自动售货机控制系统的设计论文.doc

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1、电气控制课程设计说明书自动售货机控制系统系 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 刘凯 指导教师： 董海兵 职称 教授 专 业： 自动化 班 级： 1004 完成时间： 2013-11-20 第 18 页摘要自动售货机是可完成无人自动售货的商业自动化设备，它不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24h售货，在我国也越来越普及。传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，但这样在输入输出接口上消耗很大。PLC不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、功能强、能耗低、调试方便等优点。本款售货机是基于汽水与咖啡的自动售货设计的。论文以三菱PLC设计自动售货机控制系统，简要介绍PLC各硬件选型，

2、软件的设计，PLC梯形图的编写与系统的调试方法。关键词：自动售货机；PLC；调试AbstractVending machine is a self-service device that can automatically sell goods to customers. It is not restricted to specific sites, which is convenient and sells 24 hours a day. Vending machines also become increasingly popular in China. The traditional v

3、ending machines use Single Chip Microcomputer as the core of control, which costs greatly on its input/output interface. PLC not only fulfill a similar controlling function, but also has other advantages such as high reliability, easiness to program, strong function, low energy consumption, convenie

4、nce to debug and so on. This vending machine is based on the design of self-service selling for soft drinks and coffee .On the basis of Mitsubishi PLC, this paper gives a brief introduction to the various hardware selection, software design, the compilation of PLC Ladder Diagram and the debugging me

5、thod of the system.Key words: Vending Machine；PLC；Debugging目 录1 引言12 自动售货机的硬件选型33.1 红外线传感器33.2 红外检测器33.3 红外传感器43.4 数码管显示43.5 敲击防盗报警器53.6 硬币识别原理63.7 硬币的贮存和退币机构73 自动售货机的软件设计74.1 控制要求74.2 方案设计84.3 控制接线图94.4 I/O口分配104.5 控制流程图104.6 程序设计114.6.1计币部分124.6.2比较部分124.6.3选择和饮料供应部分134.6.4余额计算部分134.6.5退币部分134.6.6

6、报警部分154 梯形图程序调试15结束语16致谢17参考文献18附录191 引言自动售货机是可完成无人自动售货，集光、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24h售货，因此深受上班族的欢迎，很多城市的公共场所里面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。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。传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心，这样不仅会在输入输出接口

7、上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。但是PLC（即可编程序控制器）是综合了计算机技术、自动控制技术与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与综合服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定与执行效率高。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与可靠性，这在现代化商业社会的今天尤为重要。本论文采用的PLC是FX2n-48MR型号，编程软件是SWOPC-FXGP/WIN-C，设计的是一款简单实用的自动售货机。该自动售货机最基

8、本的功能是对投入的硬币进行感应，并根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料，并做出相应的反映。因此，售货机应能够辨识机内包含的饮料，能够对所投入的币值进行累计，并提供所要购买的饮料。当按下选择饮料的按钮时，相应的电磁阀起动，饮料开始供应，提取饮料到出货口，顾客取出饮料，完成此次交易。它具有投币感应系统、比较系统、选择与饮料供应系统、退币系统、报警系统等来实现完整的售货功能。本文设计的是售汽水与咖啡这两种饮料的自动饮料机，它的售货过程是：首先由顾客按下商品选择开关时，然后顾客投入的硬币(投入硬币的面值与剩余值由PLC驱动数码管显示)经过光传感器感应，再由光传感器驱动硬币识别传感器识别硬币（由

9、于能力有限，在识别硬币上不做具体研究）。如果是无效币则使继电器打开阀门，将硬币退出；如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮币腔，并经硬币识别传感器将信号送给PLC。最后经顾客选择，同时PLC控制，使PLC的输出口上有相应的信号输出。若贮币腔内无硬币（红外检测器感应）、饮料的量位小于设定值（红外传感器感应）、售货机遭损，系统就报警【7】。大体运行如图2-1：商品选择开关硬币感应器PLC各种指示灯退币电动机出货电磁阀液位感应器报警图2-1自动售货机控制系统硬件组成示意图图2-2是自动售货机简单示意图。在该机中有两种已经配制好的饮料储液桶（未画出来），一种为汽水，另一种为咖啡。汽水出口与咖啡出

10、口分别代表由两个电磁阀控制放入杯中的饮料品种的饮料出口。退币按钮 汽水按钮 咖啡按钮退币口 投币口退币指示灯 汽水指示灯 咖啡指示灯投币不足指示灯汽水出口 咖啡出口图2-2自动售货机简单示意图2 自动售货机的硬件选型2.1红外线传感器在本设计中，当硬币投入开始由红外线传感器感应，然后由红外线传感器驱动硬币识别传感器，硬币经识别后进入贮存腔时，由硬币识别传感器送给PLC一个信号，进行硬币的叠加运算；当退币时，退出的硬币经红外线传感器感应，给PLC一个信号，进行退币的相加运算。本设计是运用红外线传感器的原理对投币进行检测的。图3-1所示是由红外线传感器构成的红外线探测开关电路图。它是以单运放为主构

11、成，PLC与之联系。探测头采用一体化红外线传感器发射接收组件。当发射管与接收管之间无硬币时，接收管集电极与发射极间的电阻值变小，因此会使IC1反相信号输入端3脚电压下降，IC1的同相输入端2脚上的基准电压是由R3与R4*分压后得到的，由此使其7脚输出变为高电平，KA继电器不工作，所以PLC得不到相应的信号。 当发射管与接收管之间有硬币时时，硬币遮挡红外线，接收管集电极与发射极之间的电阻变大，IC1的3脚电压大于2脚电压，其7脚输出为低电平使VD7导通发光，KA继电器工作，使PLC得到相应的信号【9】。图3-1红外线探测开关电路图2.2红外检测器 对贮存腔没有硬币的报警，在本设计中采用红外检测器

12、给PLC的输入端一个信号,然后由PLC的输出端驱动报警系统。在贮存腔底部安装了红外遥控发射装置。当没有投币时，系统正常运行，给出了运行指示；当没有投币时而按了汽水、咖啡按钮或者退币按钮，这时光线没有被硬币遮挡，有信号输出，产生无币报警。2.3红外传感器在本设计中，当饮料的量位小于设定值时，由红外传感器感应，光敏二极管接收到LED发射出的光，给PLC一个报警信号，然后PLC驱动报警器【10】。红外传感器应用电路发光与受光方式如图3-2。施密特触发器LED光敏晶体管LED驱动电路放大器输出 图（图3-2红外传感器应用电路图2.4数码管显示在本设计中，显示部分，以带锁存的7段显示指令SEGL来实现，

13、对于指令SEGL，用12个扫描周期显示一组4位数据，占用8个输出点。源操作数可以选所有的数据类型，目标操作数为Y，只有16位运算，n=07，该指令用12个扫描周期显示一组或两组4位数据，占用8个或12个输出点，该指令可以是使用两次。SEGL指令用12个扫描周期显示一组或两组4位数据，PLC的扫描周期应大于10ms，若小于10ms，应使用恒定扫描方式。该指令的执行条件一旦接通，指令反复执行，若执行条件变为OFF，停止执行。图3-3中使用一组输出（n=03），D1中的数据依次送到Y0Y3。选通信号由Y4Y7提供【1】。图3-3带锁存的7段显示接线图对于晶体管输出电路有漏输出（即集电极输出）与源输出

14、（即发射极输出）两种（见图3-4），前者为负逻辑，梯形图中的输出继电器为ON时输出低电平；后者为正逻辑，梯形图中的输出继电器为ON时输出高电平。图3-4正负逻辑图7段显示器的数据输入（由Y0Y3与Y10Y13提供）与选通信号（由Y4Y7提供）也有正逻辑与负逻辑之分。若数据输入以高电平为“1”，则为正逻辑；反之为负逻辑。选通信号若在高电平时锁存数据，则为正逻辑；反之为负逻辑。参数n的值由显示器的组数、PLC与7段显示器是否相同来确定（见表3-1）。组数12PLC与数据输入类型相同不同相同不同PLC与选通脉冲类型相同不同相同不同相同不同相同不同n01234567表3-1参数n的确定在本设计中，因需

15、显示一组4位数据，PLC与数据输入类型相同，PLC与选通脉冲类型相同，所以n=0。2.5敲击防盗报警器在本设计中，采用BS-02压电式传感器作为检测售货机遭破坏的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知售货机受破坏时产生的振动波，传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给PLC，然后由PLC输出控制报警系统。BS-02压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图3-5所示。传感器的最小输出电压为100mV，是大输出电压为100V，内阻阻抗为1520K，工作温度为-1060。图3-5BS-02传感器外形及内部电路图使用时传感器用胶贴在售货机上，通过电缆与PLC相连

16、，然后再通过PLC与报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰耗要小，而带外衰耗要尽量大。由于售货机振动的波长在音频与超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。为了提高报警的可靠性，电路中设置有比较器，只有在传感器信号高于设定的阈值时，它才会输出报警信号，驱动PLC，再由PLC驱动报警执行机构工作。报警器电路框图如图3-6所示。带通滤 波PLC比较放大执行机 构自动售货机传感器图3-6报警器电路框图2.6硬币识别原理主要识别指标：材质、厚度、直径。材质是用电磁的方式测的，使用空心线圈或磁芯线圈，线圈组数少的只有一组，多的常见的是六

17、组。工作状态下，线圈及其外围电路会以一个特殊的频率振荡（多个线圈的话频率各不相同），当硬币以垂直或平行于线圈平面的方式穿过时（不同产品方式不同），会引起振荡频率的变化。材质不同所引起的频率变化幅度与方向（增加、减少）也不同，对某种硬币的变化特征进行记录后，就成为使用中识别该种硬币的依据。厚度是没有东西专门测的，实际上这个指标是与材质一起测。因为即使相同材质的硬币，如果厚薄不同，导致的频率变化差异也较大。直径老式的识别装置用光电管队列来识别直径，排列组合得当的话，识别精度也不低。新一点的都用偏心或异形线圈来测量，依据是直径小的硬币与线圈的重合部分也少，由此也带来频率变化的不同。我国目前发行的1元

18、、5角与1角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金，因此在它通过投币入口进入由电感与电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时。金属材质与体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异，电感量的变化引起振荡频率的变化；再通过检测频率的变化，与设定值进行比较，确定某种硬币种类后，经窄带选频电路将频率信号变成电压信号输出，完成对金属硬币的识别。2.7硬币的贮存与退币机构金属硬币识别器种类繁多，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。在本设计中，采用的是圆筒式贮币，步进电机退币。当硬币投入后经过识别识出电信号后，伪币与异物被排出，真币按面值由几组

19、分布电磁阀分配到不同贮币腔内备用。当收到退币找零电信号后，通过退币电机拉杆，将贮币腔内下部硬币依电信号程序退出，完成自动售货机的退币找零功能。3 自动售货机的软件设计本次设计的重要部分是第4章的设计部分,即自动售货机梯形图的程序设计。根据控制要求与工作流程图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解本次自动售货机控制系统的控制原理。3.1控制要求（1）自动售货机有3个投币1角、5角、1元的硬币。（2）所售饮料标价：汽水2元，咖啡3元。（3）投币总额或现在值显示在7段数码管上。（4）当投入的硬币总值超过所购饮料的标价时，所有可购买饮料的指示灯均亮，作可购买提示。（如：当投入的硬币总值超过2元，汽水指

20、示灯亮；当投入的硬币总值超过3元时，汽水、咖啡指示灯均亮）。（5）当汽水指示灯亮时，按选择汽水按钮，则排出汽水，7s后自动停止。在这段时间内，汽水指示灯闪烁。（6）当咖啡指示灯亮时，按选择咖啡按钮，则排出咖啡，7s后自动停止。在这段时间内，咖啡指示灯闪烁。（7）系统根据顾客投入的硬币，判断硬币是否足够，若足够则根据顾客的要求自动售货，投币不足则给出提示。（8）购买饮料后，系统自动计算剩余币值，并根据剩余币值提示可购买的饮料（指示灯亮）。（9）若投入的硬币总值超过所需的钱数（汽水2元，咖啡3元），则找钱指示灯亮,当按退币控制按钮时，退出找回的钱。（10）在报警系统中，PLC只起到开关连接的作用。

21、3.2方案设计（1）通过分析，取最有把握的思路，故采取一般梯形图进行程序设计。（2）注意一点，程序运行开始阶段要有上电复位，让机子清零。（3）本自动售货机可使用1角、5角、1元硬币，计币时用ADD指令进行累加从而得到一个投币总额；比较币值时使用CMP指令来判断是否符合汽水排出或咖啡排出的条件；余额计算时用SUB指令从投币总额中扣除顾客所消费的币值总额；退币计算时用到触点型比较指令。（4）由于实验室PLC型号三菱FX2n-48MR对某些指令可能无法识别，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。（5）PLC选用继电器输出型。（6）

22、要求实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转。（7）退币结束时，使用ZRST指令进行购买完成的复位，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误。3.3控制接线图本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。根据控制要求，I/O点数在48个左右，选择性能价格比较高的三菱FX2n-48MR，其中其输入点为24点，输出点为24点，该PLC为继电器输出型。了解各个控制对象的驱动要求，分析对象的控制要求，完成PLC硬件结构配置。本设计中，退币按钮、各种饮料按钮与饮料出口（驱动电磁阀）等均为开关量。根据上述要求，因条件所限输出均用指示灯代替，

23、由此绘制出PLC控制电路接线图，如图4-1所示：图4-1控制接线图3.4I/O口分配列出I/O口分配表，如表4-1：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1角投币感应器ST1X0显示指示灯HL1Y0Y75角投币感应器ST2X1汽水指示灯HL2Y101元投币感应器ST3X2咖啡指示灯HL3Y11汽水按钮SB1X3汽水电磁阀YV1Y12咖啡按钮SB2X4咖啡电磁阀YV2Y131角退币感应器ST4X5无币报警控制YV3Y145角退币感应器ST5X6没有汽水报警YV4Y151元退币感应器ST6X7没有咖啡报警YV5Y16退币控制按钮SB3X10售货机遭破坏报警YV6Y171角剩余钱币感应

24、器ST7X111角传动电机控制YV7Y205角剩余钱币感应器ST8X125角传动电机控制YV8Y211元剩余钱币感应器ST9X131元传动电机控制YV9Y22汽水液位感应器ST10X14退币指示灯HL4Y23咖啡液位感应器ST11X15投币不足指示灯HL5Y24售货机遭破坏感应器ST12X16表4-1I/O口分配表3.5控制流程图绘出自动售货机PLC控制流程图，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。自动售货机PLC控制流程图，如图4-2所示。投币计数比 较币价累加币价选 择饮 料汽水选择咖啡选择减去咖啡用币是否退币退币计数钱币倒入退币箱结束饮料不足报警减去汽水用币硬币不足售货机遭破坏钱

25、币不足NY图4-2控制流程图3.6程序设计由于本设计为毕业设计, 因此要求上要有现实中的自动售货机的多种功能。根据自动售货机控制系统的流程可以知道自动售货机的主要系统包括：计币部分、比较部分、选择与饮料供应部分、余额计算部分、退币部分、报警部分。3.6.1计币部分当有顾客购买饮料时，投入硬币时经过光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器识别硬币,如果是假币则系统自动退出硬币,如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮存腔,并经光传感器感应，然后在PLC内进行数据运算，否则认为是假币并退出系统，梯形图如图4-3：图4-3计币部分3.6.2比较部分投币完成后，系统会将D1内钱币数据与可以购买的

26、饮料价格进行区间比较：若投币2元，则指示灯Y24亮，显示投币不足，此时可以继续投币或退币；若2元投币3元，则汽水选择指示灯长亮，此时可以选择汽水或退币；若投币3元,则汽水与咖啡指示灯长亮,此时可以选择汽水、咖啡或退币。梯形图如图4-4:图4-4比较部分3.6.3选择与饮料供应部分比较完成后，按下指示灯长亮的选择按钮，相应的电磁阀（Y12或Y13）起动，并且相应的选择指示灯由长亮转为以1s为周期的闪烁直至饮料供应完毕后闪烁停止。当饮料输出达到7s时，电磁阀关断。梯形图如图4-5：图4-5选择与饮料供应部分3.6.4余额计算部分饮料输出的同时减去相应的购买币数。梯形图如图4-6：图4-6余额计算部

27、分3.6.5退币部分 顾客可在购完饮料后，由退币指示灯Y23可知是否可以退币，指示灯亮，则可以退币，当按下退币控制按钮后，数据寄数器D1内的币数除以10，商的整数部分是需要退回1元的个数并储存在D2中；D3的数据除以5，商的整数部分是需要退回的5角钱的个数，并储存在D4中，依次类推选择退币的同时起动3个退币电动机。3个感应器开始计数，当感应器记币的个数等于数据寄存器退回的币数时，退币电动机停止运转。PLC编程梯形图如图4-7：图4-7退币部分3.6.6报警部分PLC在报警系统中，只起到开关连接的作用，具体梯形图如图4-8：图4-8报警部分4 梯形图程序调试由于实验室没有相应的实物控制模型(自动

28、售货机)，因此，在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关信号与复位按钮来代替，所有的输出均用指示灯来表示。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损坏及人身意外。开始程序调试：首先将PLC控制程序写入到PLC机器中，再选择监控状态，使PLC处于“RUN”状态，然后逐一按投币感应器（即硬币识别机构用复位按钮信号来表示硬币的输入），观察有没有进行累加币值；或按选择按钮，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭（即显示饮料选择提示、饮料送出、送出时间与退币提示），并通过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、

29、内部描述实际出现的问题及解决方案。对报警部分进行调试，只需给相应的输入端口信号，然后相应的指示灯变亮即可。要对照设计控制要求，逐一检验设计功能是否能有效的实现，并对程序进行改进与完善。例如，调试过程中，发现重复线圈问题，需将程序进行合并，避免重复线圈等等。总而言之，对程序必须要反复调试，不断改进，以获得既完全实现功能，而又简单、严谨性高的PLC控制程序。结束语毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动售货机控制系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，与实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计

30、规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力与更强理解力。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

31、比如我的设计还有很多的不足之处，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足与遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行。致谢大学四年，毕业论文就是我们所学知识的见证，完成它既有一种收获感，又有一种失落感，可无论如何它代表着我四年的努力，代表了我四年的历程。当它终于完工的时候，我不禁想起了很多人，很多事，尤其是辛勤培养我的教师们，谢谢你们！在这里，首先我要特别感谢我的导师朱笑花教师对我的谆谆教导。正是在她的循循善诱与悉心指导下，我顺利地完成了我的毕业设计。其次感谢我的同学与朋友，他们给予了我无私的帮助与无穷的精神动力。在我遇到知识上的的难点时，他们总

32、是能给我及时的援助。感谢我同宿舍的其他同学，谢谢他们在这大学四年里给我的帮助与关心。 再次深深感谢我的父母，他们在我的物质及精神上给予很大的支持，使我大学四年得以顺利完成的保障。是他们教会了我人生的真谛，让我茁壮成长。父母的教诲是我一生最宝贵的财富，再一次感谢他们对我的培养。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文与参加答辩的各位教师！衷心地祝愿各位身体健康、工作顺利。参考文献1廖常初.FX系列PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社.2005.1127.2罗宇航.流行PLC实用程序及设计(西门子S7-200系列)M.西安:西安电子科技大学出版社.2006.246252.3高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）M.北京:电子工业出版社.2006.4146.4钱锐.PLC应用技术M.北京:科学出版社.2006.112113.5黄继昌等.传感器工作原理及应用实例M.北京:人民邮电出版社.1998.6朱军等.自动售货机中的纸钞及硬币识别原理J.7董淑冷等.PLC在自动售货机控制系统中的应用J.上海师范大学学报.2007,36(2):4751.8赵红梅等.自动售货机PLC控制系统的设计J.9孙余凯等.传感器应用电路300例M.北京:电子工业出版社.2008.157158.10何希才等.实用传感器接口电路实例M.北京:中国电力出版社.2007.218219.附录