湖南人文科技學院課程設計報告課程名稱電氣控制與PLC課程設計設計題目自動售貨機的控制設計系別通信與控制工程系專業自動化班級09自2學生姓名黃翾郭志輝羅建云胡逵學號09421208074212280742122909421214起止日期2012年11月5日2012年11月19日指導教師趙志剛劉偉元教研室主任岳舟指導教師評語指導教師簽名年月日成績項目權重黃翾郭志輝羅建云胡逵1、設計過程中出勤、學習態度等方面022、課程設計質量與答辯053、設計報告書寫及圖紙規范程度03成績評定總成績教研室審核意見教研室主任簽字年月日教學系審核意見主任簽字年月日摘要可編程控制器（PLC是綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術而發展起來的一種新型的工業控制裝置，它具有可靠性高、編程簡單、維護方便等優點。本文就詳細的介紹了自動售貨機的結構組成，簡述利用可編程控制器（PLC控制的自動售貨機控制系統的控制原理、元器件選型，最后給出了該控制系統的硬件設計和軟件設計，并編寫了程序總框圖和一個具體的梯形圖，實現了自動售貨機的大體功能，經實踐驗證該控制系統是可行的。關鍵詞可編程控制器；自動售貨機；三菱FX2N；梯形圖目錄設計要求41方案論證與對比411方案一412方案二513方案對比與選擇62系統方案設計621元器件選型622系統電氣圖723系統方案83自動售貨機控制系統硬件設計931控制要求分析932I/O點統計933PLC選擇934I/O分配表1035硬件接線圖10351CD4511七段數碼管譯碼器10352自動售貨機控制系統外部接線圖114軟件設計分析1241系統流程圖1242系統軟件設計梯形圖135系統調試分析1451系統調試及問題解決1452結果分析146結束語16參考文獻17附錄一梯形圖18附錄二指令表20自動售貨機的控制設計設計要求1、控制要求利用可編程控制器作為控制核心，完成一個自動售貨機控制系統。具體要求如下（1）自動售貨機有3個投幣孔，分別為1元、5元和10元。（2）售貨共有3種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。（3）如投幣總額超過銷售價格，將可由退幣按鈕找回余額。（4）投幣總額或當前值顯示在7段數碼管上。（5）投幣值等于或大于12元時，汽水指示燈亮，表示只可選擇汽水。（6）投幣值等于或大于15元時，汽水和花茶指示燈亮，表示只可選擇汽水和花茶。（7）投幣值等于或大于20元時，汽水、花茶和咖啡指示燈亮，表示3種飲料均可選擇。（8）按下要飲用的飲料按鈕，則相對應的指示燈開始閃爍，3S后自動停止，表示飲料已經掉出。（9動作停止后按退幣鈕，可以退回余額，退回金額如果大于10元，則先退10元再退1元，如果小于10元則直接退1元。2、設計任務1設計出硬件系統的結構圖、接線圖；2系統有啟動、停止功能；3運用功能指令進行PLC控制程序設計，并有主程序和子程序；4進行系統調試，實現自動售貨機的控制要求。1方案論證與對比11方案一方案一采用8751單片機為核心的自動售貨機裝置的控制系統。該系統以單片機8751芯片為核心，采用集中控制方式實現了對自動售貨機全過程的自動控制。本系統選擇44矩陣式鍵盤按鍵作為貨物選擇端，采用了2個可編程并行接口8255A實現并行接口的擴展，解決了單片機8751芯片輸入/輸出口引腳緊張的問題，實現了貨物的掉出以及貨幣數的顯示功能。采用8751單片機為核心的自動售貨機系統可以分為三部分組成，即自動售貨機的控制子系統、通訊子系統、硬幣器子系統以及紙幣器子系統。其中控制子系統是本設計研究重點。以單片機8751芯片為核心自動售貨機的硬件原理構成如下圖1所示識幣器無貨檢測并行輸入接口擴展自動復位線路8751并行輸出接口擴展串行輸出接口擴展繼電器電磁鐵金額顯示購貨狀態顯示按鈕圖1自動售貨機硬件結構圖12方案二方案二采用三菱FX2NMR48可編程控制器（PLC）的自動售貨機裝置的控制系統。其中輸入部分由八個按鍵構成，分別實現不同的控制功能。輸出部分由五個電磁閥、三個指示燈、一個七段譯碼顯示構成。在本控制系統原理是首先由顧客按下商品選擇開關，然后顧客投入錢幣，經錢幣識別傳感器后將信號送給PLC，由用戶編寫的PLC程序運行可以識別出硬幣的市值，并顯示投入錢幣的數值，并同時與商品的價格比較。當投入的錢幣滿足某商品的購買價格后，則可以購買該商品的指示燈亮，PLC通過計算還可以顯示出消費數值和余額數值，商品驅動機構收到控制信號后即出貨電磁閥動作，送出商品，若有余額，則退幣電動機動作，可以退出余額數值的相應市值，同時完成內部清零過程。這樣就完成一次商品提貨過程，其控制系統的硬件示意圖如圖2所示圖2自動售貨機硬件組成示意圖13方案對比與選擇方案一考慮到自動售貨機的輸入電壓不穩定，作為CPU的MCX51型單片機系統PLC商品選擇開關錢幣識別傳感器各種顯示燈退幣電動機出貨電磁閥的抗干擾性比較差，電壓使用范圍窄，超壓發熱容易造成爆裂，而且在輸入輸出接口上工作量大。方案二PLC不但可實現類似控制功能，還具有可靠性高、適應面廣、抗干擾能力強、編程方便、電壓使用范圍寬等特點。方案選擇根據自動售貨機的使用要求，以及可靠性和穩定性要求這里選擇方案二。本系統設計采用三菱PLCFX2N作為自動售貨機的控制裝置。2系統方案設計21元器件選型本系統中主要用到的電器元件有光電開關、電磁閥、執行機構、指示燈以及按鈕。光電開關是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電開關一般情況下由三部分構成，分別是發送器接收器和檢測電路，目前使用最多的是紅外線光電開關。在設計中使用的光電開關是為了檢測投入的硬幣的數目，可選用普通的紅外線光電開關，這里選用深圳市浦億光電有限公司的光電開關ITR8104。圖3光電開關ITR8104電磁閥是利用電磁線圈通電后產生的磁場來實現動作的，因此電磁閥只有開、關兩個位置，即常閉（不通電時關閉狀態）、常開（不通電時打開狀態）。由于開啟時間少于關閉時間，所以選用常閉型電磁閥。選用交流型電磁閥，電壓規格用盡量優先選用AC220V。深圳眾恒電器中國有限公司的電磁閥AC220V。圖4電磁閥AV220V目前投入試用的“硬幣識別機”設置有感應線圈，通過對硬幣的材料、大小尺寸等各個要素進行感應并探明真偽。據技術人員介紹，不同的材質具有不同的磁場變化，以通過電子技術進行分析、探查和識別，更高級的檢測還可以運用頻譜分析。這里我們選用佛山市南海區黃岐程仕達電子廠的設定式投幣器。圖5硬幣識別器22系統電氣圖圖5是本控制系統的主電路電氣圖。5臺電機M1M5依次通過各自的熱繼電器、接觸器與熔斷器連接到了三相電網上。QSM1M2M3M4FR1FR2FR3FR4KM1KM2KM3KM4FU1FU1FU3FU4L1L2L3汽水傳送電機花茶傳送電機咖啡傳送電機M5FR5FU5KM5找1元傳送電機找10元傳送電機圖6主電路圖23系統方案本系統采用PLC作為控制器，通過用光電貨幣檢測對所投幣的數量與內型計算可得貨幣的總數，顯示在LED數碼管上。根據各燈的顯示看能夠購買那種商品，顧客可以按下相應的開關來選擇飲料，從而來驅動相應的繼電器來控制相應的商品執行機構來送出相應的飲料。當按下找幣開關時，根據相應的余下的貨幣找錢。其整體控制系統的硬件示意圖如圖7所示商品選擇開關硬幣感應器PLC各種指示燈退幣電動機出貨電磁閥光電傳感器圖7自動售貨機控制系統硬件組成示意圖3自動售貨機控制系統硬件設計31控制要求分析自動售貨機的基本功能就是對投入的錢幣數進行計算，然后根據運算結果做出相應的判斷，看看哪種商品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設計的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進行模擬，自動售貨機共出售3種貨物，其價格分別定為12元、15元、20元，當投幣數大于等于貨物價格時，該種貨物的指示燈亮，表示可以進行購買，3種貨物分別用3個信號燈進行指示。除此之外，本次設計還涉及了顯示、找零等功能的實現，其中顯示部分采用數碼管進行顯示，PLC的外圍接口由兩個CD4511連接兩個數碼顯示管，以顯示投幣總數和購買后的余額；當按下找零按鈕后，數碼管顯示進行清零。整個系統由三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關、三個指示燈、和兩個七段數碼管和兩片CD4511組成。自動售貨機的基本功能就是對投入的錢幣數進行計算，然后根據運算結果做出相應的判斷，看看哪種商品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設計的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進行模擬。除此之外，本次設計還涉及了找零功能的實現。整個系統由三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關、三個指示燈組成。32I/O點統計根據以上系統設計和功能實現要求，以下是本系統設計的I/O點統計表表1I/O點統計輸入輸出輸入點數量輸出點數量投幣孔3夠買商品指示3商品選擇3輸出商品3退幣1退幣2啟動1數碼管顯示7停止1合計9合計1533PLC選擇根據I/O點統計表可知輸入輸出I/O點總數分別為9/15。三菱公司生產的小型PLC的代表為FX2N系列的PLC、它具有豐富的內部資源程序存儲器具有16K步的最大存儲容量，128種應用指令，還具有184點8進制編號的輸入點數，184點8進制編號的輸出點數，普通型、掉電保持性和賦予特殊用途型三種內部繼電器，以及狀態寄存器、定時器、計數器、數據寄存器、常數與指針等功能與資源。可靠性高、造價低，對于自動售貨機的控制中心就特別的合適3。因此，本次設計采用的PLC為三菱公司生產的FX2N系列PLC軟組件，控制系統選用FX2N32MR001，I/O點數各為16點，可以滿足要求，且有一定裕量。34I/O分配表此次設計的PLC控制的自動售貨機控制系統的I/O分配表如下表32自動售貨機I/O分配表輸入輸出輸入點功能輸出點功能X01元投幣孔Y0夠買汽水指示X15元投幣孔Y1夠買花茶指示X210元投幣孔Y2夠買咖啡指示X3汽水選擇Y10輸出汽水X4花茶選擇Y11輸出花茶X5咖啡選擇Y12輸出咖啡X6退幣Y13退10元X7啟動Y14退1元X8停止Y3Y9與CD4511連接35硬件接線圖351CD4511七段數碼管譯碼器CD4511是一組用來作為BCD對共陰極LED七段顯示器譯碼的包裝。其引腳圖，其各引腳功能如下LT做燈泡測試用，當LT0，則不論其它輸入狀態為何，其輸出ABCDEFG1111111，使七段顯示器全亮，即顯示8，以便觀測七段顯示器是否正常。當LT1，則正常解碼。BI空白輸入控制，當BI0LT為1時則不論DCBA之輸入為何，其輸出ABCDEFG皆為0，即七段顯示器完全不亮，此腳可供使用者控制僅對有效數據譯碼，避免在無意義的數據輸入時顯示出來造成字型的系亂。LE數據栓鎖致能控制；在CD4511中，不但具譯碼功能，更具有數據栓鎖的記憶功能。當LE0時LT1且BI1，DCBA數據會被送入IC的緩存器中保存，以供譯碼器碼；當LE1時，則IC中的暫存器會關閉，僅保存原來在LE0時的DCBA數據供譯碼器譯碼。換句話說當LE1時，不論DCBA的輸入數據為何，皆不影響其輸出，其輸出ABCDEFG仍保留原來在LE由0轉為1以前的資料10。圖8CD4511引腳圖352自動售貨機控制系統外部接線圖本系統是一個小型集中控制系統，PLC選型主要取決于控制系統輸入、輸出開關信號的數量、用戶程序的長短及相關的功能。根據控制要求，I/O點數在48個左右，選擇性能價格比較高的三菱FX2N32MR001，其中其輸入點為24點，輸出點為24點，該PLC為繼電器輸出型。了解各個控制對象的驅動要求，分析對象的控制要求，完成PLC硬件結構配置。本設計中，退幣按鈕、各種飲料按鈕和飲料出口（驅動電磁閥）等均為開關量。根據上述要求，因條件所限輸出均用指示燈代替，由此繪制出PLC控制電路接線圖，如圖9所示X0X1X2X3X4X5X6X7X10COM1Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12Y13Y14S0S1S2SB3SB4SB5SB6SB7SB8KM1KM2KM3KM4KM5OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7220V24VCOM2COM3HL1HL2HL3AL1AL2/LT/BILEAL3AL4GNDVCCABCDEFGCD4511OUT1OUT2COMOUT3OUT4S15V12345677段數碼管ABCDEFGDS1AL1AL2/LT/BILEAL3AL4GNDVCCABCDEFGCD4511OUT5OUT5COMOUT6OUT7S25V12345677段數碼管ABCDEFGDS2三菱FX2NPLCS12圖9自動售貨機外部接線圖4軟件設計分析41系統流程圖開始階段即投入硬幣，系統會進行價格比較。如果硬幣不足，系統提示退幣。如果硬幣價格足夠，系統根據價格不同和對比會讓您選擇不同種類的飲料。如果買完還有剩余硬幣，系統同樣會提示退幣。具體系統流程見自動售貨機控制系統的系統程序流程圖如圖10開始汽水選擇比較幣價計算余額是否退幣輸出退幣返回錢幣不足選擇飲料選擇飲料花茶選擇咖啡選擇計算余額計算余額NY1520圖10系統總體結構流程圖42系統軟件設計梯形圖該程序設計的主要分為幾個過程，現在我們具體分析一下程序過程1初始狀態。此時不能購買任何商品。2投幣狀態。顧客投幣，顯示投入總值，即余額數值，當所投幣值超過商品價格時，相應價格選擇按鈕發生變化，提示可以購買。3購買狀態。按下可以購買的選擇按鈕，所選的商品出現在出貨框中，同時顯示屏上的金額數字根據消費情況相應變化。4退幣按鈕。按下退幣按鈕，顯示退幣框，同時顯示出應退幣值及數量。按下確認鈕，則恢復初始狀態。到此為止，自動售貨機的一個完整工作過程結束，梯形圖總體設計見附錄一。5系統調試分析51系統調試及問題解決（1）斷電時檢查電源是否接好，地線是否接好，各輸入/輸出點是否接好接牢；（2）用萬用表檢查實驗板線路有沒短路、開路現象。（3）接通5V直流電源，按動相應的功能按鈕，確認各個數碼管能否按照要求顯示；4按要求輸入梯形圖，檢查后編譯通過，在線工作后把程序寫入可編程序控制器的程序存儲區。5將編輯好的程序傳入PLC運行，使用編輯器聯機調試操作，檢查各點工作狀態，并配合觀察PLC各點輸入/輸出指示LED或輸入/輸出設備工作是否符合程序功能要求。6將設計好的實驗電路板與PLC連接起來，利用上位機軟件動畫效果來模擬硬件的連接。采用分模塊的調試方法，來調試系統程序。調試步驟和結果如下當投入總金額12元時，飲料指示燈亮，等投入總金額12時，汽水指示燈亮。八段數碼管顯示投入的總金額值。飲料指示燈亮時，按飲料按鈕，飲料驅動器動作，飲料從售貨口自動售出，飲料指示燈閃爍，3S后飲料驅動器釋放，完成一次售貨。若有剩余金額，找錢燈亮。在購買商品后還剩余額，或在投入硬幣后又不想購買商品，按復位按鈕，售貨機自動退出應找回的硬幣。售貨機能自動計算已售出商品的總金額、啤酒和飲料的現存數量。當啤酒或飲料現存數量為零時，對應的指示燈閃爍。52結果分析從硬件與軟件調試可以看出，自動售貨機大體運作正常。當有顧客購買飲料時，投入硬幣時經過光傳感器感應，然后由光傳感器驅動硬幣識別器識別硬幣,如果是假幣則系統自動退出硬幣,如果是真幣則系統將硬幣自動傳送到相應的硬幣貯存腔,并經光傳感器感應，然后在PLC內進行數據運算，否則認為是假幣并退出系統，投幣完成后，系統會將內錢幣數據和可以購買的飲料價格進行區間比較若投幣12元，則汽水選擇指示燈Y0長亮，此時可以選擇汽水或退幣；若15元投幣20元，則汽水、花茶和咖啡指示燈Y0、Y1和Y2長亮,此時可以選擇汽水、花茶和咖啡或退幣。上訴三種情況退幣按鈕Y13、Y14均會長亮。比較完成后，按下指示燈長亮的選擇按鈕，相應的電磁閥（Y10、Y11、Y12、Y13、Y14）起動，從而完成相應的操作。通過這次課程設計，我發現學習過程不容半點馬虎和隨意。就好比這次設計，雖說不難，但設計過程還是碰到了不少問題。特總結以下幾點（1）程序設計過程中，要按主電路、控制電路、輔助電路、聯鎖與保護、總體檢查反復修改完善的先后順序進行。（2）應注重與同學間的協作，每個人的思維不同，對程序的理解、功能的實現也會有不同看法，因而對程序的編制會產生意想不到的效果。這種同學之間的相互協作，可以使程序日益完善、精簡，實現模塊化編程。6結束語PLC課程設計考察同學們動手,思考,操作能力以及對PLC理論知識的理解能力,應用能力,通過這段時間的學習與實踐,讓我重新去學習PLC各方面的知識,PLC的一些知識簡單易懂,掌握較快,同時加大對我們操作能力,了解各方面的一些知識,讓自己的能力有些提高。對于這次對自動售貨機的設計制作，也讓我了解了關于自動售貨機的原理與設計理念，要設計一個電路先進行軟件模擬仿真再進行實際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法。所以，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。通過這次學習，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應該自己動手實際操作才會有深刻理解。PLC設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程回顧起此次課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在短短的兩個個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這雖然是我們第二次做課程設計，但還是會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次PLC課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在劉老師的耐心指導下，終于迎刃而解。參考文獻1廖常初PLC基礎及應用M北京機械工業出版社，20042王兆義可編程序控制器教程M北京機械工業出版社20053程周可編程序控制器原理與應用M北京高等教育出版社，20034王永華現代電氣控制及PLC應用技術M北京北京航空航天大學出版社，20005周美蘭，周封，忘岳宇PLC電氣控制與組態設計M北京科學出版社，20036吳建強，姜三勇可編程控制器原理及應用哈爾濱工業大學出版社，20007吳中俊，黃永紅可編程序控制器原理及應用M北京機械工業出版社，20038張萬忠，劉明芹電器與PLC控制技術M北京化學工業出版社，20039王永華現代電氣控制及PLC應用技術M北京北京航空航天大學出版社，200010賀哲榮，石帥軍流行PLC實用程序及設計（三菱FX2系列）M北京機