为外界种种原因波动，鉴于这个原因，我们采取水塔自动控制的原理兼单片机对电机开启的时间控制来设计饮料抽取量的控制方案。这种方案能更精确地控制饮料的抽取量，对消费者对饮料商自身都是一种负责人的图3-17 饮料容器初始设计方案行为。该控制方案中的容器如图3-17所示。图中内外连通的是四个金属电极，最下面的电机接+5v电压，上面的空心管道连接液压泵用于抽饮料，下面的空心管道连接容器内的饮料和下面的电磁开关阀。当液压泵抽取的饮料达到（从底部到顶部数）第二个电极时，第二个电机将由“0”状态改变为“1”状态，此时表示容器中饮料量已经达到0.5元人民币所对应的量了。以此类推。 假如消费者投入了0.5元人民币欲获得相应量的饮料，除了容器中电极信号作为控制信号外，最关键的还是硬币投入量这个初始控制信号。电极信号的变化只能反馈给消费者或者电机所抽取的饮料量已经达到某个量值了而只有硬币投入量这个信号可以告诉单片机控制电机在哪个电极状态变化时可以停止转动了。前面所设计的纸杯销售机构的控制方案中我们用到了硬币投入量控制信号P1.4P1.3信号，在这里我们同样也要用到，这里我们同样将硬币检测信号线连接到接口P1.4P1.3。前面我们用的都是AT89S51单片机，这里我们以8031单片机为控制核心，由于8031单片机里没有内部程序存储器ROM，因此需要向外扩展ROM作为程序存储器。本系统中我们使用2732构成的4KB的外扩展程序存储器，其中74LS373作为地址锁存器。下面是我们进行单片机控制电路的设计如图3-18所示。图3-18 8031ROM外部扩展连接图图3-19 8031控制电机电路图 如上面控制电路图所示，控制信号由于P1.5端输出到控制电机。为了提高控制的可靠性，我们使用了光电耦合。同样是为了使得硬币检测信号不丢失以保证控制信号的稳定可靠，我们对硬币识别装置送来的信号经过非门回归到+5V或0V。为了让消费者能了解到售货机内置容器中的饮料量已经达到多少，我们在三根电极相连的电路中布置了三个发光二极管。当液位达到0.5电极时左侧二极管发光，如果液位继续上升到1.0电极中间的二极管发光，如果液位还继续上升到1.5电极右侧电极将也会发光。我们将三个发光二极管在竖直方向上隔档排列，并将隔档面向消费者一侧做成透明塑料的并在一侧注明容量值，如此可以缓解消费者等待的急躁心理。具体隔档是如何设计的如图3-20所示。图3-20 饮料桶中饮料两指示灯 必须重申，我们在这部分设计中对饮料抽取量的控制由反馈控制和时间控制两部分共同作用。为了防止消费者投机取巧以为提前按下出饮料按钮就能源源不断有饮料流出，我们将出饮料按钮对电磁开关阀的控制信号也连到抽饮料控制单片机8031的P1.6口，一旦投机取巧者提前按下出饮料按钮，电机便马上停止抽饮料，消费者只能得到之前抽取到容器中那部分饮料。 在对单片机写入程序之前，我们还得选择相应的水泵和电机，否则我们就不知道该如何控制电机运转时间。我们先对水泵的性能参数及其关系进行一定的了解。水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。泵的流量是指单位时间内所排出的液体的数量。泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。泵的总扬程由吸水扬程与出水扬程两部分组成，因此总扬程=吸水扬程+出水扬程，但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因此 吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程 出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程 损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程 总扬程=实际扬程+损失扬程由于水泵铭牌上标明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意。否则，如果只按实际扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上的水管和附件种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程与吸水损失扬程之和。允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或生产气蚀现象。如生产气蚀，不仅水泵性能变坏，而且也可能使叶轮损坏。转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如泵运转超过额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假想的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几何相似，而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。大流量、低扬程的水泵，比转数大，反之则小。一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。功率是指机组在单位时间内作功的大小。水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种。（1）有效功率 它是除掉水泵内部分损失功率后，纯用于扬水所消耗的功率，因此又称为净功率、输出功率或水马力。有效功率值可用水泵的流量和扬程计算得出： 流量（千克/秒）总扬程（米）=有效功率率（千瓦）（2）轴功率是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。它是水泵有效功率与水泵损失功率之和。水泵的损失功率主要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。（3）配套功率 它是指水泵应选配的动力机的功率，配套功率可按下式求得：动力安全系数（千克/秒）扬程（米）配套功率（千瓦）=102水泵效率传动效率。动力安全系数（或称备用系数）可根据水泵轴功率大小确定，轴功率小时取大值。传动交率要根据传动类型和传动方式确定。采用联轴器直接传动时，取0.99。采用皮带传动时，开口式传动取0.98，交叉传动取0.9，半交叉传动取0.920.94；三角带传动取0.96。我们选择的水泵是叶片泵，所以我们对叶片泵的工作原理进行一定文字的叙述。先看下面单作用叶片泵的工作原理图，它是由转子1、定子2、叶片3和配流盘等零件组成。它的内表面是圆形的，转子和定子之间有一偏心量e，配流盘只开一个吸液窗口和一个压液窗口，叶片装于转子槽内可灵活地往复滑动。当转子转动时，叶片顶部将因离心力作用而始终压在定子内圆表面。这样定子、转子、两相邻叶片和两侧配流盘间就形成密封容器。当转子按图示方向旋转时右边两相邻叶片由于外伸，密封容积逐渐加大产生真空，饮料储藏箱中饮料由吸口经配流盘上吸口进入密封容积空间，这是吸液过程。左侧相邻叶片被定子内表面压入转子槽内使密封容积逐渐变小，饮料经配流盘压液口被压入到系统中，这是压液过程。在吸液区和压液区之间各有一段封液区将它们隔开以保证泵在转子每转一周的过图3-21 电机及水泵安装示意图中每个密封容积完成吸液和压液各一次。单作用叶片泵配流盘上叶片底部的通液槽通常做成高压腔和低压腔，即高压腔通高压力液，低压腔通吸液。当叶片处于吸液腔时，叶片底部和配流盘低压腔相通也参加吸液；当叶片处于压液腔区时，叶片底部和配流盘高压腔相通向外压液。叶片底部的吸液和压液作用正好补偿了工作容积中叶片所占的体积，所以叶片体积对泵的瞬时流量没有影响。单作用叶片泵转子和轴承上受到不平衡液压力，其大小F满足关系F=pBD（其中F为不平衡液压力，p为泵的工作压力，B为叶片宽度，D为定子直径）。径向不平衡力随泵工作压力提高而提高，因此这种泵的压力不能太高。不计叶片厚度时，叶片转一周每个密封容积变化量 V= 所以排量为Q=ZV=2BDe，理论流量为QT=2BDen（其中e为定子和转子的偏心量，Z为叶片数）。从公式可以看出，泵的排量和理论流量随泵偏心量的变化而变化。我们选择型号为YB-6的液压叶片泵输出压力为6Mpa，泵的转速n=960/min，排量为V=7.01ml/r，容积效率pv=0.92，总效率=0.90.那么我们就可以算出液压泵的实际输出流量q=qt* pv=V*n*pv=7.01*960*0.92=6.16308L/min 所以液压泵的输出功率为Po=p*q=6.16308*6*10-3*106/60W=0.61632KW ，所以应选电机的功率至少为Pi= Po/=0.6848kw。为了降低让消费者失望的概率，我们将液压泵的实际输出量q近似为6L/min即100ml/s。所以，如果电机启动1s就能抽取100ml的饮料，如果电机启动维持了2s容器中就会有200ml，而如果电机启动维持了3s消费者就可以享受300ml的饮料了。在即将编程之际才发现，我们忽视了抽饮料信号该如何连接到8031单片机上了，我们在这里直接将退收币控制单片机AT89S51的P1.0口接到8031的P1.7口就行了，如此售货机一边收取硬币就可以一边抓紧时间抽取饮料了。图3-22 与门的应用 然而更严重的问题是，如果没有假币或非币信号的控制，投机者哪怕塞入一个游戏币也能享受果汁。但令人难过的是，双向口P1的8个端口已经全部用完了。其实仔细分析后我们可以发现，只有当按下了抽饮料按钮并且无假币信号时才能让电机驱动液压泵抽取饮料，所以我们将假币信号和抽饮料按钮信号相与再连接到P1.7端。与门电路图如图3-22所示。 编程之前我们先把程序流程图设计如图3-23所示。检查P1.6=1?检查P1.0=1?电机停转并等待信号开 始P1.7=1P1.7=0维持P1.5=1的状态,电机停转P1.4P1.3=01P1.4P1.3=10P1.4P1.3=11 使P1.5=0开 启 电 机延时0.5s延时1.5s延时1.0s检查P1.2=1?检查P1.1=1?NONONOYESYESYESYES图3-23 抽饮料控制流程图依据上面的流程图我们可以编程（用C语言编程）如程序单中程序3所示。3.3.2 出饮料机构及控制方案设计 消费者投入硬币后期盼的眼神总会对着售货机的出饮料口。我们设计的出饮料机构中最重要的器件就是电磁开关阀了。电磁阀的基本原理我们已经在前面的绪论中大概地讲述了一些。本设计中我们用的电磁阀实际上就相当于一个开关，在按下出饮料按钮后电磁阀便打开出饮料，而且一次按下就将容器中的饮料完全放出最后自动关闭。所以这样一个电磁阀应该是常闭的。 那我们该用什么方案对电磁阀进行控制呢？难道还用单片机对其进行控制嘛？这里就没有必要了。饮料容器中的饮料是导电的，而饮料随着出饮料按钮一按下就慢慢流尽。所以我们可以在容器底部+5V电极正对侧也嵌入一电极连接到电磁阀，一旦容器中饮料流尽该电极便没了+5V电压，我们可以利用该电极上的电压变化来控制电磁阀动作。该电极嵌入容器位置如图3-24所示。图3-24 饮料桶进一步改进方案 售货机内置容器中电极电位变化的信号是用于控制电磁阀关断的，一旦消费者按下出饮料按钮电磁阀开通后电磁阀便一直开着直到容器中饮料流尽才关闭。但我们前面在设计抽饮料控制方案的时候涉及到要将出饮料信号接到8031上作为它的一个控制信号的问题，而且该信号应该在消费者按下出饮料按钮后立马触发，所以我们将电路设计如图3-25所示。 图3-25 出饮料及反馈电路 如上图所示，接8031端应该是0V或者+5V，所以R3和R4应该为满足这样要求而选择阻值。该电路的工作原理可以如下分析：1）当容器中没有饮料的时候光电耦合未工作，即便按下了出饮料按钮电磁阀也不工作，保持关闭状态；2）当容器中有饮料的情况下光电耦合了，一旦按下出饮料按钮电磁阀便打开，饮料出口就会流出饮料，等到容器中的饮料流尽了光电耦合终止，电磁阀自动关闭。 这部分还有一个问题就是饮料容器与电磁开关阀的连接了，我们采用钢制管接头来连接。由于饮料容器伸出端外径为15，而电磁阀管道处的直径一般不会超过25，所以我们需要的管接头公称直径也应该是15。查表得知，这种管接头长度L为35，壁厚为5，单重为0.066kg。为了防止或减轻该种管接头的腐蚀，我们可以对其进行镀镍等表面处理。该管接头的机械简图和它的三维图如图3-26所示。图3-26 电磁开关阀与饮料容器连接的管接头4 部分机构工艺设计及整机的部分优化 市场上见到的售货机因生产厂商不同而结构及原理设计各有千秋，谁的设计都不完美，本设计亦如此。本部分我们将对纸杯销售机构部分的纸杯托板、饮料销售机构部分的饮料容器的加工工艺进行简单的说明，并附加对整个售货机系统可改进之处进行改进的建议方案设计。4.1 纸杯托板加工工艺设计简述 我们已经知道，纸杯托板始终与纸杯接触并随时会发生摩擦。为了减少纸杯与托板之间的摩擦作用力，我们应该将托板与纸杯的接触面加工得尽量光滑点。纸杯随着纸杯筒在电机驱动下转到挖纸杯出口就要被螺线管挖出，为了使纸杯顺利被挖出纸杯出口侧面也应该光滑处理，并且出口直径尺寸应控制得当。 纸杯与托板摩擦作用是必然的，纸杯上难免沾染一些磨削。由于纸杯盛放的是食用的饮料，如果制作托板的材料哪怕有一点毒也会造成消费者饮用饮料后的不良反应，所以我们在选材方面应该注意，材料应该耐磨和经济，更重要的是无毒。在选材之前我们先对塑料的性能进行简要说明。塑料是在室温下具有一定刚度和强度的材料，可分为热塑性塑料和热固性塑料。不少塑料因为它们的摩擦系数低，耐磨性好，具有自润滑作用，能取代铜和巴氏合金等。冲击性能反映的是材料的韧性，塑料的抗冲击性能不是很好，但会在受到冲击时产生形变而吸收能量减小破坏。为此我们选择尺寸为300x300x10的尼龙（聚酰胺PA-MC）毛坯在加工中心上进行加工。数控加工编程（只对孔加工编程）如下所示，其中T1是钻直径为8孔的刀，T2是钻直径为12孔的刀，T3是轮廓铣刀(其刀偏号是03)，T4是切断刀(其刀偏号是04)，相对零点位置距离上表面50mm。由于我们需要的板厚度应该为8mm，但现在坯料厚度为10mm，考虑到要对加工表面进行光滑处理，所以我们将靠近上表面的大孔深度加工成6mm，之后对上表面进行滚压加工。孔加工应该注意，应先加工上面的大孔然后再加工下面的小孔。孔加工完成后就可以进行轮廓加工了，为了防止加工过程中的破坏，10mm的厚度应分成两次4mm的轮廓铣刀加工和最后2mm的切断刀加工。（H01）=8mm， （H02）=8mm图4-1 纸杯托板O004G91 G00 X70.0 Y70.0 /增量编程模式，快速移动到孔正上方G43 Z-42.0 H01 S630 /理想刀具下移值为42mm，实际下移值为50mm，主轴正转M03G01 Z-6.0 F120 /以工进方式再下移6mmG04 P1000 /孔底停留1sG00 Z8.0 /快速提刀到安全高度Y200.0 /快速移动到第二个加工孔正上方G01 Z-8.0 F120G04 P1000G00 Z8.0X200.0G01 Z-8.0 F120 /钻第三个大孔G04 P1000G00 Z8.0Y-200.0G01 Z-8.0 F120 /钻第四个大孔G04 P1000G00 Z8.0X-270.0 Y-70.0 /回到原点位置T02 P4000 S630 /换刀并停留4s并启动主轴G00 X70.0 Y70.0 /开始钻小孔G01 Z-12.0 F120 /下移12mm以钻通小孔G04 P1000G00 Z12.0 Y200.0 /钻第二个小孔G01 Z-12.0 F120G04 P1000G00 Z12.0X200.0 /钻第三个小孔G01 Z-12.0 F120G04 P1000G00 Z12.0Y-200.0 /钻第四个小孔G01 Z-12.0 F120G04 P1000G00 Z12.0X-270.0 Y-70.0 M05 /回到原点位置,主轴停T03 P4000 S630 /换轮廓铣刀，停留4s，启动主轴，铣第一个4mm厚度G46 G01 X55.0 Y50.0 Z-6.0 D03 /减少一个刀具偏移量G47 X64.0 F120 /增加两个刀具偏移量G46 Y30.0 G02 X-32.0 Y32 J32.0 /顺时针圆弧铣纸杯出口G01 X12.0G02 X40.0 Y0.0 J20.0G01 X12.0G02 X-32.0 Y-32.0 J32.0G46 G01Y-30.0G47 X64.0 F120G03 X5.0 Y5.0 J5.0 /铣圆角Y230.0G03 X-5.0 Y5.0 J5.0G01 X-230.0G03 X-5.0 Y-5.0 J5.0G01 Y-230.0G03 X5.0 Y-5.0 J5.0G46 G01 Z-4.0 D03 S630 /继续铣第二个4mm厚度层G47 X64.0 F120G46 Y30.0 G02 X-32.0 Y32 J32.0G01 X12.0G02 X40.0 Y0.0 J20.0G01 X12.0G02 X-32.0 Y-32.0 J32.0G46 G01Y-30.0G47 X64.0 F120G03 X5.0 Y5.0 J5.0Y230.0G03 X-5.0 Y5.0 J5.0G01 X-230.0G03 X-5.0 Y-5.0 J5.0G01 Y-230.0G03 X5.0 Y-5.0 J5.0G01 Z10.0 X-55.0 Y-50.0 M05T04 P4000 S500 /换切断刀，与T3刀走刀路径一样，主轴转速调低G46 G01 X55.0 Y50.0 Z-12.0 D03G47 X64.0 F120G46 Y30.0 G02 X-32.0 Y32 J32.0G01 X12.0G02 X40.0 Y0.0 J20.0G01 X12.0G02 X-32.0 Y-32.0 J32.0G46 G01Y-30.0G47 X64.0 F120G03 X5.0 Y5.0 J5.0Y230.0G03 X-5.0 Y5.0 J5.0G01 X-230.0G03 X-5.0 Y-5.0 J5.0G01 Y-230.0G03 X5.0 Y-5.0 J5.0G01 Z12.0X-55.0 Y-50.0 M05 /回到原点并停主轴M30 /程序结束，停机4.2 饮料容器加工工艺设计简述 大家都知道，饮料容器是内置于售货机用于盛放存储饮料的容器。既然它盛放的是饮料，就要保证该容器本身没有毒性也不会产生异味。所以用于制造容器的塑料应该无毒无味且扩散能力尽量小，而其中的5个电极都不能因为饮料本身或者因为饮料通了电就发生腐蚀。为此，我们用于制造容器的塑料选择聚苯乙醚（PPS），而对电极进行镀镍防腐处理。 之所以选择PPS塑料，原因在于聚苯乙醚（PPS）是一种比重为1.36g/cm3成型率为0.7%成型温度为300-330摄氏度的塑料。作为工程塑料，PPS是结晶型的高刚性白色粉末聚合物，耐热性、机械强度、刚性、耐化学药品性、电气特性、尺寸稳定性、耐磨性、抗蠕变性、阻燃性都优良的树脂，它的流动性也很好，易成型，而且成型时几乎没有缩孔凹斑，和各种无机材料由良好的亲和性。增强改性后可提高其物理机械性能和耐热性。 塑料注塑是塑料制品的一种方法，将熔融的塑料利用压力注进模具中，冷却成型后得到各种想要的塑料件，所得的形状往往就是最后成品，在安装或作为最终成品使用之前不再需要其他的加工。但注塑作为一种加工方法也有它的缺点，因而注塑出来的产品在外观上会出现诸如表面发乌、龟裂（不同于裂纹）、白化、表面浮纤、气丝、银纹、颜色不均、缩痕和缺料、制品分层、飞边和毛刺、皱招及麻面、 振动纹等缺陷，而内部则会出现尺寸偏差 残余应力、内部气泡、脆化、产品强度不足等问题。为预防注塑中可能出现的各种问题，我们当然是有对策的。在此我们只对PPS塑料注塑中可能出现的对性能影响最大的内部残余应力问题的预防对策进行分析。 应力引起的根本原因是流动和凝固同时发生造成了矛盾。残余应力的具体表现有孔处受力后产生裂纹裂，如攻上螺钉后塑件在该处开裂 塑件放置一段时间后出现开裂。 金属嵌块附近易开裂。产生残余应力的原因实质是模腔的闭合和塑料受力挤压，但高分子链有本能的蠕变回复平衡状态的趋势。我们可以采取的改善方法 有 确认注塑工艺是否合理（溶胶量、热能量及注射系统-压力、速度、时间） 多级注射的各段设置是否符合塑料充填的规律 进行后处理（调湿处理），一般放在高温烘箱或热水（7080度）进行应力去除处理。4.3 整机的部分优化设计简述4.3.1 单片机组的优化设计我们知道，MCS-51单片机有4个双向的8位I/O口P0P3。在无片外存储器的系统中，这4个I/O口的每一位都可以作为准双向通用I/O口使用。在具有片外存储器的系统中，P2口作为地址的高8位，P0口作为地址的低8位和双向数据总线。P0口由一个锁存器、两个三态输入缓冲器以及控制电路和驱动电路组成。当访问外部存储器时，P0口是一个真正的双向口。当P0口作为通用I/O口使用时需要外接上拉电阻，是一个准双向口。P1口是一个准双向口，作为通用I/O口使用，其内部有上拉电阻和电源相连，因此不必外接上拉电阻。P2口是一个准双向口，结构与P0口相似。P3口是一个双功能口，它既可以作为通用I/O口使用，又具有第二功能。 在我们的设计中有几个控制单元涉及到了单片机的应用，如纸杯选择和挖取的控制中谈到了AT89S51的应用，饮料抽取的控制单元中应用了单片机8031。但不难发现的是，我们在每一个控制单元中都只用了I/O口中的P1口，而如果如此安排的话，那每个控制单元就都需要一个单片机，不但增加了成本，而且闲置了单片机的其他I/O口浪费了资源。其实，某几个控制单元是可以集成为同一个诸如AT89S51的单片机所控制的，我们甚至可以采用线选法或者地址译码法对I/O接口进行扩展以减少单片机的数量，选择何种方式既实惠又不影响功能的实现就要将各种器件的分配组合进行经济成本和功能市现率进行进行比较才能发现。在本设计中我们的优化组合及电路设计如附图3。4.3.2 纸杯出售情况指示的优化设计前面我们已经预料到，如果不对纸杯的销售情况进行明示，可能会导致消费者投入了相应的硬币量却得不到杯子，即使饮料已经根据硬币量流到了饮料容器中。我们采用了很机械的拉力开关以使在纸杯销售完毕的情况下拉亮相应的灯以告诉消费者可以投入其他量的硬币。但这种机械的方法却在操作员每次填装新的纸杯时增添了麻烦，操作员每放入一堆纸杯之前都得将与指示灯开关相连接的压块抬起。我们可以设计三个卷筒分别将三个压块的连线卷在上面，当最后一个纸杯销售完后它能闭合开关，但在操作员准备放入纸杯之前可以按下某个按钮启动电机使每个卷筒将连线及压块拉起来以方便操作员操作。但我们不难发现这种方法要用到电动机、有可能还要用到蜗轮蜗杆传动技术，甚至要设计相应的离合器以使在操作员放入纸杯之前滚筒与蜗轮蜗杆传动部分是分离的，而在操作员打算放入纸杯之前可以手动离合器使滚筒与传动部分接合。这种方法很机械而且可能成本也会比较高。当然现实生活中没有最优化的方法，所以我们总能找到更优化的方法。为了减少成本从而达到更优势的市场竞争力，我们可以设计用压力传感器等传感技术触发开关闭合以达到使发光二极管发光指示出纸杯销售情况的目的。4.3.3 饮料容器的优化设计还有一个问题就是我们的饮料容器镶嵌最底下有个电极是始终连着+5V电压的，这样是不是有可能将我们消费者想要的饮料电离了呢？这是很有可能的，可能会让消费者喝到的饮料无滋无味，有糖分的饮料变酸变苦，没糖分的饮料也会产生一些残余杂质。本设计中容器电压的设置只是起到了反馈的作用以使饮料抽取量准确。我们可以不要它，当然也可以采用水利上应用的浮标开关或者成本稍高的相关传感器作为反馈元件，我们甚至可以设计液压回路控制饮料抽取的流量而无需反馈就能做到准确无误。本设计中我们是坚决要电路反馈这一部分的，具体优化的设计如下面所述。如图4-2所示，我们用的饮料容器是采用注塑工艺加工而成的，外部可见的电极是镀镍的铜电极，内部带孔的是镀镍的铜制液位浮标导向槽。外部铜电极与内部导向槽之间是不能接触的，否则就与前面设计的饮料桶没什么区别了。我们知道，饮料在抽取的时候饮料桶里面的液面是波澜壮阔的，如果只是有个简单的导向槽，浮标对电路就会误触发从而导致抽取饮料的不足。为了弥补这个缺陷，我们把内部导向槽制成半封闭的以减少液面波动的影响。但我们也不
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