自动售货机课程设计

目录

前言 (1)

1.系统总体设计方案 (2)

1.1 总体设计思路方案 (2)

1.2 PLC总体设计方案 (3)

2.单元模块设计 (4)

2.1 硬件设计 (4)

2.1.1 硬件电路组成框图 (4)

2.1.2 主要硬件选择 (4)

2.1.3 电磁阀的选择 (6)

2.1.4 PLC的选择 (6)

2.2 软件设计 (8)

2.2.1 系统涉及PLC指令简介 (8)

2.2.2 PLCI/O分配表 (9)

3．系统功能 (10)

3.1系统部分程序图 (10)

4. 设计总结 (14)

5. 参考文献 (15)

6. 附录 (16)

附录1：系统设计原理总梯形图 (16)

摘要：日本最早开发了饮料自动售货机，该自动售货机被称为“喷水型果汁自动售货机”，自此出现了爆发性的自动售货机狂潮。此种喷水型果汁自动售货机为消费者带来了新奇、前卫的购买方式，并对之后日本的自动售货机高度普及起到了很大的作用。之后登场的是可乐自动售货机。随着美国大型可乐公司正式进驻日本市场，到了1960年代中期，罐装饮料自动售货机也登场了。自动售货机的活跃表现对可乐销量的惊人增长贡献巨大。同时，优秀的自动售货机市场战略、操作技巧等都对日本的自动售货机产业的发展产生了很大的影响。

关键词：自动售货机，购买方式，市场战略

Abstract:Japan first developed the vending machines, the vending machine is called "water-juice vending machine", since then there have been outbreaks of vending machine extravaganza. Such water-spray fruit juice vending machines offer consumers new, cutting-edge ways to buy, and after the Japan vending machine the height of popularity played a significant role. Debut after Coke vending machines. As the United States big Cola company entered Japan market, by the mid 1960, canned beverage vending machines also appeared. Vending machine's active contribution to the phenomenal growth in Cola sales is huge. At the same time, excellent vending machine market strategies, skills and so on Japan's vending machines have had a great influence on the development of the industry.

Key words: Vending machines, Buy the way, market strategy

前言

自动售货机很早就出现了，自动售货机的历史，可一直追溯到远古时代的埃及。亚历山大的科学家HERON在其所著的《气体装置（PNEUMATIKA）》中描述，只要将钱币投入该装置，水就会自动流出来。这就是自动售货机的起源，大约在公元前215年左右，埃及寺院中就安装了这种装置，用来销售“神圣之水（圣水）”

目前，自动售货机作为一种不同于传统的零售方式进入四十五个国家市场。在这四十五个国家中，美国和日本发展最快。在国外主要是以饮料厂家引导，带动自动售货机的发展。作为世界上最大的自动售货市场，日本通过自动售货机出售的商品多达6000余种。在欧洲每台自动售货机日销售额达到50到100美元不等，以巴黎地铁车站为例，在各个站点总计摆放了1500台，每月销售额达600万法郎。美国自动售货机的零售营业额高达293亿美元，日本每个消费者每年在自动售货机上的消费金额达5.5万日元。全世界每年通过自动售货机销售商品的总额已达2000亿美元。

伴随收入水平的提高，人们追求灵活、方便、快捷以及自助式服务是自动售货机得以如此迅猛发展的主要原因。在发达国家自动售货机已经成为零售业一个不可分割的部分，特别是对青年一代，这种伴随其成长的前卫零售方式更可谓是一种新的消费时尚。现代都市生活的节奏日趋加快，追求方便、快捷的服务成为人们的一种时尚，以麦当劳、肯德基为代表的的西式快餐在我国的迅速发展就是很好的例子。随着对外开放的不断扩大，传统的零售业发展成百货商店、连锁超市、电视直销、厂家直销等多种方式并存的局面，极大地方便了人们的生活。

1.系统总体设计方案1.1 总体设计思路方案

图1 系统总体设计流程图

1.2 PLC总体设计方案

0.5

1元输入

5

可乐按钮

奶茶按钮

退币按钮

硬币识别

纸币识别

图2 PLC总体设计方案图

2.单元模块设计

2.1 硬件设计

2.1.1 硬件电路组成框图

图3 PLC总体设计图

当售货机有钱币投入时，会经过硬币识别器和纸币识别器，在真币的情况下将信号送到PLC的输入端，此时，可以按下各选择按钮，选择按钮的信号送到PLC后相应的输出端子得电，使输出继电器得电输出饮料。同时七段数码管也会显示出实时的金额提醒顾客。当购买完毕按下退币按钮退币。若有顾客忘记退币，售货机会自动报警提醒顾客退币。

2.1.2 主要硬件选择

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和方向（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，实际上这个指标是和材质一起测。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（可答0.5mm）。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

适用硬币：直径φ18mm-φ32mm；厚度1.2mm-3.2mm。

工作电压：DC+12V 。功耗：静能0.5mW ；动能0.5W。

工作温度：-20℃～+50℃。

把正常的钞票在各传感器接收到的信号进行统计取样、识别，并寄存起来，作为检测的依据。当识别纸币时，把在各通道接口接收到的信号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，若有明显差异时就立即送出报警信号并截停电机，同时送出对应的信号提示。此型号为：

★电压：DC +12V +-5%；

★电流：待机0.12A ，工作2A；

★工作温度： 0°C ～55°C；

★保存温度： -20°C ～ 60°C；

★湿度：30% ～ 85% RH；

★插入方向：任意方向；

★识别时间：2.5秒。

图4 纸币识别器

2.1.3 电磁阀的选择

国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分步直动式、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构) 。本设计主要采用的是直动势电磁阀。

直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。

2.1.4 PLC的选择

目前，自动售货机的核心是单片机，可是一但输出电压不稳定，单片机就容易发热造成爆裂，可靠性低等缺点，而PLC不但可以实现类似的控制功能，还具有性能可靠、电压使用范围广、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，并且提高了自动售货机系统的稳定性，能够保证自动售货机能够长期稳定运行；因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。所以，本文选择PLC来控制自动售货机。此次，我选择的是三菱FX-2N的PLC。

(1) PLC的结构

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做

工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。

CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下：

①诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

②采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

③按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指规定的任务完成各种运算和操作。

④将存于寄存器中的处理结果送至输出端。

⑤应各种外部设备的工作请求。

(2) 存储器

PLC的存储器分为两大部分：

一部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。

二部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。

(3) 输入输出接口电路

PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

(4) 电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC 的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。

(5) PLC的原理

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。

①输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。

②程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

③输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。2.2 软件设计

2.2.1 系统涉及PLC指令简介

(1)比较指令CMP

比较指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将[S1]、[S2]中的数据进行比较，比较结果送到目的操作数[D]中，如下图所示，当X0为OFF时，不执行CMP 指令，M0，M1，M2保持不变；当X0为ON时，执行CMP指令，[S1]、[S2]中的数据进行比较，即C20计数器值与K100（数值K100）比较。如果C20当前值小于100，则M0=1；如果C20当前值大于100，则M2=1；如果C20当前值等于100，则M1=1。

(2) 计数指令

计数器使用两条指令完成计数任务，其指令编程格式如图5示。

图5 指令C的使用说明

(3) 运算指令

1)加法运算

图6 加法运算使用说明

加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图6示。

当X0为1时，（D10）+（D12）=（D14），运算是代数运算。

2)减法运算

图7 减法运算使用说明

减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图7示。当X0为1时，（D10）+（D12）=（D14），运算为代数运算。

(4) BCD指令

BCD码变换指令是将源操作数中的二进制数变换成BCD码送至目标操作数中，如上图所示。当X0为ON时，将D12中的二进制数变换成BCD码送到输出口Y7～Y0中。之后的BCD码可送到LED七段显示器显示D12中的值。

2.2.2 PLCI/O分配表

表1 PLC的I/O分配表

3．系统功能

设计一种只接受三种面值的货币。并自动售出奶茶，可乐，雪碧，价格分别为4.5元，3.5元，3元；当金额大于某商品时LED指示灯亮，按退币按钮可退币的自动售货机。

3.1系统部分程序图

（1）投币部分

图8 系统投币部分图

X0、X1、X2为投币识别，每识别一次，即X0、X1或X2接通一次，往寄存器D10中累加按键代表的相应金额，但是在报警和退币的时候不可投币，此时M206和M208会分别断开，此时投币无效，只有在退币过程结束4s后，再投币方才有效，若在4s内投币则直接退币。M204在系统上电按下启动键X6后接通后，M205接通时方可开始下一次操作。

（2）价格比较部分

图9 系统价格比较部分图

寄存在D10中的货币金额和商品的单价相比较，如第一句中如果（D10）>45，则M6=1；（D10）=45，则M7=1；（D10）<45，则M8=1。

最后一句用于判断用户投币金额是否大于99，只有当（D10）<100时，即M9=1时方可调用下列程序，否则系统自动调用退币程序。

图10 系统投币选择部分图

当投币金额不大于99时，并且大于相应商品的单价时，对应的指示灯会点亮，当某种商品被选择后，对应的指示灯会以1s为周期闪烁。在退币时LED灯不在点亮，即M300的常闭触点断开。

（3）选择商品和送出部分

选择商品部分由三段程序构成，分别用来处理汽水，花茶和咖啡的选择，下面以选择汽水为例进行详细说明。

图11 系统选择商品部分图

图12 系统商品送出部分图

汽水的单价为3元，当汽水指示灯点亮，即Y10接通时，每按键一次汽水选择按钮X10 ，系统将把用户的可消费余额减去3元，如按键前数码管显示5.0元，按键后则显示2元，并由M40控制汽水输出。这里须注意的是按键X10时，不可同时按X11，X12，

否则，按键无效。同样在商品送出时按选择商品键也是无效的，这里由M30的常闭来实现。

商品的送出由代表该商品的指示灯闪烁4次来表示。当选择该商品后在实现上述处理的同时，将M30置“1”，它的常闭触点可以屏蔽用户再次选择该商品，它的一对常开触点用于产生四个周期为4s的方波，每个方波的占空比为50%。其波形如图13所示。

图13 系统商品送出波形部分图

当C0在四次计数完毕后，释放M30，并将C0复位清零。

（4）退币找零部分

图14 系统退币找零部分图

退币键为X7，当接通X7后，退币指示灯Y14亮，以表示系统退币正在进行中。亮的时间由T14设置，这里设置T14=40，就是亮4s。M207的常开在用户投币金额大于99元系统自动调用退币时接通。

退币时，系统根据用户所剩余额进行比较，当余额大于或者等于5元时，先退币面值为5元的货币，然后再根据大于或者等于1元的余额退1元的货币，最后再退回0.5元的用户余额退回给用户，其波形如图15所示。

图15 系统退币部分图

在按退币键X7后，为保证系统的可靠性，用户在4s内后才可在投币，即T26的常闭触点接通M208，而前面已经说明M208的常闭触点可以实现阻止用户投币的作用。

4. 设计总结

本设计系统已经在行业内得到了实际的应用，为运营商提供了一种集约化和自动化的经营管理模式，既降低了成本，也提高了经济效益。随着通讯技术、电子技术、计算机技术、网络技术的进一步发展，多媒体自动售货机以及手机自动售货机也逐步地得到推广和应用，不久的将来，自动售货机必定为人们的生活带来更大的便利。通过此次设计是我对PLC理论有了更好的理解，也学会了如何让自己独立的思考与学习，

。

5. 参考文献

[1] 程周·可编程序控制器原理与应用·北京：高等教育出版社，2003

[2] 周美兰，周封，忘岳宇·PLC电气控制与组态设计·北京：科学出版社，2003

[3] 吴建强，姜三勇·可编程控制器原理及应用·哈尔滨工业大学出版社，2000

[4] 吴中俊，黄永红·可编程序控制器原理及应用·北京：机械工业出版社，2003

[5] 张万忠，刘明芹·电器与PLC控制技术·北京：化学工业出版社,2003

[6] 王兆义·可编程序控制器教程·北京：机械工业出版社，2001

[7]王卫兵. 可编程序控制器原理及应用. 北京：机械工业出版社，1998

6. 附录附录1：系统设计原理总梯形图