自动售货机的出货结构设计及软件编程

中 国 地 质 大 学 长 城 学 院本 科 毕 业 设 计题目 自动售货机的出货结构设计及软件编程 系 别专 业学 生 姓 名学 号指 导 教 师职 称年 月 日摘 要随着生活水平的不断发展，人们越来越向往及时、方便、快速以及自助性服务，就像人们越来越喜欢所有方便的东西一样比如洗衣机，节省了大量的劳动力让人们有更充足的时间去做自己喜欢做的事情，这种动力促使自动售货机得以飞速的发展。正因为如此在相对发达国家，自动售货机已经成为零售业非常重要的一个销售平台。这种时尚的购买方式吸引了许多客户。这使得自动售货机的销售市场越来越大，有更多的商家愿意购买。对自动售货机的普及起到了至关重要的作用。这次设计的主要内容包括自动售货机的总体方案以及出货结构设计，熟悉 PLC 的结构及原理，了解控制系统的设计基本原则，最后对出货结构方面进行程序的设计。本文对双螺旋送出结构的自动售货机出货结构做了相关研究。关键词：自动售货机；可编程控制器；梯形图；AbstractWith the continuous development of the living standard, people more and more yearning timely, convenient, fast and self-help service, as people more and more like all the convenience of things such as washing machine, save the large amounts of labor so that people have more adequate time to do the things you like to do, singing, dancing, reading and the like. This impetus to the rapid development of vending machines. Vending machines attract a lot of customers. Vending machines are not only popular with young people, many of the elderly, children are also very happy to use, not only can get the purpose of the purchase can also get some fun, it is very rare. More importantly, it can provide services for people 24 hours a day.Because of this in the relatively developed countries, the vending machine has become a very important retail sales platform. This style of fashion has attracted many customers. This makes the vending machine sales market is growing, there are more businesses are willing to buy. The popularity of vending machines has played a crucial role.In this paper, the single chip microcomputer direct, stepping motor to drive the double helix sent out the structure of the vending machine to do the relevant research.Key words：Automatic vending machine; single chip microcomputer; stepping motor;目 录引言 .21 自动收货机的工作原理 .22 自动售货机的总体方案设计 .32.1 自动售货机送出结构的设计 .32.2 出货部件简图介绍 .42.3 滚珠丝杠工作效率图 .52.4 滑槽杠杆式钳爪.53 PLC 的系统设计 .63.1 PLC 的基本结构及原理 .63.1.1 PLC 的系统结构 .63.1.2 PLC 各部分的作用 .73.2 可编程控制系统设计的基本原则 .83.2.1 控制系统设计原则 .83.2.2 控制系统设计的一般步骤 .83.2.3 编写梯形图的注意事项 .93.2.4 程序设计的步骤 .93.3 程序设计部分 .93.3.1 设计控制要求 .93.3.2 自动售货机 I/O 点的分配 .93.3.3 自动售货机外部接线图 .103.3.4 梯形图和顺序功能图介绍 .103.3.5 售货过程分析 .11参考文献 .14致谢 .14 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 1引言说起自动售货机，他可不是一个很神奇或者神秘的东西，他早在远古的埃及就已经出现了。在某位著名的科学家所写的论著里有过自动售货机的身影。可见在很久之前人们就对自动这一概念就有了认识和兴趣。用人们了不起的智慧创造出更多有趣的东西。既然在远古时候就有自动售货机的身影，这就更引起了我对它的浓厚的兴趣。在如今的中国，自动售货机的身影也是随处可见，在我们的校园里，宿舍楼里，小区里，繁华的街道里，几乎自动售货机与我们的生活密不可分，处处相连。当然了自动售货机的发展与国家的支持是密不可分的。国家的相关政策很大程度上可以促进某个行业的发展，还有另外一个因素就是人们对他的喜爱，只有老百姓喜欢的东西才能在社会上普及，不让在高的科技的东西受不到大家的喜爱也没有办法普及开来。那么为什么自动售货机可以得到大家的喜爱呢，我想应该有以下几个原因。自动售货机以其前卫的消费方式，灵活的销售时间，等多出优点，不仅吸引了广大的消费者为之热衷，也吸引了不少的投资者的目光。在美国，日本等发达国家的闹市，商圈自动售货机成为了一种时尚的标志。先进的标志。它不仅有着灵活，时尚的外表，在零售界的地位也是不容小觑的，大概有 30%的零售额是由自动售货机完成的。它的出现极大的方便了人们的生活，丰富了我们的生活，很大程度上也降低了人们的劳力，不管怎么说这是一种趋势，科技发展带来的产业。所以我们更要好好的研究它，普及它。自动售货机的特点方便，简介，高速，时尚顺应了社会发展的上这个潮流，它不仅仅是一种消费方式，更是一种时尚的引领，科技水平的象征与体现。1 自动售货机的工作原理自动售货机上分别有 2 元，3 元，4 元不同价格的产品，当顾客想要购买产品时，需要把钱币放入钱币口，然后钱币识别传感器就会工作，对钱币的面值和真伪进行识别。当所投入的钱币大于等于所按下的按钮对应的产品的价格的时候单片机系统会做出判断，推送出货物。等待顾客取出产品后，显示面板会显示余额，顾客可以接着购买商品或者选择退币。所有的工作完成之后自动售货机系统复零。这就是自动售货机完成的整个的售货的原理。顾客投币，机器自动计数，顾客按动按钮，机器送出选定商品，顾客取出商品，机器将余币送出，顾客取出余币。下图即为工作原理图： 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 2图 1.1 自动售货机工作时序图2 自动售货机总体设计方案2.1 送出结构的设计我设计的这款售货机的销售商品存放在储存柜里，当外部信号输入即顾客按动购买商品的按钮后，经过单片机内部运算输出取货信号给电机，电机带动托板向储物柜移动，移动到指定位置后暂停，控制上下电机启动将上下托板移动，当移动到上限位时停止，立刻启动前后移动电机，移动到前限位时停下，控制钳爪的电机启动用钳爪抓取顾客欲购买的物品，启动前后移动电机，向后移动至后限位立刻向下运动，移动至下限位时，就向右移动至右限位，松动钳爪将商品通过出货口输出取货处，完成出过程。图 2.1 商品柜示意图 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 32.2 出货部件简图介绍本简图选用滚珠丝杆作为出货的定位元件图 2.2 出货结构定位元件图 2.3 滚珠丝杠（左）梯形丝杠（右）（1）滚珠丝杠副的运动特性“滚珠丝杠运动是一个以滚珠作为滚动介质的滚动螺旋传动的体系，它是在丝杠与螺母之间加入钢球，用钢球的滚动运动代替传统丝杠的滑动摩擦。（2）滚珠丝杠副的分类以传动形式分为两种：将直线运动转化成回转运动（梯形丝杠副），和将回转运动转化为直线运动的两种形式。（3）滚珠丝杠副的优点传动效率高，运动平稳，传动精度高，寿命长，同步性好，无间隙和预紧，可靠性高。 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 42.3 滚珠丝杠工作效率图图 2.4 滚珠丝杠工作效率图工作过程分析：当系统发出取货命令时，电机 M1 转动带动滚珠丝杆也转动，滑板就开始左右移动，移动至商品限位开关时电机 M1 停止转动，当运动至上限位开关时停下，电机 M2 停转，这时控制前后移动电机 M3 转动，当接近开关检测到前面有商品时，电机M3 停转，取货电机转动将商品夹紧，其过程定时为 3S，时间到后则开始向后移动，移动至后限位，开始向下移动，至下限位后向右移动，一直到右限位，后放商品定时 2s 完成出货后处于等待状态，若有单片机的信号输入再执行操作。2.4 滑槽杠杆式钳爪 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 5图 2.5 钳爪示意图如图示，拉杆 2 端部固定安装着圆柱销，当拉杆 2 向上拉时，圆柱销就在两个钳爪的滑槽中移动，带动钳爪 4 绕 两回转支点回转加紧物品。设 P 点为作用在拉杆 221O与上的驱动力;N 为钳爪的夹紧力，分析圆柱销 3 的受力情况。在拉杆 2 的作用下，圆柱销3 向上的拉力 P，并作用于圆柱中心 O 点， 且 ,其力的方向垂直于滑槽轴线21P、 )(21。两 点、点 ， 其 延 长 线 分 别 交 于指 向或 ABO,21工作过程分析，当单片机输出夹紧信号时，丝杆向左旋转带动圆柱销拖动滑槽向后拖动，使钳爪向中间移动，从而使商品夹紧，当单片机输出放松信号时，电机带动丝杆向右移动，滑板推动圆柱销向前移动从而使钳爪张开，将商品放入出货口处，完成出货。3 PLC 的系统设计3.1 PLC 的基本结构及原理3.1.1 PLC 的系统结构现在市场上的 PLC 种类有很多,但是各不相同。但是其主要的工作原理都是一样的。都是用做工业控制的以微处理器为核心的专用计算机,它的硬件结构与微机基本上差不多。PLC 的基本结构由输入和输出两种结构组成。 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 63.1.2 PLC 各部分的作用(1) 中央处理器控制整个电脑稳定进行工作是控制器的“掌控”部分，他的重要功能如下：找到 PLC 电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。采集输入装置“提供”的状态或数据，并传输到 PLC 的寄存器中。按用户程序存储器中存放的先后顺序一一读取指令，进行编译解释后，并且按照指令规定的任务并并且完成各种运算和操作的过程。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 的存储器部分主要分为系统存储器和用户存储器两大方面。(3) 输入输出接口电路PLC 通过输入输出（I/O）接口电路完成与外围设备的连接的功能。输入接口通过PLC 的输入端输入设备的控制信号，并将这些信号转换成处理器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 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将交流电改变为可以利用的直流电或电源模块等方法上。(5) 输入输出 I/O 扩展接口如果主机单元的 I/O 的点数不能够满足输入输出点数的需要时，可以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。PLC 的扫描全过程如图 3 所示。输入刷新阶段在 CPU 程序输入刷新阶段，CPU 会扫描全部的输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，下一步就是程序执行阶段。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。 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 7图 3.1 PLC 的扫描全过程 程序的长短可以决定扫描周期的长短，程序越长，扫描周期相对越长。程序的长短和扫描周期长短成正比，却与相应的响应速度成反比。但在工厂生产过程中会受到脉冲式短时影响，系统响应一次需要很多次的扫描周期才行。3.2 可编程控制系统设计的基本原则3.2.1 控制系统设计原则（1）在最大程度上满足被控对象的控制对象。（2）在完全满足系统的控制要求的情况下，尽量使控制系统简介、实惠，轻松，实用。（3）保证控制系统的可靠性和安全性。（4）PLC 的容量应有裕量。3.2.2 控制系统设计的一般步骤（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定 PLC 的 I/O 点数。（3）选择 PLC 系统。（4）分配 PLC 的 I/O 点，和连接图。（5）进行 PLC 程序设计。 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 83.2.3 编写梯形图的注意事项输入/输出继电器，内部辅助继电器，定时器，计数器和接触的其他设备可以反复使用，无需复杂的程序结构，减少使用触点。（2）左母线为梯形图的每一行的开始，右母线则为结束，线圈的右端不存有任何触点。（3）除了步进程序，任何线圈，定时器，计数器，和其它先进的指令不能被直接连接到左母线。如果需要任何时候都被执行的程序段,可以通过特殊内部常闭继电器或一个没有使用的内部继电器的常闭触点来连接。（4）相同数量的线圈在同一个程序中是不能能够输出两次。（5）桥接电路是不被允许的。（6）程序应以“左小右大，上大下小”为原则才能够使程序的步数减少，提高系统的工作效率。3.2.4 程序设计的步骤（1）对于相对较复杂的控制系统，想要清楚地表明动作的顺序和条件必须绘制系统控制流程图。（2）制作梯形图。（3）根据梯形图编制程序清单。（4）用编程器将程序输入到 PLC 的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。（6）编写设计说明书3.3 程序设计部分3.3.1 设计控制要求（1）自动售货机可售出价格分别为 2、3、4、5 元 4 种不同价位的商品。（2）自动售货机可识别钱币面值为 1 元、5 元。（3）当自动售货机中缺货的时候它具有提示功能（4）当投入的硬币总面值大于 5 元时，所有商品的可购买灯会发亮，通过按下所需商品按钮来获得想要购买的商品，当投入的钱币面值小于所需商品时，自动售货机会出现“钱币不足”的提示，按下退币来完成退币的目的。（5）完成购买商品后自动售货机会自动减去说对应的金额数，根据所剩余得金额数来完成退币内容。（6）在完成一次购买后如果还想继续购买商品，可以按下继续购买按钮来操作即可。 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 93.3.2 自动售货机 I/O 点的分配售货机 I/O 点的分配如表 3.1输入点 输出点X0 1 元币识别器 Y14 钱币不足X1 5 元币识别器X2 2 元商品按钮 Y0 2 元商品指示灯X3 3 元商品按钮 Y1 3 元商品指示灯X4 4 元商品按钮 Y2 4 元商品指示灯X5 5 元商品按钮 Y3 5 元商品指示灯X6 2 元商品行程开关X7 3 元商品行程开关 Y12 取商品X10 4 元商品行程开关 Y13 放商品X11 5 元商品行程开关 Y18 脉冲输出X12 上限位开关 Y4 上移X13 下限位开关 Y5 下移X14 前限位开关 Y6 前移X15 后限位开关 Y7 后移X6 左限位开关 Y10 左移X16 右限位开关 Y11 右移X17 光电开关 Y16 无货指示灯X20 退币按钮 Y15 退币指示灯X21 继续购买 Y17 继续购买3.3.3 自动售货机外部接线图售货机的外部接线图如图 3-6 所示，X2-X5 为物品选择按钮，当投入硬币面值大于或等于商品价格时，商品灯（Y0-Y3）长亮按下 X2-X5 其中一个，对应的商品指示灯长亮，其余熄灭。由供货系统输出商品，按下退币按钮（X20）后系统计算余额后退币。 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 10图 3.2 PLC 外部接线图3.3.4 梯形图和顺序功能图介绍（1）梯形图介绍“梯形图是最常用的 PLC 图形编程语，是 PLC 的第一编程语言。”图 3.3 典型梯形图这两根竖直的直线在梯形图中，专业名词叫做母线，一般情况下 PLC 只保留了左边 中国地质大学长城学院 2016 届毕业设计 11的母线，省略掉右边的母线。本次设计梯形图见图纸。（2）顺序功能图顺序功能图主要是用来表达所有顺序控制的过程，显而易见是一种图形化的编程方法简单明了，通俗易懂。图中用方框表示整个控制过程的一个个“状态”,或称“功能”或称“步”,用线段方框见的关系及方框见的状态转换的条件,本次设计的顺序功能图见图纸。梯形图见图纸3.3.5 售货过程分析（1）投币系统当顾客购买饮料时，投入相应的币值，自动售货机将投币的数据存入数据寄存器 D2中，其梯形图如图所示：图 3.4 投币梯形图（2）比较系统投币完成后，系统会自动将 D2 内的钱币数据和可以购买的饮料价格进行区间对比，若投币小于 2 元，则 Y12 灯亮提示币值不足，此时可以继续投币或者退币，若投币 2 元则 2 元商品灯长亮，若投币额 3 元，则 2 元和 3 元商品灯长亮，若投币额 4 元，则2、3、4 元商品灯长亮，若投币额 5 元，则 2