基于PLC的自动售货机监控系统设计论文.docx

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基于PLC的自动售货机监控系统设计论文

基于PLC的自动售货机监控系统设计

摘要

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。

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。

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-48MR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

Thepresentpaperdesignwasbythemicrocomputer-PLCconstitutionautomatsupervisorysystem,thisarticleelaboratedautomatandthedevelopment,aswellasitinthedomesticandforeigndevelopmentpresentsituation,thecharacteristicaswellastheprincipleofworkbasically,tocarriedonamorecarefulelaborationbythemicrocomputer-PLCconstitutionvendingmachinesystemoveralldesignprocess.

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

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

KEYWORDS:

thevendingmachine，Programmablecontroller，Ladderdiagram

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作与取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示意。

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毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。

学校可以公布论文（设计）的全部或部分容。

的论文（设计）在解密后适用本规定。

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注意事项

1.设计（论文）的容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

目　录

前　言

从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。

大量生产、大量消费以与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；再加上场地的局限性以与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便应运而生了。

从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。

从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。

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，通过线路将自动售货机的库存信息与时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以与商品选定的顺利进行。

并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型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与高功能化的方向发展。

因经济复缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。

自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。

特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。

1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。

第1章自动售货机的介绍

1.1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。

常见的自动售货机如图1-1所示。

图1-1自动售货机

自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，当时在美国的地铁系统中，人们可以用1美分在自动售货机上买到一块口香糖。

上个世纪60年代以来，随着电子计算机的应用和发展，以信息革命为中心的第四次产业革命引发了零售业巨大的变革，表现之一就是发达国家商品流通领域自动售货机的出现与迅速发展。

随着人们生活方式向快节奏、高效率变化，时间的价值显著提高，消费者在购物时更加注重便利性、即时性。

随着自动售货机数量的增加、商品包装的定量化和标准化、出售商品的多样化，自动售货的便利性日益显现。

同时，被称为“永不下班的超级营业”的自动售货机在满足人们的即时性需求方面是其它零售方式不可替代的。

据美国2002年4月5日出版的《幸福》杂志介绍美国2001年自动售货业利润增长率为21.4％，在发展最快的行业中居第四位；在1996-2001年年度中，自动售货业以78.4％的年平均利润增长率雄居发展速度最快的行业榜首。

如此多的优点使得自动售货机在世界围得到广泛的应用。

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，通过线路将自动售货机的库存信息与时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以与商品选定的顺利进行。

并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型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世纪后，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以与高功能化的方向发展。

1.2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与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1.2所示。

图1-2自动售货机工作流程图

1.3自动售货机前景分析

自动售货机是现代社会中的一种商务工具，2004年以后，中国的自动售货机产业实现了快速增长，奥运会和世博会为自动售货机市场带来了巨大商机，2008年后进入了发展期，自动售货即将在中国零售业掀起继百货商店、超市之后的第三次零售业革命。

现在，中国自动售货机市场已经进入了发展期。

另外，各个大型城市的改造使得很多小店小铺消失，同时随着金融支付手段的增多，IC卡、手机移动支付等技术使自动售货机提供便利服务成为可能，这些自动售卖平台的创新模式无疑为国的自动售货业迅速成长创造了条件。

《2009年中国自动售货机产品专项调研与未来五年投资分析预测报告》是结合自动售货机产品历年供需关系变化规律，对自动售货机产品的企业群体进行了深入的调查与研究，采用定量与定性的科学研究方法撰写而成的。

对我国自动售货机产品的市场环境、生产经营、产品市场、品牌竞争、产品进出口、行业投资环境以与可持续发展等问题进行了详实系统地分析和预测，并在此基础上，对行业发展趋势做出了定性与定量相结合的分析预测，为企业制定发展战略、进行投资决策和企业经营管理提供了权威、充分、可靠的决策依据。

报告数据主要采用国家统计数据、海关总署问卷调查数据、商务部采集数据等数据库，其中宏观经济数据主要来自国家统计局，部分行业统计数据主要来自国家统计局与市场调研数据，企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库与证券交易所等，进出口数据主要来自海关与商务部，价格数据主要来自于各类市场监测数据库。

第2章总体设计方案

2.1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2-1所示。

图2-1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与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0.5元、1元、5元的货币。

（2）在规定的30秒时间可多次投入货币，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。

2.2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。

这是整个仿真系统部各大部件之间的在关系。

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2-2所示。

图2-2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。

补料与出货系统：

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、投入的钱数以与剩余的钱数。

2.3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Y3—Y7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。

第3章自动售货机硬件结构设计

3.1硬件选择

3.1.1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。

3.1.2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；在投入状态与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。

3.1.3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。

3.1.4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。

3.1.5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）大不一样，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。

第4章自动售货机控制系统设计

4.1基于PLC的自动售货机控制系统

4.1.1自动售货机硬件系统的组成部分与工作流程

（1）组成部分

图4-1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、广告管理以与一些会员服务。

（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，方便运营人员与时修复；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。

4.1.2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。

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与价格，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、无货检测与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