基于PLC控制的自动售货机毕业设计论文.docx

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基于PLC控制的自动售货机毕业设计论文

本科毕业设计论文

基于PLC控制的自动售货机

摘要

本文设计一套基于PLC的自动售货机控制系统，阐述了自动售货机的发展背景与前景，详细分析其功能和特点，提出了总体设计方案；选用型号为L293D的步进驱动电机，设计了平面式贮币、电磁阀退币的货币处理装置，双螺旋式的送出机构，为降低成本和开发周期，创造性的选用了集成键盘、显示、设置功能的控制面板；以三菱FX2N-32MR型PLC为主控制器，基于FXGP/WIN-C编程软件，采用顺序控制的程序设计思路，设计了系统控制程序，包括投币程序、比较选择购买程序和退币程序。

该设计提高了自动售货机的可靠性和执行效率，且系统维护容易，维修简单，有一定的市场推广价值。

关键词：

自动售货机，可编程序控制器，梯形图

BasedonPLCautomaticvendingmachinesystemdesign

ABSTRACT

ChoosesPCmachineinthedesigntotakethehostworkstationonpositionmachine,thelowerpositionmachineusesPLCtomakethecontroller,threePLCcontrollersrespectivelybefromtheworkstation1,fromtheworkstation2,fromtheworkstation3,inthearticleexhaustivelyintroducedtheautomatvarioushardwarecomposition,andhascompletedthePLCexteriorwiringdiagram.Inthearticlehasmanufacturedonthepositionmachineusermanagementcontactsurface.

ThepresentpaperkeypointplacesthePLCvarioushardwarepartthedesignandtheintroduction,thePLCtrapezoidalchartDeferstointheoveralldesignprocess“asksthequestion,theanalysisquestion,solvestheproblem”theguidingideology,hasmadethecarefulelaborationtotheoverallsystemdesignwork.

KEYWORDS:

thevendingmachine，Programmablecontroller，Ladderdiagram

目　录

第1章绪论1

1.1课题研究背景1

1.2自动售货机设计目的和意义2

1.3自动售货机功能分析2

1.3自动售货机发展趋势3

第2章自动售货机硬件结构设计4

2.1PLC的硬件组成4

2.2电机的选择4

2.3货币处理装置7

2.4送出机构7

2.5按钮装置10

2.6显示装置10

2.7本章小结11

第3章总体设计方案12

3.1自动售货机系统12

3.1.1硬件系统的组成部分及工作流程12

3.1.2控制子系统简述13

3.1.3PLC的选择13

3.2PLC控制系统设计编程要求及基本原则14

3.2.1编程要求14

3.2.2基本原则15

3.3系统硬件结构框图16

第4章自动售货机控制系统设计18

4.1自动售货机控制方案设计18

4.2PLC选型18

4.2.1PLC概述18

4.2.2PLC的主要功能19

4.2.3I/O点估算和PLC选型20

4.3I/O地址设计21

4.4流程设计22

4.5PLC与现场器件的连接24

4.6程序设计25

4.6.1比较指令和运算指令25

4.6.2投币程序26

4.6.3价格比较程序26

4.6.4根据投入的钱数指示灯显示的程序27

4.6.5选择商品和送出部分程序27

4.6.6找钱退币程序28

4.6.7梯形图和指令表29

第5章仿真30

5.1GX7CH软件的简介30

5.2具体事例的分析31

结　论38

参考文献39

致谢40

附录41

第1章绪论

1.1课题研究背景

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。

随着当前城市规模的增大，很多公共场合都放置有自动售货机，极大的满足了人们的即时性需求，为人们进行简单物品的采购提供了一种便利。

自动售货机行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在45个国家得到广泛普及。

据业内人士估计，中国的自动售货机拥有量仅有2万台，相对于13亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言，中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。

传统的自动售货机多采用单片机控制方案，系统硬件设计复杂，抗干扰能力相对较差，很难保证系统的可靠性和稳定性，维护维修困难。

可编程序控制器（PLC）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，它具有可靠性高、程序简单、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。

利用三菱FX-2NPLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。

本文就详细地介绍一种用三菱FX-2NPLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计，并编写了系统程序总框图和一个具体的梯形图，经实践验证该控制系统是可行的。

1.2自动售货机设计目的和意义

面对当前快速商品社会，人们的时间观念越来越重，如何才能更快的购买到顾客自己所需的商品，这都是顾客和商家共同面临的问题。

随着科技的发展及人们生活水平的提高，自动售货机市场的发展越来越呈现出多元化及个性化的需求。

通过自动售货机进行自助购物正逐渐成为市民的一种新的消费时尚，快捷方便的购物方式满足了人们在当今科技高速发展的现代社会追求高品质生活的需要。

自动售货机在城市商业区、写字楼大厅、风景区、车站、码头、繁华街道等公共场所的布设能够美化亮化城市环境，方便群众生活，已经成为城市各角落的一道亮丽风景线。

自动售货机已在国内普及，并成为城市现代文明程度的一种象征性标志。

PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC得发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了他们的发展。

本次设计就在于结合PLC的种种优点联系实际情况来弥补原有系统的不足，利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证了自动售货机能够长期稳定的运行。

1.3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2.50元，02商品为3.50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。

自动售货机的工作流程图如图1.1所示。

图1-1自动售货机工作流程

1.4自动售货机发展趋势

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10－15％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。

从自动售货机的发展趋势来看，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，在加上场地的局限性和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也就有了其相当可观的前景。

第2章自动售货机硬件结构设计

2.1PLC的硬件组成

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。

其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件结构图如图2-1

硬件结构图2-1

2.2电机的选择

电动机选择的参考因素主要包括：

电动机型式、电压与转速；电动机型式种类；电动机防护型式的选择；电动机电压和转速。

1、电动机型式、电压与转速的选择

合理选择电动机型式、电压与转速的具体内容及一般步骤

首先要根据生产机械对电力传动提出的要求，如起动与制动的频繁程度，有无调速要求等等来选择电动机的电流种类，即选用交流电动机还是选用直流电动机；其次应结合电源情况选择电动机额定电压的大小；再由生产机械所要求的转速及传动设备的要求选取它的额定转速；然后根据电动机和生产机械的安装位置和周围环境情况来决定电动机的结构型式和防护型式；最后由生产机械所需要的功率大小来决定电动机的额定功率（容量）。

综合以上方面考虑，最后在电机产品目录中选择与要求相符的电动机，如果产品目录中所列电动机不能满足生产机械的某些特殊要求，则可向电机生产厂家单独定制。

2.电动机型式种类的选择

选择电动机是从交流和直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑的，所以选择时要遵循下列原则：

①首先考虑选用三相鼠笼型异步电动机。

因为它具有简单、坚固耐用、工作可靠、价格低廉和维护方便等优点，但是它的缺点是调速困难、功率因数低、起动电流较大和起动转矩较小。

因此主要适用于作为机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械和拖动，如一般的机床和功率小于100KW的水泵或通风机等生产机械。

②绕线型电动机的价格较笼型电动机高，但是它的机械特性可通过转子外加电阻的办法加以调节，因而能限制起动电流并提高起动转矩，故它可适用于电源容量较小，电动机功率较大或有调速要求的场合，如某些起重设备、卷扬提升设备、锻压机及重型机床的横梁移动等。

③当调速范围低于1：

10，且又要求能平滑调速的场合，可先选用滑差电动机。

该电动机的结构型式按其安装位置的不同可分为卧式和立式两种。

卧式电动机的转轴是水平安装的，立式电动机的转轴则是与地面垂直安装的，故两种电机不可以更换对调使用。

在一般情况下应尽量选用卧式电动机，只有在需要垂直运转的场合（如立式深井水泵以及钻床等），为了简化传动装置时才考虑采用立式电动机（因为它的价格较贵）。

3.电动机防护型式的选择

电动机的防护型式有多种，实用中选择时必须根据不同的工作环境选择适宜的防护型式电动机。

电动机的防护型式有开启式、防护式、封闭式、防爆式、潜水式等数种。

通常情况下选用开启式，因为它便宜，但它只适用于干燥清洁的环境，对于潮湿、易受风雨侵蚀、多灰尘、易燃、腐蚀性的环境应选用封闭式，而在灰尘多对电机绝缘无害且易被压缩空气吹净时，可选用防护式。

至于潜水泵用电机，则应采用完全密封式，以保证在水中工作时不被潮气侵入，当电动机在有火灾或爆炸危险的环境中时，应注意必须选用防爆式。

4.电动机电压和转速的选择

（1）现有工厂企业的生产机械选配电动机时，电动机的额定电压应与工厂配电电压一致，新建工厂的电动机，其电压选择要与工厂供配电电压的选择一起考虑，根据不同电压等级经技术经济比较后择优决定。

我国规定的低电压标准为220/380V，高压配电电压大多数为10KV。

一般中小容量的电动机大都是低压的，其额定电压分别为220/380V（D/Y接法）和380/660V（D/Y接法）两种。

当电动机容量超过约200KW时，建议使用者选择3KV、6KV或10KV的高压电机。

（2）电动机的（额定）转速选择，要根据拖动生产机械的要求及传动装置的配比情况来考虑。

电动机每分钟的转数通常有3000、1500、1000、750及600等多种，异步电动机额定转速由于存在转差率，一般要比上述转速低2％～5%。

从电动机制造角度讲，同样功率的电动机若额定转速越高，其电磁转矩外形尺寸就愈小，成本就愈低且重量亦轻，并且高速电机的功率因数及效率比低速电机都高。

若能选择转速愈高的电动机，则经济性愈好，但若由此而引起电动机与被拖动机械间的转速相差过大时，所需装设减速装置的传动级数就越多，这就会加大设备成本及传动的能量损耗。

故要经过分析比较择优选定。

我们通常应用的电机大部分是选用4极1500r/min的电机，因为这种额定转速的电机适应范围广，而且其功率因数和工作效率也较高。

自动售货机吐出饮料的过程实际为电机动作推饮料下来。

综合考虑选择电机为L293D步进驱动电机。

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。

2.3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。

货币处理装置流程如图2-2

检测

2-2货币处理装置流程图

2.4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。

本文所设计的罐体送出机构主要由槽轮、推拉杆、推拉销、直线步进电机和前后两边侧板构成,其中槽轮上槽弧的半径为罐体的半径,货道宽度为罐体的直径.如下送出机构示意图8所示.

图8送出机构示意图

送出机构主要通过直线步进电机带动推拉杆和推拉销,促使槽轮绕着转动中心作往返转动.直线步进电机运作一次,使槽轮上下各摆动一次.同时,在前后两边的侧板上有导向槽,推拉销在导向槽内来回运动,导向槽的作用是限定推拉杆的运动方向和槽轮摆动角度。

送出机构的工作过程如图8所示,自动售货机正处在待售状态下,槽轮的槽开口朝下,利用阻货面来支撑和阻挡上面的罐体,起到阻止罐体下落的作用.当售货机接收到售货信号时,直线步进电机运行并作用于推拉杆,推拉杆同时推动槽轮上下摆动一次.在槽轮摆动的前半周,槽从开口向下转到开口向上,并有一个罐体装入到槽中;在槽轮摆动的后半周,槽的开口向上转到向下,并带动一个罐体向出货侧摆动,同时槽轮的阻货面挡住后面的罐体,电机停止工作,这样就完成一个罐体的售出。

2.5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。

2.6显示装置

液晶显示器（LCD）是现在非常普遍的显示器,广泛应用于各种电子产品，具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。

液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同，LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。

液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。

液晶这一呈液体状的化学物质，象磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列。

如果对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿越。

LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。

位于最后面的一层是由荧光物质组成的可以发射光线的背光层。

背光层发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。

液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。

当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。

这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

TFTLCD技术能够显示更加清晰，明亮的图象。

早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低，效率差，对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图象时往往会产生阴影，影响视频的显示效果，受LCD液晶层中实际单元格数量的影响，LCD显示器一般只能提供固定的显示分辨率。

如果用户需要将800X600的分辨率提升到1024X768的话，只能借助于特定软件的帮助实现模拟分辨率。

与传统的CRT显示器一样，应用于桌面系统的LCD也被设计成接收波形模拟信号，而非直接由PC产生的数字脉冲信号。

这主要是因为目前桌面系统中的绝大多数标准显卡仍然是在将视频信息由最初的数字信号转化为模拟信号之后再传送给显示器显示。

虽然桌面系统的LCD被设计成可以接收模拟信号，但是LCD本身仍然只能处理数字信息，因此当从显卡接收到模拟信号之后，LCD需要将模拟信号再还原为数字信号后进行处理。

为了解决上述问题带来的显示上的不足，最新的桌面LCD采用了一种特殊的带有数字连接器图形卡直接向LCD显示器传送数字信号。

2.7本章小结

本章详细的讲解了自动售货机的硬件结构，从而对自动售货机的组成有了一个更深的认识，为更好地完成设计打下了良好的基础。

第3章总体设计方案

3.1自动售货机控制系统

3.1.1硬件系统的组成部分及工作流程

（1）组成部分

图3-1自动售货机硬件系统组成部分

1.温控模块：

温度采集和加热制冷控制。

2.销售模块：

完成整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现。

3.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。

4.通讯模块：

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。

5.货币识别模块：

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。

6.主控模块：

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。

（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。

3.1.2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