自动售货机总体方案设计

自动售货机概述自动售货机是可完成无人售货、光机电一体化的商业自动化设备。自动售货机不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24小时售货，因此深受上班族的欢迎。很多城市的公共场所都放置有自动售货机，出售的商品五花八门，从饮料、零食、香烟、糖果，到牙刷、方便面、自动照相机等。近年来，我国的自动售货机行业突飞猛进，在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹。这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代化城市配套设施的需求。自动售货机功能分析在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并作出相应的反应。举一个简单的例子来说明，例如售货机中有8种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为250元，02商品为350元，其余类推。现投入1个1元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同此。当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能，还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。自动售货机的工作流程图如图12所示。初始状态投币状态购买状态退币状态按下退币按钮投入硬币按下选择按钮是否有剩余NY图12自动售货机工作流程图2自动售货机总体方案设计21自动售货机系统需求根据任务书要求，绘出自动售货机结构示意图如图21所示。123456789LCD显示屏投币指示灯报警灯25确定取消5角投币口1元投币口5元投币口饮料出口图21自动售货机结构示意图其中，1西瓜汁（1元）；2橙汁（1元）；3葡萄汁（1元）；4绿茶（2元）；5红茶（2元）；6奶茶（2元）；7咖啡（3元）；8可乐（3元）；9牛奶（3元）。用数字键代替商品按键，就能在某种商品缺货的时候能及时地补上其他的商品种类，并且不会使顾客混淆，使人机界面更加友好。其控制要求如下1货物种类共9种，这9种物品分别对应着9个不同的按键选择，其中1元、2元、3元价格不等的物品各3种；货币识别装置能够识别05元、1元、5元的货币。2在规定的30秒时间内可多次投入货币，能够实现货币累加功能，超过30秒投币无效。3如果累计投入的货币数目超过所购买物品的总价，机器能够实现找钱功能；如果投入的货币没有达到所选择物品的价格，投入的钱将全部退还；在投入一次累加货币后选择物品时，如果投入的累加货币数目大大超过所选择物品的预设单个价格时，能够实现选择同一件物品购买多个。4设计13个按键选择，其中9个是货物选择，2个多选键，还有一个确定键和一个取消键，如果没有按流程进行按键，自动售货机将启动报警系统，等待再次正确的按键选择。5应有购买货物的总花钱数和找零的货币数的显示。22系统硬件结构框图根据上述要求，制定合理方案首先，应该做上位机与下位机的任务分工，上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写；其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计自动售货机的外型；在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口；然后，分别对上、下位机分别进行设计工作；最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。另外，上位机与下位机的设计工作是密切配合的，它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的自动售货机，仿真的自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。本设计主要是对自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。由此绘出系统组成框图如22所示。PLC（主控制器）各种指示灯退币电动机出货电磁阀商品选择开关钱币识别传感器显示机构补料机构图22系统结构框图PLC控制系统接受人民币识别系统信息，确认已接受的人民币是否可购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。钱币识别传感器主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它主要实现识别真假纸币一般为拾元、伍元和硬币壹元、伍角、拒收假币和残币、正确找零的功能。补料及出货系统货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制系统启动出货系统出货；当某种货物被取出后，补料机构自动补料（在这里补料机构采用简单的倾斜式机构，即当某种货物被售出后，补料机构里面的货物直接向前滑至首位进行补位）。显示机构显示购买的瓶数、投入的钱数以及剩余的钱数。23总体方案设计由于设计中的货物品种不多，因此要求上没有现实中的自动售货机功能强大。本自动售货机的自动控制系统主要包括计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统。1计币系统当有顾客买饮料时，投入的钱币经过识别机构，记录5角、1元或5元钱的个数，通过个数与币值相乘或者相加，并将总钱币数据存放在D9（数据寄存器）中。2比较系统投入钱币完毕后，系统会把D9内的钱币数据和可以购买饮料的价格进行比较，当投入的钱币总值超过1元小于2元时，西瓜汁、橙汁、葡萄汁的指示灯亮；当投入的钱币总值超过2元小于3元时，西瓜汁、橙汁、葡萄汁、绿茶、红茶、奶茶的指示灯亮；当投入的钱币总值超过3元时，9种饮料的指示灯都亮，并且多选键“2”也亮；当投入的钱币总值超过5元时，所有的指示灯都亮，此时可以选择饮料或选择退币。3选择系统比较电路完成后选择电路指示灯亮，当按下西瓜汁或绿茶选择按钮时，相应的指示灯转为1秒为周期的闪烁。当相应的饮料供应完毕后，闪烁同时停止。此时可以按继续购买按钮，继续购买饮料，实现循环购买。4饮料供应系统当按下选择按钮时，相应的电机Y3Y7启动。在饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数，当饮料输出达到10秒时，电机停机。5退币系统当顾客购完饮料后，多余的钱币只要按下退币按钮，系统就会把数据寄存器D9中的钱币退回。3自动售货机硬件机构设计31自动售货机的结构组成金额显示屏选择商品按键投币口退币口取货口商品展示窗图31自动售货机结构1、箱体外观正面上部为商品展示窗和价格标签，中部设投币入口、退币钮和金额显示窗，在价格标签附近设有选择商品的按键，正面下部为退币口和顾客取货口；面向顾客的机构正面，是完成商品价格介绍、接受投币、显示金额、推出商品和退币整个售出过程的表体部分。2、商品样品展示窗商品样品展示窗由透明有机板窗、样品展示架、商品价格标签、选购按钮和照明灯组成，设在前门体内部的可开启样品门，用来更换商品样品和价格标签；展示窗相当于商店橱窗或者柜台，以清晰明亮的商品展示和明码标价来招揽顾客。3、商品驱动机构商品的包装多种多样，主要有箱、盒、罐、袋等，它们的提取机构也各种各样商品在送出时可以采用“螺旋移动”等动作移到取货口。4、商品贮存部分由于商品的驱动机构是双螺旋体出货机构，由此决定了该自动售货机的商品贮存方式，商品主要是摆放在双螺旋体中，通过双螺旋体的旋转把商品推到出货口。5、钱币识别系统钱币识别系统由钱币识别器、识别后的钱币自动分类贮存机构和退币机构3部分组成。6、PLC控制系统PLC控制系统是自动售货机在自动销售过程中，收到识币信号后，自动进行累计、外部金额显示、顾客按键后自动推出商品和发出退币找零等信号的电控系统。同时，该系统还具备预设价格、售出累计、驱动检测和故障自检等功能，是“售货机器人”的“大脑”。32硬件选择321电机的选择自动售货机吐出饮料的过程实际为电机动作推饮料下来。由于电机都是电感性负载，在停转的时候会有反向电流，所以需要用PC847光电隔离器把控制和驱动信号隔离开来，然后用L293D步进驱动电机，电机驱动需24V电压，控制信号经过L293D后变为24V左右的电源信号才可驱动电机。电机有三根线电源、地线和反馈信号电机转一圈送出一个低电平。在机械制作中使电机转一圈刚好推出一瓶饮料，电机转一圈同时产生一反馈信号，此信号使电机停止转动，另外一种情况是红外检测到有货物落下则电机停止转动。322货币处理装置货币处理装置包括检测货币投入状态的投入状态检测装置；检测有无货币退还操作的退还操作检测装置；在投入状态及投入货币退还操作的有无达到规定的基准状态时，将说得到的基准状态信号利用所外部；连接装置向投入外部装置输出的状态输出装置。目前投入试用的“货币识别机”设置有感应线圈，通过对货币的材料、大小尺寸等各个要素进行感应并探明真伪。不同的材质具有不同的磁场变化，可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。货币识别器种类繁多,但贮币退币机构基本上分为两类一类是平面式贮币，电磁阀退币；另一类是圆筒式贮币，步进电机退币。根据设计中对自动售货机的要求，选择平面式贮币，电磁阀退币。当货币投入后经过识别识出电信号后，伪币和异物被排出，真币按面值由几组分布电磁阀分配到不同贮币腔体内备用；当收到退币找零电信号后，通过退币电磁阀或退币电机拉杆，将贮币腔内下部货币依电信号程序推出，完成自动售货机的退币找零功能。323送出机构目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是一些较典型的送出机构。1、旋转式送出机构此送出机构把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。这种送出机构应用最为广泛，它要求电机的转矩较大，造价成本较高。2、转盘式送出机构上面是一个很大的喇叭状罐体存储容器，下面是一个周边有若干个圆槽的转盘，通过转盘的转动使罐体落入转盘周边的槽内而被售出。这种送出机构也需要较大的转矩来带动和占用较大的空间，而且会发生卡死现象。3、滚筒送出机构该送出机构由一个阶梯梁和滚筒构成，滚筒内可以装若干瓶饮料，通过步进电机来带动滚筒的转动，利用梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离控制商品掉落的顺。这种机构要求电机有较高的转动精度。4、弹簧推动式送出机构这种机构是由螺旋式弹簧和连在弹簧一端的电机构成的，电机转动一圈就带动弹簧转动一圈，同时推出一瓶饮料。根据设计中对自动售货机的要求，选择双螺旋式送出机构。324按钮装置自动售货机的按钮装置，其特征在于备有操作按钮和基板，操作按钮设置在面板上，基板设置在操作按钮侧的相反侧，具有显示部分和检测机构，显示部分显示与操作按钮对应的信息，检测机构用于检测操作按钮的操作，显示部分设在基板上的与操作按钮不相向的位置。4自动售货机控制系统设计41基于PLC的自动售货机控制系统411自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程1、组成部分销售模块人机模块通讯模块温控模板货币识别模块自动售货机硬件系统主控制板图41自动售货机硬件系统组成部分其中，温控模块包括温度采集和加热制冷控制；销售模块完成一个整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现；人机模块包括键盘和显示，有的机器还加上了显示屏，可以投放广告；目前仅部分高端机器有通讯模块的功能，一般都是采用GPRS模块，可以完成销售统计、原料补给、广告管理以及一些会员服务。2、工作流程首先开机后要自检各个部件的状态是否正常，若不正常要显示错误信息，方便运营人员及时修复；若自检通过，检查商品信息，若缺少货物，停止销售该类商品；然后等待，等待消费者投钱和选择商品，若有人选择商品，等钱币投入后就开始执行销售模块，将产品送出，并找零钱。这是最基本的功能描述，在实际的设计中，有很多的因素需要考虑，一定要保证机器工作的可靠性和稳定性。412自动售货过程的控制子系统简述控制子系统由以下四个部分组成1、售货价格系统自动售货机售出的同类商品可分若干品种，其售前设定价格须预先贮存在控制系统内。售货机的价格设置系统由按键和存储器组成，通过按键选择被设价商品的种类及价格，并将价格写入存储器，该存储器本身具有掉电保护功能，属于软件设置方式。此外，在简易型售货机中，由于出售商品种类少，价格变化小，使用币种单一，也可用硬件来设置价格，采用拨码开关对应方式，结构简单、操作方便。2、累计、可售指示和退币系统控制系统的核心CPU对识币、退币、无货检测及购货信号进行巡回检查，当有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行扩展口进行显示，同时将金额累计存储器中的数值与预设价格存储器中的数值进行比较，如金额累计数值等于或大于预设价格数值，则通过串行接口使可售指示灯亮，提示购货。此时可按下购货按钮，由CPU检测到购货信号后，如金额累计存储器中数值与预设价格相等，则通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并将金额累计存储器清零，完成一次售货过程；如累计金额大于预设价格时，驱动商品后，相减差额由信号驱动退币，实现售货和退币找零功能。3、检测系统在自动售货机商品贮存道下方安有接触行程开关，当贮存道内有商品时，压下行程开关，售货机正常工作；当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出无货信号，经检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身外部“售完”指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币累计金额达到该道商品预设价格数值，可售按钮仍然无启动信号，金额累计存储器也不清零。4、累计及自测功能系统自动售货机CPU在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通过售货机内部的按键可在金额显示窗中读到累计结果。此外，在按下自测功能键后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品贮存道的驱动商品功能。413基于PLC的自动售货机控制当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级，所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他的输出端了，这样有可能造成输出点浪费，增加成本，所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。43自动售货机PLC控制方案设计1、通过分析，由于程序内部的联锁、互动关系较为复杂，故采取步进指令较为简单。2、本自动售货机可使用5角硬币，给计总金额数带来麻烦，可对除5角识别器以外的所对应INC指令的计数器中的值乘2计算来方便计算总钱数，即将所有“元”转化为多少个“5角”。3、由于实验室PLC型号三菱FX2N48MR对某些指令无法识别，所以需将所有用脉冲执行型的功能指令都使用PLS指令进行转化，即通过PLS指令驱动辅助继电器M，实现程序功能。4、找余时，可找1元与5角，故需对剩余总金额寄存器中的数目除以2和取模2，除2结果即为当前要找1元的数目，取模2结果即为当前要找5角数目。5、PLC选用继电器输出型。6、任务书要求实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转（向后跳转）。当顾客再次购买时，余额寄存器（为了退币，该寄存器中值已除2）中值要先乘2，以便与商品价格比较（商品价格已转化为多少个5角），再进入下次购买。7、退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有寄存器，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误。45程序设计451I/O地址设计一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。表42I/O信号地址分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号5角投币光电开关ST1X0005角退币光电开关YA1Y0001元投币光电开关ST2X0011元退币光电开关YA2Y0015元投币光电开关ST3X002报警灯HL1Y002西瓜汁按钮SB1X003西瓜汁指示灯HL2Y003橙汁按钮SB2X0