自动售货机设计.docx

一 选题背景从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；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必须的机器便应运而生了。从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。据说自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。1942年，在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。1950年。英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。1969年，采用自动售货机售货的商家增加到23000家，销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。进入70年代后，约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。1980年英国有50余万台自动售货机，年销售额达8.81亿英镑。70年代后，日本、美欧等发达国家和地区自动售货机迅猛的发展，短短30年，发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。自动售货机被广泛地布放于车站、油站、码头、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁，人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展，又原来只能出售有限商品品种，转变为继百货公司、超级市场、便民店之后，以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约1015的电力。进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。从不同的种类来看，咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上；另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、办公咖啡自动售货机和照片胶粘标签自动售货机、票类自动售货机、手机充电自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁等，公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。运营自动售货机产业的公司在全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个二 控制要求及设计方案2.1 控制要求：1该自动售货机接受硬币后能自动送书顾客选择的商品并找零。 2按下投币口按钮1元或者5元，数码管显示投币金额之和（大于9数码管清零）。 3每过三秒系统自动识别钱数，当按下酸奶选择按钮时，会每隔3S自动购买一次酸奶，取物口灯亮2S后熄灭，直到余额不足。 4在当按下可乐选择按钮时，会每隔3S自动购买一次可乐，取物口灯亮2S后熄灭，直到余额不足。 5.当按下纯水选择按钮时，会每隔3S自动购买一次纯水，取物口灯亮2S后熄灭，直到余额不足。 6. 如果想取消购买按下退币按钮，数码管清零，退币口灯亮2S后熄灭。2.2 设计方案2.2.1设计思想PLC（即可编程序控制器）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，它不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点，已在工业控制领域得到广泛地应用。因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。可以看出，采用PLC对自动售货机控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性。因此选择PLC为自动售货机的主控单元。2.2.2 PLC的I/O分配表2-1 PLCI/O分配表名称I/O地址名称I/O地址纯水I0.0数码管8Q0.0可乐I0.1数码管4Q0.1牛奶I0.2数码管2Q0.2酸奶I0.3数码管1Q0.3一元I0.4余额不足L1Q0.4五元I0.5取物口Q0.5退币I0.6退币口Q0.62.2.3 方案论证方案一通过程序要求可知实现该控制功能可采取传送比较指令，首先通过累加器进行投币金额的累加计算，由于是单数码管显示所以大于9元自动清零，这就意味着最大投币不可超过九元，随后应用比较指令设置每个购买项目的最低限制金额，即低于此比较金额时显示余额不足，不能购买。在后边通过比较传送指令和定时器指令实现购买出货和相应指示灯的点亮，通过传送指令实现退币，通过字节转换指令和传送指令实现数码管显示。方案二通过实际要求可知要实现该控制功能可以采取顺序控制，在程序开端刷新硬件电路，随后通过加法指令实现投币金额的计算。随后通过自锁及互锁的程序相互嵌套实现货物的购买及出货。通过传送指令实现相应指示灯的点亮以及退币功能的实现，同样通过字节转换实现数码管对时时金额的显示。2.2.4 方案选择通过上述两方案的比较，方案一程序逻辑较为复杂但是由于采用了传送比较指令可以较为简单和明了的实现自动售货机的功能，程序简化且容易被非专业人士读懂。方案二虽然逻辑顺序较为简单，但是因为逻辑的限制其指令变化限制较大，为实现既定功能需要较长篇幅的程序所以工作量较大，扫描周期长。程序长，所以相对而言选择较容易实现的方案一作为实验程序的指导方案。三 硬件介绍3.1 PLC介绍3.1.1 PLC定义美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于扩充。3.1.2 PLC特点（1）抗干扰能力强，可靠性好PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面：隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（2）控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。（3）编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。（4）功能完善PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。（5）设计、施工、调试、的周期短用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。（7）易于实现网络化PLC可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要3.1.3 PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。如图2所示，PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。图3-1 PLC硬件结构图3.1.4 PLC各部分的作用 (1) 中央处理器CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下： 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。将存于寄存器中的处理结果送至输出端。应各种外部设备的工作请求。(2) 存储器PLC的存储器分为两大部分：一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。(3) 输入输出接口电路PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。(4) 电源PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。(5) 输入输出I/O扩展接口若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。(6) PLC的基本工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图3所示。 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 图3-2 PLC的扫描全过程显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响3.2 自动售货机硬件介绍简介图3-3 自动售货机面板正面器件安装图图3-4 自动售货机面板背部接线图图3-5 自动售货机面板背部接线图图3-6 自动售货机面板背部接线图图3-7 自动售货机数码管显示标注：编1 接插件安全插座D3红KT3A53编2 接插件安全插座D3黑KT3A53编3 接插件安全插座D3蓝KT3A53编4 接插件安全插座D3绿KT3A53编5 HEPPLCLED2编6 按钮开关D10250V/1A2P绿（套）编7 LEDD824V/0.02A红（套）编9 LEDD824V/0.02A绿（套）#0.5 代表0.5mm的导线#0.3 代表0.3mm的导线RD 代表红色导线BK 代表黑色导线BU 代表蓝色导线GN 代表绿色导线串灯和按钮全部用硬线其他全是软线3.3 硬件接线图四 软件设计 五 结果分析在程序编写完成后，点击编译，编译无误后。下载至PLC。下载完成后，运行PLC，打开程序监控，按五元按钮，发现程序监控中的I0.5闭合，AC1值变为5，此时数码管显示为5，当按下一元按钮，发现程序监控中I0.6闭合，AC1值变为6，数码管显示为6，当再次按