PLC自动柜员售货控制系统设计

1、成人高等教育本科毕业设计（论文）自动柜员售货机控制系统设计学 院 自动化学院 专 业 自动化 年级班别 2014级 学 号 141010131830017 学生姓名 梁杰锋 指导教师 钟映春老师 2016年 4 月 广东工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文）摘 要自动柜员售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点、天气的限制，能节省人力、方便交易，受到商家和消费者的欢迎。自动柜员售货机已经广泛应用于各种公共场合。随着自动柜员售货机的功能越来越完善，智能化程度越来越高，它的应用将会越来越广泛，发展前景不可估量。首先自动柜员售货机（vending machine）是能自动识别消费者投入的钱币

2、和选择的商品，并自动付货的零售机器。其次一个完善的自动柜员售货机系统，需要对各个功能模块实现良好的控制并加以整合，使其能有序、稳定地运行。再次自动柜员售货机系统具有可支持顾客投退币、找零功能的投币模块，供顾客选择商品的选择模块，显示付费信息、存货信息、存币量、已选商品和故障情况等的显示模块，检测存货、实现出货的出货模块，商品标签自动检测模块和控制整合自动柜员售货机各项操作的控制模块等功能模块。最后作为系统的控制核心，PLC对整个系统起着至关重要的作用，好比大脑对人的作用一样。本文主要从自动柜员售货机的自动控制系统和外围电路出发，也涉及部分机械结构，从整体概念设计到各个模块的具体设计，再到系统仿

3、真调试，在文中将详细分析。关键词：自动柜员售货机 PLC 标签自动检测 仿真Abstract Vending machine is a kind of commercial automation equipment. It is welcomed by businessmen and consumers because of its cost-efficiency and high efficiency operation, with benefits from less restricted by the weather, time and venue, even no extra pers

4、onnel. Vending machine has been widely applied in public site. It is becoming more and more functional, intelligent. As a result, vending machines are more and more popular among the public. It is easy to be pointed out that the vending machine owns its wide prospect of market. First of automatic te

5、ller machines (vending machine) is able to automatically identify coins and selected consumer goods into and automatically consignor retail machines.Secondly, a comprehensive automated teller machine system, the need to achieve good control of each module and be integrated to enable an orderly and s

6、table operation.Automatic teller machine system is displayed again with a customer support cast coin, the coin change for functional modules, select the module for customers to choose items to display billing information, inventory information, the amount of deposit currency, commodities and selecte

7、d fault conditions, etc. module, testing inventory, shipping modules achieve shipments, product label automatic detection module and a control module integrated automatic teller machine control function modules such as the operation.Finally, as the control system, PLC for the whole system plays a vi

8、tal role, such as the role of human brain.The discussion mainly concerns the automatic control system and peripheral circuit, also involve some mechanical structures, from overall conceptual design to each module and the specific design debugging of system simulation. A detailed breakdown analysis i

9、s described in this paper.Keywords: vending machine PLC automatic tag identification system simulation目 录1 绪论1 1.1 背景简介1 1.2自动柜员机的发展状况2 1.3前景与展望32 总体方案确定及理论分析3 2.1设计依据3 2.2 设计内容4 2.3 方案比较 52.4 方案选择52.5 理论分析63 系统硬件设计7 3.1系统整体设计7 3.2商品标签自动识别系统设计8 3.3 配件设计143.4元器件设计144 系统软件设计254.1 程序设计25 4.2 PLC运行转态设计2

10、5 4.3 PLC程序流程设计264.4 PLC编程软元件分配设计设计284.5 界面设计305 系统仿真与调试30 5.1 调试工具305.2 建立工程31 5.3 程序调试31 5.4 结果分析33结 论34参考文献35致 谢37附件：PLC梯形图38431 绪 论1.1 背景简介自动柜员售货机（vending machine）是能自动识别消费者投入的钱币和选择的商品，并自动付货的零售机器。自动柜员售货机的工作不受时间、地点、天气的限制，能节省人力、方便交易。它因为全天候工的特点，所以被称为24小时营业的微型超市。可编程控制器PLC（Programmable Controller）是专为在

11、工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的重要地位，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC（张斯珩，等，2011）。PLC已经成为现代工业控制的三大支柱之一。相对于单片机来说，PLC具有高可靠性，易于开发，扩展性好，通讯简单的优点。这些优点使控制单元为PLC的自动柜员售货机拥有更稳定的性能、更完善的功

12、能和更迅速的升级速度。无线射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和电感耦合或电磁耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID是一种提高识别效率和准确性的工具, 该技术将完全替代条形码。RFID替代条形码的最大优势就是磁条所带来的无线识别, 以及信息的可网络化（乔强，2005）。利用RFID技术可以实现标签自动检测，具有比现在的人工条形码识别更强大的功能，它将会带领自动柜员售货机进入物联网时代。商品标签自动识别技术大大提高了商品信息追踪的实时性，为商品供应方式和销售策略的制定提供及时的支持。自

13、动售货机是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变而出现的。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的商品流通渠道。在技术密集型社会中，超市、百货购物中心等商品流通渠道的人工费用不断上升，再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的影响，自动柜员售货机作为一种新的商品零售方式应运而生了。自动柜员售货机提供了一种节约成本的商品零售方式，而且自动柜员售货机还有不受时间、场地、天气限制等特点，可以为消费者提供便捷的服务。集合了PLC及商品标签自动识别的优点后，自动柜员售货机可以为商家提供更加节约成本和易于管理的零售途径，为消费者提供更加便捷和更加可靠的消费方式。随着我国人力、

14、地租等成本价格的不断上升，自动柜员售货机的优势进一步体现，将会拥有越来越广阔的市场空间。而一款功能齐备、运行成本低、自动化程度高的自动柜员售货机，必将在市场上拥有强大的竞争力，因此，分析自动柜员售货机的设计具有重大意义。1.2 对自动柜员机的发展状况1.2.1发展历程自动柜员售货机的历史可一直追溯到远古时代埃及圣水机。大约在公元前215年左右，埃及寺院出现了一种用来销售圣水的自动售货机。最早的普及型自动售货机是1924年由日本中山小一郎制作的袋装零食自动售货机（卢振，2006）。现代的自动柜员售货机出现在1920年代的美国，当时其贩卖的货品为香烟。逐渐地，用于贩卖饮料、食品、车票、报纸的自动柜

15、员售货机也被制造出来了。而真正将自动柜员售货机发扬光大的是日本。自动柜员售货机在日本的鼎盛时期是上世纪70年代中期后，有些大型自动柜员售货机，其营业额相当于一间小型商店。截止上世纪末，全日本共有550万台自动柜员售货机，销售额达6兆8969亿4887万日元。日本平均每23人占有一台自动柜员售货机。这两项数据都排名世界第一。我国第一台无人自动售货机诞生于后晋末年（约964 年），它是汝州（今河南临汝县）一位不愿透露姓名的高士发明的，人们尊他为“笔仙”（粟新华，2004），因为他自己生产毛笔并用竹筒制作出自动售笔机。1999年，现代的自动柜员售货机作为一种新型商业形态和广告媒体进入中国市场，由当时

16、纯属的代理销售国外产品，发展到现在主要由自主开发生产及代理销售国外自动柜员售货机两类并存的状况。1.2.2发展历程目前，日本70%以上的罐装饮料是通过自动售货机出售的，日本可口可乐公司的2/3的产品，都是由公司所属的近70万台自动售货机销售出去的。除饮料外，自动售货机还出售其它各种商品。在日本，出售香烟的自动售货机共有60万台。还有一些自动柜员售货机专营从大米、汉堡包、服装到电池及酒类的各类商品。进入本世纪以来，自动柜员售货机在我国得到不断推广，目前在一线城市已形成比较成熟的市场，而在二三线城市的发展势头也非常迅猛。据粗略统计，目前自动柜员售货机市场已经吸引了国内开发生产商10家，市场运营商4

17、0 多家。南开戈德（自2000年）和青岛澳柯玛（自2001年）分别投入了1.6亿元和6000多万元，进行自主生产、销售和经营自动售卖机业务。海尔等企业也在盯着这块市场。但是，目前大部分市场份额都被南开戈德和青岛澳柯玛这两家所占据（白丽，2005）。自动售货机在当代零售领域发挥着越来越巨大的作用。1.3 前景与展望由于自动柜员售货机具有全天候提供服务，运营成本低，受天气、场地等制约因素少等优点，为消费者提供一种创新、时尚、方便的购物方式，可预见在趋于产业信息化、生活智能化的未来将受到越来越多人的欢迎，发展前景难以估量。展望将来，随着科技的发展与进步，自动柜员售货机的功能将会得到多角度的扩展。很多

18、自动化技术已经在其他领域有较成熟的应用。例如广州市公交车电子钱包羊城通已实现从公共交通领域到小额消费领域的成功突破，在原便利店的基础上再发展到超市、饼屋、餐饮、菜市场等都可使用羊城通刷卡支付。只要在现有的普通自动柜员售货机上装上羊城通读卡机，就可以实现用羊城通进行电子支付的功能了。随着电子钱包、手机支付、无线通信、电子标签、人工智能和物联网等技术的发展进步，以及人们对现代生活提出的新要求，自动柜员售货机必将出现一种更低碳节能、更方便可靠、更节约成本的面貌。2总体方案确定及理论分析2.1 设计依据自动柜员售货机的核心功能就是通过机器实现商品的交易。在使用自动柜员售货机的过程中，商家关心如何获取货

19、款、降低成本及安全防盗；而消费者则关心如何取得商品、商品的价格和质量。据此，可知所设计的自动柜员售货机要求有足够的贮存空间、友好的用户界面、安全稳定的交易系统和合理的生产成本。下面用一种市面上较为常见的自动柜员售货机澳柯玛AVM-AE20CH饮料综合自动售货机为例，加以说明。澳柯玛AVM-AE20CH饮料综合自动售货机如图1.1所示。商品展示橱窗商品选择按钮商品缺货指示取物口退币口硬币投币器数字显示屏纸币投币器图1 .1 澳柯玛AVM-AE20CH饮料综合自动售货机如图所示，自动柜员售货机正面左上方是大面积的矩形商品展示橱窗，可同时展示多种商品，每种商品下方是对应的选择按钮和缺货指示灯。商品展

20、示橱窗既起到广告的作用，同时又方便消费者选择商品。商品展示橱窗右边是投币器、数字显示屏等用户界面。最下方是取物口，把它设计在较低的位置是为了在出货的过程中可以利用商品自身的重力。取物口右侧是退闭口。以上部件都嵌在正面可打开的柜门上，而打开柜门后可见PLC、控制面板、货道和储币器等部件，商家可以通过打开柜门直接向货道补充商品，这样的设计不但方便消费者的购买操作，同时也方便了商家运营维护。2.2 设计内容本文将分析以PLC为核心进行自动柜员售货机系统的设计。所设计的自动柜员售货机系统具有投币模块、选择模块、显示模块、控制模块等功能模块。基本功能包括投币退币、显示投币金额、选择商品种类、判断投币是否

21、足额、送出货物等，并且能实现商品标签自动检测的附加功能。在分析设计过程中，先进行系统的整体功能和工作原理的分析，再给出具体各个模块的分析与设计、PLC的主要程序流程图和程序设计，最后还会进行PLC梯形图的仿真调试，并得出最终的结果。2.3 方案比较 根据各个模块或者零部件的不同，自动柜员售货机的设计有多个可选的方案。以下分别对各个模块或者零部件进行方案比较。（1）投币模块的方案比较。投币模块可以选择只能投硬币、退硬币找零的硬币投币方案。这种设计可以使投币模块的硬件选择和控制程序的设计都很简单，方便开发者的设计过程，但是对消费者使用的局限性很大，因为在日常生活中身上常备硬币的人不多；投币模块的第

22、二个方案是选择既可以投纸币又可以退纸币找零的高级纸币投币器。该方案同样可以简化开发者的工作，而且消费者使用起来也方便，但是对投币器硬件和所投纸币新旧程度要求较高，会增加自动柜员机售货机的生产成本；投币模块还可以选择既能投硬币又能投纸币、只退硬币找零的综合方案。这种方案虽然增加了开发者的工作量和开发难度，但是消费者使用起来较便捷，对硬件要求比第二种方案低，可以节约生产成本。目前市场上应用最多的是第三种方案。（2）货物感应的方案比较。货物感应包括存货感应和取物口出货感应，可选用行程开关和红外探测开关电路两种方案。行程开关在自动控制领域中应用非常广泛。在自动柜员售货机货道中安装行程开关，可能会对货物

23、流动造成阻碍甚至把货物卡在货道中。安装在取物口的行程开关频繁地受到出货的撞击，容易受到损坏；红外探测是新兴的物品感应技术。无论安装在货道里还是安装在取物口里，红外探测开关电路都不影响货物的正常流动，红外探测开关电路自身也不会受到货物的损坏。（3）货物收容方式的方案比较。目前使用较多的货物收容方式是弹簧托盘抽屉式货道和蛇形堆积式货道两种。弹簧托盘抽屉式货道适用于收容袋装、盒装商品；蛇形堆积式货道适用于听装或者瓶装商品。2.4 方案选择投币模块的方案、货物感应的方案和货物收容方式的方案组合在一起可产生十几种整体方案。综合考虑方便消费者使用、节约生产成本和自动柜员售货机运行稳定可靠等要求，决定本设计

24、中的自动柜员售货机选择既能投硬币又能投纸币、只退硬币找零，红外传感器货物感应，蛇形堆积式货道的整体方案。2.5 理论分析一个完善的自动柜员售货机系统，需要对各个功能模块实现良好的控制并加以整合，使其能有序、稳定地运行。从自动柜员售货机的工作过程分析，其工作可分解为以下步骤：（1）待机状态。虽然待机状态是与顾客关系最小的工作过程，但它是对整个自动柜员售货机系统最重要的工作过程，它是系统运行的基础。在待机状态中，各货道上的传感器检测货道上是否有货物。若有，则其对应的选择按钮亮起，以示可进行交易；反之，则熄灭按钮，表示无存货。PLC还会计算顾客是否操作超时，一旦超时就进入退币处理阶段。自动柜员售货机

25、系统在待机状态的工作还包括在出现故障时发出故障报警并禁止投币、判断找零器是否还有足够存币和显示已投币值或者剩余币值。（2）投币过程。当顾客向投币器投入钱币，投币器将判断所投币是否符合接收标准。若符合，则对PLC给予一个信号；若不符合，则自动在投币器的退币口退回。PLC根据投币器给予的信号统计所投币值。一旦所投币值超过设定的上限，自动柜员售货机发出停止接收投币信号，并亮起禁止投币指示灯。（3）商品选择。当顾客按下一种商品对应的按钮时，自动柜员售货机将判断该种商品是否缺货，若却货，则点亮所选商品缺货提示灯；若有货，则将该商品对应单价设定为应投币值，点亮对应的已选商品指示灯，进入价值判断阶段。（4）

26、价值比较。自动柜员售货机比较已投币值是否小于应投币值。若不小于，则进入可出货状态；否则，则点亮追加投币指示灯，退回投币过程，等待顾客追加投币，直到已投币值不小于应投币值再进入可出货状态或者超时。（5）出货处理。当顾客确认要交易时，按下出货按钮，在可出货状态下，出货机构动作，送出相应商品，同时自动检测送出商品的标签，并判断出货是否成功，并将已投币值减去应投币值得出余额。（6）退币处理。若顾客在投币后希望中止交易，则可按下退币按钮，进入退币处理阶段；当顾客投币后操作超时也会进入退币处理阶段。此时投币模块将应退的钱币退回并判断退币是否成功。（7）复位处理。当顾客完成整个交易过程后，进入复位处理阶段，

27、控制模块复位运行中使用过的辅助继电器和存储投币值的数据寄存器，做好处理下一次交易的准备。3 系统硬件设计3.1 系统整体设计要实现上文提及的工作过程，就要求自动柜员售货机系统具有可支持顾客投退币、找零功能的投币模块，供顾客选择商品的选择模块，显示付费信息、存货信息、存币量、已选商品和故障情况等的显示模块，检测存货、实现出货的出货模块，商品标签自动检测模块和控制整合自动柜员售货机各项操作的控制模块等功能模块。自动柜员售货机的系统框图如图2.1所示。控制模块投币模块选择模块商品标签自动检测模块显示模块出货模块图2.1 自动柜员售货机系统框图在对各硬件模块进行设计之前，先对自动柜员售货机的用户界面和

28、整机参数进行说明。自动柜员售货机的用户界面如图3所示。商品1商品2商品3商品4出货口商品存货指示灯商品选择按钮显示模块纸币投币器硬币投币器出货按钮退币按钮退币口图3.1 自动柜员售货机用户界面自动柜员售货机的主要技术指标如表1所示。表1 自动柜员售货机主要技术参数类型说明产品名称综合饮料自动柜员售货机外观尺寸(mm)1893（高）×1093（宽）×850（厚）使用电源AC110-260V，50/60Hz，待机功率20W，使用功率40W机柜材料2mm重钢机箱，专用防盗螺旋式机柜锁商品规格355ml罐装饮料、380mlPET瓶装饮料商品储量4货道，最大容量500罐收容方式蛇形堆

29、积式料道交易方式硬币、纸币交易，可找续交易币种5角、1元人民币硬币，1元、5元人民币纸币硬币储量可分别储存1元硬币500枚、5角硬币500枚3.2 商品标签自动识别系统设计目前，条形码是零售过程中商品识别的主要手段，但条形码存在只读的、需要对准标、一次只能读一个和容易破损等缺点。更重要的是目前全世界每年生产超过五亿种商品，而全球通用的由12位排列出来的商品条形码号码已经快要用光了。而射频识别技术具有可擦写的、不需要对准标的、同时可读取多个、不易受损等优点，可不需人力介入操作，所以条形码是有可能被RFID标签替代的。RFID技术可以改进自动柜员售货机的存货管理，实现适时补货。目前，世界零售巨头沃

30、尔玛即将淘汰条形码，全面采用RFID技术，从而进一步提高零售环节的效率（耿雪霏，2005）。下面分析利用RFID技术进行商品标签自动识别系统的设计。RFID技术是从上个世纪80年代兴起的一项自动识别技术，由于超大规模集成电路技术的发展，在90年代后才进入实用化阶段。它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别的目的并交换数据（李波，2003）。目前，RFID电子标签的存储容量已达2的96次方以上，如此大的信息存储量以及电子产品码EPC（Electronic Product Code）的唯一性使其得以在零售行业、物流行业、制造与装配、公共交通、图书馆管理等领域发挥重大作用。我国在第二代公民身

31、份证也运用了RFID技术。RFID技术按能源供给方式可分为无源、有源、半无源；按照工作方式分类可分为主动式、被动式；而按照通信频率可分为低频、高频、超高频、微波等类别。简单的RFID系统包含两部分：询问器（或阅读器）和应答器（或标签）（吕洁，2004；翟奇，2008；Sanjay E.Sarma，et al，2003）。RFID系统硬件结构如图4.1所示。标签驱动程序和映射规则指令/响应单元逻辑存储编码器编码器应用程序接口应用系统读写器电子标签逻辑存储表标签物理存储C/R协议数据协议处理器物理询问器标签物理内存的逻辑映射通过标签结构以及标签读写命令与映射规则表示出来；逻辑内存的中的所有信息通过

32、逻辑内存映射表示出来。装置指令应用指令应用响应装置响应指令空气界面响应图4.1 RFID硬件结构图RFID的工作原理：无源标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；或者有源标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID技术具有众多优点，具体如下：（1）非接触式感应，无需人工干预，应用便利；（2）无机械磨损，使用寿命长，可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣环境；（3）可识别高速运动物体，并可同时识别多个电子标签；（4）读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；（5）穿透性较强，技

33、术改进后可穿透铁等金属物质；（6）数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；（7）读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。基于RFID拥有的种种优点，世界各国政府和国际标准化机构正努力建立统一的技术标准，推动其成为未来智能化物联网的支柱技术之一。RFID技术的特点完全符合自动柜员售货机中商品标签自动识别的设计要求。随着RFID技术发展日趋成熟，体积更小、价格更低的RFID产品将使未来商品电子化的步伐大大加快。要实现商品RFID标签自动识别，就需首先了解商品增加电子标签的意义。在自动柜员售货机上配置商品标签自动识别系统，有利于及时、准确反馈商品存贮和销

34、售信息，有利于零售商制定合理的供货和销售策略，降低零售商人工检查自动柜员售货机存货情况的人工成本。要使自动柜员售货机拥有良好的商品标签自动识别系统，就必须使该系统模块具有较高的稳定性、准确性和抗干扰能力。（1）参数选定为了使RFID系统能稳定可靠地工作，对RFID系统的主要参数设计如下：（周晓光，等，2006）。作用距离：指系统的有效识别距离。识别距离过短，有可能造成出货时难以识别；识别距离过长，容易对存储货道里的商品误识别。综合考虑自动柜员售货机和饮料的规格尺寸，本设计将作用距离定为100mm。工作频率：指RFID系统的识别频率。低频有较好的穿透能力，但传播能力差；高频发射功率小，且标签体积

35、较小，但对障碍物敏感。根据实际情况采用中高频10MHz30MHz的工作频率。标签编码：指RFID标签中编码的长度及其内容的定义。立足行业发展的角度，本设计将标签容量定为256bit。考虑到商品通用性，本设计RFID标签EPC将根据麻省理工学院自动识别技术中心的EPTM-256规则定义。EPC规则由四部分组成：版本号、域名管理、对象分类和序列号，在该规则下可根据标签具体精确说明是哪一间公司的哪一件产品。（2）RFID标签设计根据实际的使用情况，并参考市面上一些现有的RFID标签产品，对RFID标签进行了设计，采用四脚贴片形式封装。RFID标签的外观尺寸如图5所示。单位：mm 误差：±0

36、.1频率图5.1 RFID标签封装尺寸其主要指标参数如表2所列。表2 RFID标签主要指标参数类别说明产品名称无源RFID标签产品规格（mm）3.2×2.5×0.65工作频率27.12MHz储存温度-40°C+85°C工作温度-1°C+60°C穿透能力可穿透金属和液体工作距离100mm根据以上选定参数所设计的RFID标签具有较小的体积和较好的金属穿透性，充分满足了产品贴装和感应的需求。（3）RFID阅读器设计鉴于目前市场上有着种类繁多的RFID阅读器，在满足各种参数要求的前提下，本设计选取了华禹高科技公司生产的NXP-PN532型阅读

37、器。该RFID阅读器采用STC51作为主控芯片。NXP-PN532型RFID阅读器电路板实物如图6所示。图6.1 NXP-PN532型RFID阅读器NXP-PN532型RFID阅读器主要技术指标如表3所示。表3 RFID阅读器主要指标参数类别说明产品名称RFID阅读器产品规格（mm)150×80×20工作电压5VDC主控芯片STC51识别芯片RC632识别距离传输方式100mmUSB口传送3.3 配件设计自动售货机是集机、电、光于一体的商业自动化设备，根据所售商品的形状不同可分为盒式自动售货机和罐式自动售货机，而商品的送出机构是决定商品是否销售成功的最终关键（关祥毅，等，2

38、007）。本设计主要针对罐装饮料，自动售货机中罐装送出机构主要有弹簧推动方式、转盘方式、硬币器传动方式和曲柄连杆传动方式几种。本设计采用曲柄连杆传动方式。曲柄连杆传动式罐装送出机构如图7所示。1-后侧板 2-前侧板 3-弹簧 4-自动卡紧槽 5、10、14-固定轴 6-旋转卡片7-电机 8-曲柄 9-传感器 11-连杆 12-摇臂凸轴 13-插槽 15-摇臂16-摇臂阻货工作面 17-摇臂承货工作面图7.1 罐装送出结构示意图当顾客选择了商品，按下出货按钮，希望完成交易时。PLC将对出货模块发出信号，出货机构予以动作，电机开始运行，随电机运行至前半周时，使摇臂向承货侧摆动，将最前面的第一个罐体

39、盛人摇臂15上的承货工作面内17内。电机继续下半周运行时，摇臂15上承货工作面17盛着罐体向出货侧摆动，此时摇臂15的阻货工作面16则挡住后一个罐体。最后，当电机运行到一周期时，摇臂摆动到承货工作面17可将罐体滚出，此时传感器9开始动作，电机停止，出货完成。3.4 元器件设计 对一个完整的自动柜员售货机系统来说，每一个元器件都是系统必不可少的，其中任何一个的选择都会影响系统的整体运行。下面将分析具体各个功能模块的元器件选择。3.4.1 支付模块支付模块采用一个硬币识别器、一个纸币识别器和两个硬币出币器来实现投币、退币、识别、储币、找零、通信等功能。硬币识别器的工作原理是当硬币穿过由电磁线圈形成

40、的通道时，检测硬币的材质、直径、厚度、重量等参数，并由单片机进行对比分析，从而识别出硬币的真伪（裴进灵，2004）。纸币识别器的工作方法有荧光检测、磁性检测、红外穿透检测和激光检测等。硬币出币器工作时，当单片机接受到退币信号后发出指令，控制电机打开挡板，退出硬币，从而实现找零功能。本设计选用的硬币识别器是威佛微电子有限公司生产的GL-315型多币值硬币识别器。多币智能型投币器性能较为突出，能同时接收多种类型和币值的硬币。GL-315型多币值硬币识别器如图8所示。图8.1 GL-315型多币值硬币识别器GL-315型投币器是一款侧投类学习型多币值硬币识别器，可同时接收5角及1元的硬币，并向上位机

41、发出不同的脉冲信号以示区别，其主要参数如表4所示。表4 GL-315型硬币识别器主要参数类别说明产品类型侧投类硬币识别器工作电源DC+12V,静态0.5mW,动态0.5W工作温度零下二十至五十摄氏度适用币种各国流通货币及特殊材质代币适用硬币直径18mm32mm； 厚度1.23.2mm输出模式1.脉冲信号 2.USB信号 3.RS232通信协议这款硬币识别器还具有以下特点：（1）根据硬币的材质、直径来识别真假币，准确度极高；（2）学习型，即可以通过CPU记忆样币的参数，而无需另外夹取样币进行比较；（3）最多可设定3种不同规格的硬币。可设定一个币输出199个脉冲信号，或几个（19个）硬币输出一个脉

42、冲信号；（4）三段脉冲速度信号输出，N.O与N.C输出开关调整，适用范围广。可根据需要修改信号输出方式；（5）可增加累计信号输出及时间控制功能，可增加禁止停机收受硬币功能；（6）防钓鱼效果好，保证交易安全性。本设计选用的纸币识别器是威佛微电子有限公司生产的BV100纸币识别器。BV100纸币识别器是新一代的高性价比纸币识别器，可以广泛地应用在多领域。在串口模式下，BV100纸币识别器可以接收16个通道的货币。BV100纸币识别器如图9所示。图9.1 BV100纸币识别器BV100纸币识别器的主要参数如表5所示。表5 BV100纸币识别器主要参数类别说明产品类型纸币识别器工作电源最小11.5V，

43、最大14.2V；500mA工作温度3°C50°C适用币种各国流通货币适用纸币66mm面板，72mm面板输出模式1.脉冲信号 2.串口 3.并口 4.线性接口这款纸币识别器具有以下特点：（1）纸币接受率高；（2）无卡币通道设计；（3）使用方便，维护简易；防钓鱼效果好，保证交易安全性；（5）可增加累计信号输出及时间控制功能，可增加禁止停机收受硬币功能。支付模块还需要选择的元器件是两个出币器，一个用于出面额1元的硬币，一个用于出面额5角的硬币。根据设计要求，选用吉鸿电子有限公司生产的Mini-Hooper硬币出币器。该产品为一单一面额的出币机，可通过更换不同出币盘及调整节点来设定

44、出币的种类，操作简易，稳定可靠。自动检测硬币存储量，当存储量低于限定值时向控制模块发出信号，每出一个硬币也会向控制模块发出一个计币输出脉冲信号，保证出币成功和出币故障的及时发现。Mini-Hooper硬币出币器如图10所示。单位：mm图10.1 Mini-Hooper硬币出币器Mini-Hooper硬币出币器的主要参数如表6所示。表6 Mini-Hooper硬币出币器主要参数类别说明产品类型硬币出币器工作电源12VDC±5%工作温度5°C50°C适用币种各国流通货币及代币适用硬币直径20mm30mm；厚度1.0mm3.3mm硬币容量约500枚Mini-Hooper

45、硬币出币器还具有以下特点：（1）两倍感应器，双倍保护；（2）安装简单，维护简易；（3）可自行调整所出币的尺寸；（4）自带低币量、空币检测功能；（5）自动计算出币个数；（6）外观轻巧，容量大。GL-315型多币值硬币识别器、BV100纸币识别器和两个Mini-Hooper硬币出币器与PLC相连实现自动柜员售货机的支付功能。3.4.2 显示模块顾客投币后支付模块将信号传到控制模块PLC中，PLC就把当前顾客投币的币值显示与显示模块；顾客确认交易，自动柜员机送出货物后，PLC把币值预额显示与显示模块。总之，显示模块的功能就是显示顾客当前可用货币的币值。本设计采用带锁存的四位0.8寸红色七段数码管实现

46、显示功能。若选取Y0Y3传送数据，则Y4Y7为选通信号，数码管与PLC的接线图如图11所示。图11.1 带锁存四位七段数码管与PLC接线图该产品主要参数如表7所示。表7 带锁存四位七段数码管主要参数类别说明产品名称带锁存四位七段数码管产品型号8401AS引脚数6×2极性共阴发光颜色红亮度高亮尺寸(mm)71.80(L)×25.30(H)工作电压3V3.6V工作电流20mA数码管的四位自左至右分别为十位、个位、角位、分位。利用可编程控制器FX系列中的带锁存显示指令SEGL，将应投币总价显示到数码管上，使顾客对自己的消费情况一目了然。为了更好地使顾客进行相关操作，显示模块中还设

47、有追加投币指示灯、禁止投币指示灯、货物售罄指示灯和故障指示灯。相关指示灯将由PLC连接发光二极管LED（Light Emitting Diode）灯实现其功能。3.4.3 选择模块选择模块要实现的功能包括商品存货情况显示、已选商品显示和商品选择。考虑到自动柜员售货机多设在户外，选择按钮应具备防水、防油、防尘、耐用、防误触等特性。为了使模块简洁，用户界面友好，充分考虑各种情况后，决定采用选用枼诚电子股份有限公司生产的带双色LED按钮。该产品是一个集合了一个红色LED和一个绿色LED的不自锁按钮。因为该产品集合了双色LED，所以用一个按钮就可以实现商品存货情况显示、已选商品显示和商品选择三个功能。

48、当货道中有存货时，PLC控制绿色LED点亮；顾客选择商品的时候，按下所选商品对应的按钮，如果该商品有存货，PLC就会控制红色LED点亮，按钮由绿色变为红色，表示已选择该种商品；顾客可以任意改变选择商品的种类，按钮的颜色会跟随顾客选择的变化而变化，只有已选商品对应的按钮会点亮红色LED，方便顾客决定是否确认交易。自动柜员售货机共有四货道，因此一共要四个带双色LED不自锁按钮。带双色LED不自锁按钮如图12所示。图12.1 带双色LED不自锁按钮该产品主要指标参数如表8所示。表8 带双色LED不自锁按钮主要指标参数类别说明产品名称带双色LED不带锁按钮产品规格9.55mm电气容量最大绝缘电压500

49、VAC触点导阻最大50M总行程1.2±0.3mm操作寿命50000次3.4.4 出货模块出货模块的任务是检测货道中有无存货、送出货物和检测送出货物是否成功。在方案比较章节中已经分析过存货检测和出货检测可以用行程开关或者红外线探测开关电路来实现。通过比较两种方案各自的特点，决定采用红外线探测开关电路。红外探测开关电路是低成本、高可靠性、近距离反射感应开关，有效距离在1.5m-2m。最近距离为30cm。已广泛应用于家庭、干手器、全自动水龙头、防盗警戒等场合。红外线探测开关电路如图13所示。图13.1 红外线探测开关电路图该电路主要由红外线反射探测模块IC及少量外围元件组装而成。在IC内部

50、设置有并排安装的红外线发光管和红外线接收管。通电后红外线发光管会向外发射频率为40kHz的调制红外线。当探测头对准方向无物体阻挡时。红外线接收管收不到红外线发光管发出的红外线光线。IC的输出端OUT无信号输出，三极管VT1、VT2截止。继电器J不动作，此时整个电路处于静止状态。当前方在一定的范围内有物体时，红外线光被反射回来被红外线接收管收到，经模块内部电路放大、解调、整形、比较处理后，则IC的输出端OUT为高电平。经二极管VD2、电阻R送至VT1的基极，VT1、VT2导通。继电器J得电动作，其常开触点闭合或者常闭触点打开。与此同时，电源经VD2对电容C充电。当物体离开红外线反射探测时模块IC

51、，恢复初始静止状态。VT1又饱和导通，但VT2不能立即截止在C的放电电压作用下，VT2仍维持导通状态，直至C的放电电流小于VT2基极工作电流时。VT2才截止继电器J释放。VD1是续流二极管。此段延时时间长短取决于R、C的参数。VD2的作用是阻止C经导通的IC放电。使VT2在延时时间内能可靠地导通。 自动柜员售货机中共设四条货道和一个出货口，因此共需要安装五个红外线探测开关，每一个都是通过继电器的常开触点把PLC的输入端与高电平相连。3.4.5 控制模块无论支付模块、选择模块、显示模块、出货模块，还是数据存储、通讯功能等都需要一个稳定、准确、快速的控制模块去控制和整合。本设计选用稳定性好、功能强

52、的PLC三菱FX2N-64MR作为控制模块的核心，对自动柜员售货机系统进行控制。PLC的程序设计在后面的章节中有详细分析。FX2N-64MR PLC如图14所示。图14.1 FX2N-64MR PLC实物图FX2N-64MR PLC的主要技术指标如表9所示。表9 FX2N-64MR PLC主要技术指标类别说明产品名称可编程控制器环境温度0°C55°C耐压AC 1500V 1min绝缘电阻5M以上输入信号电压DC24V,±10%输入信号电流DC24V,7mA/DC24V,5mA输入响应时间10ms电路隔离继电器隔离PLC的主要硬件配置包括中央处理器、存储器、信号输入

53、/输出模块、电源和编程器等部分，随着功能的扩展，还可以增加各种外部设备接口。PLC结构框图如图15所示。图15.1 PLC结构框图 FX2N-64MR是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。它的基本指令执行时间只有0.08s，内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块和功能扩展板，可以实现多轴定位控制。FX2N-64MR PLC有32个输入继电器和32个输出继电器，共64个I/O点，还有500个通用辅助继电器、256个通用定时器、100个16位通用计数器和200个通用数据寄存器。三菱FX系列PLC具有以下特点（魏德仙，等，2009）：（1

54、）体积小；（2）外观美；（3）产品丰富，可满足不同用户的需求；（4）系统配置灵活；（5）功能强，使用方便。PLC与其他控制器相比，最重要的区别是PLC不能同时执行多个操作，用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。这种按分时原则顺序执行程序的过程称为扫描。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC不断循环重复程序的扫描周期（Ed Brinksma，et al，2002）。4 系统软件设计4.1 程序设计本设计采用三菱FX2N-64MR PLC作为自动柜员售货机系统的控制核心。作为系统的控制核心，PLC对整个系统起着至关重要的作用，好比大脑对人的作用一样。为

55、了使PLC可以更稳定可靠地控制自动柜员售货机工作，先分析PLC的运行状态、程序流程和I/O分配，再进行PLC程序设计。4.2 PLC运行状态设计对应自动柜员售货机系统的工作过程，PLC对自动柜员售货机的控制流程可划分为以下几个阶段：（1）待机阶段。没有顾客操作自动柜员售货机时，PLC处于待机状态，PLC根据各元器件传送来的信号判断各货道中有无存货，判断支付模块、出货模块有无故障，并根据以上情况来控制显示模块的工作。（2）投币阶段。支付模块接收到货币后通过投币信号线对PLC发出信号，PLC进入投币阶段，累计投币总额并存入对应寄存器，控制显示模块中的四位数码管显示投币金额。（3）选择阶段。当顾客按下选择按钮时，选择模块向PLC发出信号，PLC进入选择阶段，若所选商品有存货，则PLC标记顾客所选商品并控制显示模块点亮相应的LED；否则PLC控制显示模块点亮所选商品缺货指示灯。（4）价值比较阶段。顾客选择一种商品后，PLC马上就会比较已投币值是否小于应投币值。若不小于，PLC则准备进入出货阶段；否则，PLC控制显示模块点亮追加投币指示灯，等待支付模