I第1章：緒論 11.1自動售貨機的研究背景及意義 11.2研究自動售貨機的目的 11.3本設計研究的內容 1第2章：自動售貨機的功能分析 22.1自動售貨機主控單元的確定 22.2自動售貨機的售貨方法 22.3自動售貨機的空間結構 22.4自動售貨機的功能 3第3章：自動售貨機的硬件部分 43.1控制電路硬件組成框圖 43.2確定自動售貨機使用的PLC類型 53.3貨幣識別器選型 73.3.1硬幣的識別原理 83.3.2紙幣的識別原理 83.4自動售貨機電機及其它選擇 8第4章：自動售貨機的軟件設計 94.1自動售貨機的控制系統 94.2自動售貨機的程序部分 104.2.1程序中用到的部分指令 104.2.2自動售貨機的控制程序 114.3程序的調試部分 204.4基于MCGS組態的自動售貨機仿真 214.4.1建立組態畫面 214.4.2設置各元件的參數 22總結 26參考文獻 27附錄系統硬件連接圖 29第1章：緒論1.1自動售貨機的研究背景及意義世界上第一個自動化的售賣機就是希臘人希羅于1世紀創造的一種可以直接銷售公園里圣水的設備。現代化的自動售賣機按照物品種類可分為:生鮮、飲料食品、口紅等自動售貨機。通常這些自動化的售貨機主要包括錢幣、指示、倉儲售貨等設備。錢幣是自動售貨機上的核心設備，主要的功能就是計算出錢幣金額的多少并確認真假，指示設備用于引導客戶購買商品，倉儲設備用于保存商品。日本已經發展成為目前世界上自動售賣機產業技術體系發展比較完善的幾個國家之一。在整個日本，共有約750萬臺自動售貨機，銷量約每年為633.56億美元，居整個日本乃至整個世界第一。盡管低于美國的大型自動售貨機總量，但就其人口市場占有量的巨大比重程度來看，這仍然是目前世界上最高的。自動售貨機的真正普及使用是在第二次世界大戰之后。1962年，由于來自美國的飲料企業進駐日本市場，產生了一個以日本自動售貨機服務為主要經營模式主體的日本飲料食品流通零售服務產業領域的一場歷史性商業革命。1967年，日本將100日元作為貨幣單位制成了流通硬幣，從而也直接促進了當時日本的電子自動售貨機販賣行業的迅速繁榮和蓬勃發展。近幾年，在我國的各個城市中，已經可以在車站、酒店、校園等各個地方看到自動售貨機。自動售貨機已然給人們的日常生活和工作帶來了巨大的便利，而且隨著我國未來的小商品經濟發展趨勢，自動售貨機的發展前景會越來越好。1.2研究自動售貨機的目的隨著經濟社會的進步，人民群眾的日常生活消費觀念、消費方式以及營銷環境的改變，要求企業能夠出現一個新的交易渠道。但是對于超市和購物中心來說，人工成本、場地局限性和便利性都對其有著較大的影響；在此情況下，自動售貨機便應運而生。長期以來，美國、日本以及其他歐洲國家都已經在自動售貨機領域取得了迅猛發展，但對中國而言，面對著14億的人口大國，中國的自動售貨機行業將會有更加廣闊的發展空間。1.3

本設計研究的內容本課題采用三菱FX2N系列PLC對飲料自動售貨機控制系統進行設計。

1.通過與單片機、繼電器等各個方面的數據對比，確定了PLC為自動售貨機的主要信號控制處理單元。2.通過研究分析了對于該型自動售貨機的市場銷量和送貨售賣方式，最終確定了一種主要采用雙齒輪彈簧傳動進行送貨售賣的傳動機構，直流電動機進行驅動。3.根據系統的應用需求類型來設計確定一臺自動售貨機的硬件系統結構設計框圖，通過這個硬件系統結構設計框圖來進行選擇作為該硬件中的組成部分。按照飲料自動售貨機上的功能要求來進行選擇所有物資的識別器，電動機與接觸器。4.根據控制功能圖進行梯形圖設計，并用組態軟件作出仿真。第2章：自動售貨機的功能分析2.1

自動售貨機主控單元的確定單片機雖然可以直接作為各種自動售貨機的一個主控系統且價格相對較低，但如果沒有可靠的供應電源系統，單片機就很容易損壞，雖然價格比較低，但相對而言，可靠性卻并不是很高。而且從產品的設計和生產周期的角度來考慮，一般越短越好。若要這些功能的要求都得以達到，單片機并不是很容易滿足，而PLC則完全能夠。因為如果用PLC則不用再改動原來外部裝置的接線，按照新技術工藝的要求，只需再次重新輸入一個新的程序或者修改一個原來的程序。這樣既經濟便捷，又可以達到事半功倍的效果。目前僅在我國70%左右的電器制造廠和生產設備，都已經采用了自動繼電器進行控制。大多數的器件長期工作、磨損，很容易造成損壞，還可能造成較為嚴重的安全事故以及后果。而且，如果使用很多的繼電器，一定會導致設備中的控制柜變得龐大而笨重。并且自動繼電器的手工控制安裝系統必須直接采取一種手工控制方式進行安裝或者更換連接線，若是臨時有一些技術變更，也就是說需要額外付出大量的人工時間、人力物力費用才能真正做到進行改制、安裝或者進行調試。而PLC由于本身體積小且功能強大，它不僅完全可以很容易地直接實現完成定時自動控制、計數狀態監視、順序控制邏輯、數據處理、數字數據運算等多種功能，而且還完全可以直接實現通過模擬輸入和數字輸出兩種數字接口與各種類型生產控制設備的各種數字模擬量和各種模擬數字值之間直接建立相互關聯，所以可以直接有效的實時自動控制各種生產設備。所以我們就選用PLC作為飲料自動售賣機的一個主控單元。2.2

自動售貨機的售貨方法目前主要有三種自動售貨機常見的銷售方法。一種就是彈簧銷售型的貨物售賣機，主要指的就是通過對貨道中彈簧旋轉運動來進行售賣，這也是最為常見的一種售賣方式。第二種就是機械手推車架式貨類售賣機，主要指的就是依托在貨道上和商品后面的一種機械手推車架式售貨設備來進行銷售。第三種則是一種升降平臺出貨類型的售貨機，這是一種輔助出貨系統，可以同時與傳統的彈簧式出貨或機械手推出貨等方式相互組合在一起。本次設計中采用雙彈簧自動售賣機。這樣的結構能夠一目了然地判斷售貨機內何種商品是否存在有貨無貨，方便于顧客進行選購。其主要的裝置由貨道、螺旋體、螺轉懸吊和掛輪，驅動電機等組成。兩個齒輪螺旋體一左一右，進行嚙合，當一個齒輪螺旋體順時針旋轉則另一個齒輪螺旋體逆時針旋轉。當一種螺旋體每個螺旋軸距之間的一個空隙被毫無間隔地安裝好后,螺旋體再反復左右旋轉一圈,即可從其中間旋轉出一個貨物。2.3

自動售貨機的空間結構自動售貨機中一般儲存了一定規模數量的各種飲料，每一種類的飲料都必須按需要同時通過一個大的貨道進行運送銷售出去，因為在此前的設計中售貨機只能同時銷送8個種類的飲料，所以自動售貨機可以被設置為8個不同客戶的單一貨道，而且只能是單一的一個客戶可以購買，也就是說每種類的飲料之間只能同時占用一個不同客戶的單一貨道，這樣操作相對來說比較方便。例如當我們臨時需要自己選擇或者購買特殊包裝飲料的產品時候，電動機就會帶著一個特殊彈簧轉子旋轉起來一圈，將飲料掉落到取物口中。飲料在自動售貨機中的儲存形式一般是由每個彈簧的螺旋間隙尺寸來自動固定相同類的飲料，并且每種類的飲料都必須一定要與每個彈簧的螺旋軸距和間隙尺寸相互的適應，這樣我們才能夠使每一個飲料就這樣可以完全卡緊而不會輕易自動掉落。圖2-1自動售貨機的空間結構示意圖2.4自動售貨機的功能當購買某種飲料時，按下選擇飲料的按鈕，自動售貨機里相應的一臺電動機會立刻啟動，提取飲料并掉落在取物口，顧客拿出飲料，完成此次交易。它主要包括投幣系統、比較系統、選擇與飲料供給系統、退幣系統等。自動售貨機中銷售了8種不同類型的飲料：可口可樂3元、雪碧3元、純牛奶4.5元、東方樹葉3.5元、芬達3元、加多寶3.5元、健力寶2元、咖啡4.5元。隨著投入錢幣的多少，則相應的飲料指示燈亮，提示你哪幾種飲料可以購買，按下相應的飲料購買按鈕即可。操作流程結束后，如果不再繼續進行購買，則按下退幣的處理按鈕，售貨機則對其進行了一次退幣的處理操作，將剩余的錢幣全部退回，并在交易流程提示中將程序清零，完成此次交易。本次設計中退出的錢幣均為1元和5角的硬幣。自動售貨機的四個售貨過程（按操作屬性分）：1.投幣過程2.價格比較過程3.選擇商品過程4.退幣過程自動售貨機工作的5個狀態（按工作過程分）：1.啟動狀態2.投幣狀態3.可購買顯示狀態4.購買狀態5.退幣狀態圖2-2自動售貨機的使用流程第3章：自動售貨機的硬件部分自動售貨機主要有兩個硬件組成部分，一個是系統主電路部分，另一個是控制電路部分。在控制電路部分中，PLC和貨幣識別器是最為重要的，確認了PLC和貨幣識別器的選型，最后再選擇自動售貨機上的其它硬件。3.1控制電路硬件組成框圖自動售貨機的控制電路部分的硬件主要由PLC，硬幣、紙幣識別器，按鈕，指示燈和接觸器組成。圖3-1自動售貨機控制部分硬件組成框圖3.2確定自動售貨機使用的PLC類型輸入輸出設備輸入設備輸出開始按鈕SB0X0000.5元燈HL1Y0010.5元SB1X0011元燈HL2Y0021元SB2X0025元燈HL3Y0035元SB3X00310元燈HL4Y00410元SB4X00420元燈HL5Y00520元SB5X005可口可樂燈HL6Y006可口可樂按鈕SB6X006雪碧燈HL7Y007雪碧按鈕SB7X007純牛奶燈HL10Y010純牛奶按鈕SB10X010東方樹葉燈HL11Y011東方樹葉按鈕SB11X011芬達燈HL12Y012芬達按鈕SB12X012加多寶燈HL13Y013加多寶按鈕SB13X013健力寶燈HL14Y014健力寶按鈕SB14X014咖啡燈HL15Y015咖啡按鈕SB15X015可口可樂出口YV1Y016退幣按鈕SB16X016雪碧出口YV2Y017——————純牛奶出口YV3Y020——————東方樹葉出口YV4Y021——————芬達出口YV5Y022——————加多寶出口YV6Y023——————健力寶出口YV7Y024——————咖啡出口YV8Y025——————1元退幣口YV13Y026——————0.5元退幣口YV14Y027——————退幣口燈HL16Y030——————貨幣不足燈HL17YO31——————取物口燈HL18Y032表3-1PLC的I/O分配表通過分析和比較，我最終選取了FX2N-64MR型號的三菱PLC來對自動售貨機進行控制。其中PLC的輸入點和輸出點設置如表3-1所示。PLC的輸出端部分與指示燈以及接觸器可以使用同一個電源，選擇使用的實際電源電壓應該需要根據電動機的額定工作電壓要求來進行確定，詳見3.4節。確定了PLC的選型，又完成了對各個輸入輸出點的分配，那么PLC的外部連接圖如下圖3-2所示。系統硬件連接圖見附錄。圖3-2外部接線圖3.3貨幣識別器選型其中包括貨幣標志性的識別裝置，有硬幣的識別裝置和紙幣的識別裝置。硬幣的識別器主要有三個組成部分，一個是投幣段，一個是貨幣的進入段，再一個就是退幣段。紙幣的識別器無退幣段。3.3.1硬幣的識別原理硬幣識別器的主要結構是由平板電容傳感器、電感線圈傳感器、檢測電路和單片機控制電路等部分構成。平板電容傳感器就是通過直接檢查一枚硬幣的材質與厚度來判斷硬幣的真偽；而電感線圈傳感器則主要是通過各種不同的金屬材料通過線圈時的電感變化量不同來檢測的。當硬幣分別經過兩種傳感器時，會引起傳感器中電容和電感的變化量，通過將這種變化量轉化為數字信號再傳入到控制電路中。當硬幣識別器識別硬幣之后，按照不同的面值通過電磁閥分配到1元儲幣腔內和5角儲幣腔內作備用，若識別器收到退幣的信號，則由一個退幣電磁閥進行一次退幣，完成一臺自動售貨機的退幣功能。本次使用的硬幣識別器的容量為500枚，可識別1元和5角硬幣。選型如下表3-2所示。硬幣識別器工作電壓工作電流工作溫度BD-8GDC+12V2A-20°C～60°C表3-2硬幣識別器選型3.3.2紙幣的識別原理紙幣識別器主要是由主控部分、傳感器、A/D信號轉換器、驅燈元件、外部存儲元件、模式選擇元件、電機、電源元件等部分構成的一個采用單片機控制的處理系統。首先，將正常的紙幣在傳感器中產生的信號進行記錄并將數據寄存下來，作為檢測的依據。當識別器識別紙幣時，把傳感器產生的信號和原先的信號進行對比、判斷。若兩者之間存在較大的差異，則直接使得電動機反向運轉。此次我們所使用的紙幣識別器的存儲容量為300張，可識別5元、10元和20元。選型如下表3-3所示。紙幣識別器工作電壓工作電流工作溫度TCN-7-3BDC+12V2A0°C～55°C表3-3紙幣識別器選型3.4自動售貨機電機及其它選擇（1）電動機的選擇每一臺自動售貨機上都有多個電動機。每一種飲料的輸出都需要配備一個小型電動機進行驅動，因此，需要我們選擇一臺合適的電動機。一般在飲料類的自動售貨機上需要采用的電動機額定功率比較低，通常采用額定電壓為12~24V，額定功率一般為3W的直流電動機。選型如下表3-4所示。減速電機額定電壓額定功率轉速減速比XINX-37JSDC+12V3W16R.P.M1：10表3-4電動機選型（2）接觸器的選擇因為本次使用的電動機是直流電動機，所以我們選擇使用24V直流接觸器。圖3-3為主要接線圖。圖3-3主要接線圖第4章：自動售貨機的軟件設計軟件設計是本次設計中最為重要的一個部分。首先要做出一個能夠完成一臺自動售貨機所有要求的梯形圖，然后我們對梯形圖進行調試，最后用MCGS組態軟件進行仿真。4.1自動售貨機的控制系統圖4-1自動售貨機的控制系統流程圖圖4-1表示的是程序可以實現的功能。4.2自動售貨機的程序部分4.2.1程序中用到的部分指令比較指令是PLC中的一條十分重要的指令，它將[S1]、[S2]中的各種數據都進行了高度比較，并將比較后的結果發送到了目的操作數[D]中，如下圖中的4-2所示。當X000為OFF時，M10，M11，M12保持恒定。當X000為ON時，則繼續執行CMP指令，即計數器C10的值與K10進行相互比較。如果C10當前值小于10，則M10=1；如果C10當前值大于10，則M12=1；如果C10當前值等于10，則M11=1。圖4-2CMP指令使用說明加法運算：加法運算的指令就是使目的操作數加上源操作數，和的結果送到目的操作數中。其中的加法運算方式如下圖4-3所示。當X000為1時，（D0）+（D5）=（D6），運算為代數運算圖4-3加法運算使用說明圖減法運算：減法運算的指令就是使目的操作數減去源操作數，差的結果送到目的操作數中。減法運算方式如下圖4-4所示。當X000為1時，（D10）-（D12）=（D14），運算為代數運算。圖4-4減法運算使用說明圖4.2.2自動售貨機的控制程序程序的組成部分大致可以劃分為5個部分。分別是啟動部分、投幣比較部分、可以購買的顯示部分、飲料的選擇部分、貨幣的相減部分以及退幣部分。啟動部分：設置一個開始按鈕，按下時X000置1，松開時X000置0，程序如下圖4-5所示。圖4-5啟動部分程序圖4-6投幣部分程序圖4-7比較部分程序投幣比較部分：投入一個硬幣或一張紙幣相當于按一次按鈕，定時器T10表示在10s投幣，幣值可以累加。程序如上圖4-6和4-7所示。可以購買的顯示部分和飲料的選擇部分：當你投入一定的金額購買某種飲料時，那么這種飲料相對應的指示燈就會自動變亮。定時器的定時時間為2s，這其中的任意一個都可能是T1線圈得電，因此，當我們選擇購買某種飲料時，這種飲料對應的指示燈要多亮4s。程序如下圖4-8、4-10、4-11、4-12所示。圖4-8（a）飲料的顯示與輸出圖4-8(b)飲料的顯示與輸出圖4-8(c)飲料的顯示與輸出圖4-8(d)飲料的顯示與輸出圖4-9(a)飲料的選擇與貨幣相減圖4-9(b)飲料的選擇與貨幣相減圖4-9(c)飲料的選擇與貨幣相減圖4-9(d)飲料的選擇與貨幣相減圖4-10定時器定時部分貨幣的相減部分：當用戶在選擇購買某種飲料時，在數據寄存器中依次計算減去該種飲料相對應的金額，然后再把計算結果重新儲存到數據寄存器中。程序如上圖4-9所示。圖4-11取物口燈亮部分圖4-12飲料輸出時間控制部分退幣部分：當用戶購買某種飲料之后，如果需要退回剩余的錢，則按下進行退幣的按鈕。售貨機在退幣之后數據寄存器將會自動進行復位。程序如下圖4-13所示。圖4-13(a)退幣復位部分圖4-13(b)退幣復位部分4.3程序的調試部分按下梯形圖中的邏輯測試的程序啟動/結束按鈕，等待將整個程序寫入到PLC中，然后梯形圖中就會開始自動顯示有藍色部分，表示接通，數據存儲器顯示為0。如下圖4-14所示。圖4-14進入調試數據寄存器的初始狀態在菜單欄的“在線”設置項目中選擇調試-軟元件測試。在10s內迅速地按下X001按鈕5次（表示投入5元），再按下X015按鈕（表示購買咖啡）。如下圖4-15、圖4-16、圖4-17所示。圖4-15X001接通5次后狀態圖4-16按下雀巢咖啡按鈕后狀態圖4-17選擇雀巢咖啡部分若操作完成之后還有剩余的錢，則按下退幣按鈕X016，完成退幣。如下圖4-18、圖4-19所示。圖4-18退幣前的狀態圖4-19退幣后狀態4.4基于MCGS組態的自動售貨機仿真MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平臺，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。本次使用的版本為嵌入版。4.4.1建立組態畫面打開MCGS之后，首先新建窗口，將窗口名稱改為自動售貨機。然后雙擊，打開窗口，設計好自動售貨機的大小，然后開始創建畫面。首先將8種可選飲料做好，然后選擇工具箱中的按鈕，分別畫在每種飲料的下方，按鈕畫好后雙擊，將按鈕的名稱改為這8種飲料的名字。再分別畫出其它裝置，包括按鈕和指示燈，所需要的元件可以從工具箱中獲得。根據設計，調整各個部分的大小和位置。最終效果圖如下圖4-20所示。圖4-20自動售貨機的組態下效果圖4.4.2設置各元件的參數將自動售貨機的頁面畫好之后，對各個部分設置參數和變量連接。首先點擊實時數據庫，新建變量，對新建的變量更改名稱、設置屬性并注釋。指示燈以HL開頭來命名，輸入以SB開頭來命名，而輸出則以YV開頭來命名。所有變量的類型均設置為開關型。如下圖4-21、圖4-22所示。圖4-21工作臺實時數據庫設置如下。圖4-22（a）實時數據庫設置圖4-22（b）實時數據庫設置對頁面中的指示燈和按鈕進行屬性設置。以可樂為例，在頁面中雙擊表示可樂的按鈕和指示燈。其它按鈕可以以此為參照進行屬性設置。設置如下圖4-23、圖4-24所示。圖4-23可樂指示燈參數圖4-24可樂按鈕設置點擊設備窗口，進入后選擇設備工具箱-設備管理中的通用串口父設備，然后再選擇相應的PLC設備。如下圖4-25所示。圖4-25