基于PLC的自动售货机控制设计

基于PLC的自动售货机控制设计

摘要:本论文设计的是基于三菱FX2N系列PLC构成的自动售货机监控系统，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于三菱FX2N系列PLC构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。在PLC梯形图的编写时，文中采用的是三菱PLC梯形图专用编译软件来进行编写。介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用PLC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。 关键词：自动售货机；顺序功能图；梯形图；I/O点的分配。

The Control Design Of Vending Machine Based On PLC

Abstract:This thesis is based on Mitsubishi PLC FX2N series monitoring system consisting of vending machines, vending machines this paper describes the origin and development, and its development status at home and abroad, on the vending machine programs were demonstrated, PLC introduces the basic composition, characteristics and working principle, based on Mitsubishi FX2N series PLC vending machine system as a whole constitutes the design process in a more detailed discussion.The paper describes in detail the various hardware components of vending machines, and completed a PLC external wiring diagram. PLC ladder in the preparation, the paper uses a special compiler software Mitsubishi PLC ladder to be written. Introduces the basic principles of vending machines and work processes, and then to a transaction process, for example, the transaction process is divided into several blocks, and then program the block respectively. Specify the programmable logic controller's role in the vending machines. Procedures related to the vending machine most of the work process. PLC-controlled vending machine use to improve the stability of the system to ensure the long-term stable operation of vending machines.

Key Words：Automat；PLC；Sequential Function Chart；Ladder；I / O Point Of The Distribution。

目录

1 绪论 ...................................................................................................................... 3 1.1 设计背景 ..................................................................................................... 3 1.2 应用前景 ..................................................................................................... 3 1.3 设计的目的和意义 ..................................................................................... 3 2 总体设计方案 ...................................................................................................... 4 2.1 总体设计思路 ............................................................................................. 4 2.2 控制要求 ...................................................................................................... 4 2.3 控制原理及示意图 ...................................................................................... 4 3 软件设计 ............................................................................................................... 5 3.1 I/O分配 .......................................................................................................... 5 3.2 程序分析与调试 .......................................................................................... 6 3.2.1 梯形图分析 ......................................................................................... 6

3.2.2 程序调试 ............................................................................................. 9 4 硬件设计 ............................................................................................................. 10 4.1 金属硬币的识别原理 ................................................................................ 10 4.2 硬币的贮存和退币 .................................................................................... 10 4.3 光传感器 .................................................................................................... 10 5 结论 .................................................................................................................... 11 参考文献 ................................................................................................................. 10 致 谢 ..................................................................................................................... 11 附 录 ................................................................................................................... 122

1 绪论

1.1 设计背景

公元1世纪，希腊人希罗制造的自动出售圣水的装置是世界上最早的自动售货机。1925年美国研制出售香烟的自动售货机，此后又出现了出售邮票、车票的各种现代自动售货机。现代自动售货机的种类、结构和功能依出售的物品而异，主要有食品、饮料、香烟、邮票、车票、日用品等自动售货机。一般的自动售货机由钱币装置、指示装置、贮藏售货装置等组成。钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。如果投入的金额达到购买物品的数值即发出售货信号，并找出余钱。指示装置用以指示顾客所选商品的品种。贮藏售货装置保存商品，接收出售指示信号，把顾客选择的商品送至付货口。一般售货机的钱币装置由投币口、选别装置、确认钱币真伪的检查装置、计算金额的计算装置和找钱装置组成。70年代以来，出现了采用微型计算机控制的各种新型自动售货机和利用信用卡代替钱币并与计算机连接的更大规模的无人售货系统，如无人自选商场、车站的自动售票和检票系统、银行的现金自动支付机等 。

1.2 应用前景

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，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及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。

1.3 设计的目的和意义

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。

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2 总体设计方案

2.1 总体设计思路

自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算，然后根据运算结果做出相应的判断，看看哪种商品可以进行购买，哪种商品不能购买，本次课程设计的要求是可识别两种硬币，分别是1元、5角，采用两个按钮进行模拟，自动售货机共出售三种货物，其价格分别定为1元、2.5元、3元，当投币数大于等于货物价格时且售货机里有这种货物时，指示灯亮，表示可以进行购买，三种货物分别用三个小灯代替进行模拟。除此之外，本次设计还涉及了显示、找零等功能的实现。

由于售货机的全部功能是在上位机上模拟的，所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟替代的这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟现实售货机的运行。

2.2 控制要求

1）自动售饮料机可投入5角、1元。

2）所售饮料标价：纯净水——1元，汽水2.5元，咖啡3元。

3）当投入的硬币总值超过所购饮料的价值时，所对应的可购买饮料的指示灯亮，作可购买提示。

4）当物品对应的指示灯亮时，按下相应的按键，相应的物品排出，5s后自动停止，同时指示灯闪烁。

5）购买饮料后，系统自动计算剩余币值，并根据剩余币值提示可购买的饮料（指示灯亮）。

6）当顾客成功购买完一件物品后30秒无操作，自动售货机会自动将余款退还给顾客。 7）如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还给顾客。

8）如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还给顾客。

9）当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额）。

10）如果顾客投入的币值在限定的时间内（1分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币。

在本控制系统中，自动售货机只售3种商品，即纯净水，汽水和咖啡。自动售货机可识别1元，5角；自动售货机可退币。

2.3 控制原理及示意图

首先由顾客投入钱币，然后顾客按下商品选择开关，经钱币识别器后将信号送给PLC。由用户编写的PLC程序运行可以识别出钱币的真伪以及币值，并显示投入钱币的数值，同

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时与商品的价格比较。当投入的钱币满足某商品的购买价格后，则可以购买该商品的指示灯亮。PLC通过计算还可以显示出余额数值，商品驱动机构收到控制信号后即出售电磁阀动作，送出商品，若有余额，则退币电动机动作，可以退出余额数值的相应币值，同时完成内部清零过程。这样就完成一次商品提货过程。该自动售货机还具有售货口故障处理和商品低液位报警等功能。整个过程由1台PLC控制，其控制示意图如图2-1所示。

商品选择开关 响铃报警

PLC 各种指示

退币电动

钱币识别器 出货电磁

图2-1 控制原理示意图

3 软件设计

3.1 I/O分配

根据设计要求，列出I/O分配如表3-1所示。

表3-1 I/O分配表

输入 输出 输入点 功能 输出点 功能 X0 五角投币口 Y0 纯净水出口 X1 一元投币口 Y1 汽水出口 X2 纯净水按钮 Y2 咖啡出口 X3 汽水按钮 Y3 纯进水指示灯 X4 咖啡按钮 Y4 汽水指示灯 X5 找钱按钮 Y5 咖啡指示灯 X6 急停按钮 Y6 余钱指示灯 X7 启动按钮 Y7 无纯净水报警 X10 纯净水液量不足 Y10 无汽水报警 X11 汽水液量不足 Y11 无咖啡报警 X12 咖啡液量不足 Y12 一元出口 Y13 五角出口

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3.2 程序分析与调试

3.2.1 梯形图分析

1）如图3-1所示，这一部分为整个梯形图的开关控制设计。使用了主控指令来控制整个自动售货机的开关。

图3-1 开关控制设计

2）如图3-2所示，这一部分代表了自动售货机的复位开关以及三种饮料的出水条件设计。

图3-2 复位出水设计

3）如图3-3所示，这一部分是3种饮料的指示灯变化控制设计。饮料可以购买时的常亮以及出水完毕后的闪烁。

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图3-3 指示灯变化控制设计

4）如图3-4所示，这一部分是找零设计。当符合找零条件时，会优先找零一元，然后才找零五毛，并且在找零时进行减法指令运算。

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图3-4 找零设计

5）如图3-5所示，这一部分为投币设计。当客户投币后，系统会将D0中的数据与饮料的价格数据进行比较，当客户购买饮料后，饮料出水的同时会将D0中的数据做出相应的扣除。

图3-5 投币设计

6）如图3-6所示，这一部分为饮料出水时间设计。当客户购买某一饮料时，从按下饮料按钮开始，饮料出水5秒后，结束饮料出水。

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图3-6饮料出水时间设计

7）如图3-7所示，这一部分为无操作设计。当客户投币后1分钟内无操作或者购买某一饮料后30秒内无操作时，会自动找零。

图3-7 无操作设计

3.2.2 程序调试

在这次设计中我也遇到了不少问题，例如： 找钱的最后一次闪烁因为时间太短 ，肉眼无法看出，当然指示灯也就不闪烁。后来通过加上了辅助继电器、时间继电器，成功实现了最后一次闪烁。还有饮料出水的时候我原本的设计是出水的同时指示灯在闪烁，后来经过老师的矫正，我才知道是出水完了之后闪烁。还有整个电路的开关控制，原本我是在各个环节都加上常闭开关来实现关闭，后来发现还有更加简单的方式那就是主控触点指令，通过一开始加上的MC N0 M21和结尾的MCR N0来实现整个电路的开关控制。在进

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行投币和购买饮料的时候需要用到加减法的指令ADD 、SUB 还有比较指令CMP，这些指令的应用可以说是比较少的，所以刚刚开始做的时候还不是很熟悉。 投币的时候，投币按钮要设置成上升沿的开关，不然按一次就会计数N次，扣钱也是同样的原理。

4 硬件设计

4.1 金属硬币的识别原理

我国目前发行的1元、5角和1角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金，因此在它通过投币入口进入由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时．金属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异，电感量的变化引起振荡频率的变化；再通过检测频率的变化，与设定值进行比较，确定某种硬币种类后，经窄带选频电路将频率信号变成电压信号输出，完成对金属硬币的识别。

4.2 硬币的贮存和退币

在本设计中，采用的是圆筒式贮币，步进电机退币，当硬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内备用。当收到退币找零电信号后，通过退币电机，将贮币腔内下部硬币依电信号程序退出，完成自动售货机的退币找零功能。

4.3 光传感器

在本设计中，用到光传感器：当硬币投入开始由光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器；硬币经识别后进入贮存腔时，由光传感器感应，给PLC一个信号，进行硬币的相加运算；当退币时，退出的硬币经光传感器感应，给PLC一个信号，进行退币的相减运算。

光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器件，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其它传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可，本设计是运用红外线传感器的原理对投币进行检测。

图4-1 所示是红外线传感器的工作原理图。它是由光源、接收器和PLC运行电路三部分组成。光源使用普通的白炽灯泡，当点亮灯泡时，由于灯丝的温度很高，能产生较强的红外辐射，灯泡发出的可见光经滤光片滤掉，红外光便可向外发射。在距光源发射点一定距离处，设置有红外接收器。这样，在红外光源和接收器之间就形成一条用肉眼看不见的红外界线。无硬币遮挡红外线时，红外线经凸透镜聚光后直接照射在光敏二极管VD1上，光敏二极管的电阻变小，从而使V1导通、V2处于截止状态，接在V2集电极的继电器K不工作，输出为低电平，因此，PLC得不到相应的信号。当有硬币通过红外界线时，红外线被硬币遮挡，光敏二极管因无光照射其内阻增大，于是VT1截止，VT2变为导通，则输

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出为高电平，使PLC得到相应的信号。

图4-1 红外线传感器工作原理图

5 结论

毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动售货机系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

在设计过程中投币的设计让我很头痛，原因是由于系统设计本身按键的抖动和扫描时间的框定，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌，正是基于这种考虑我意识到，想要更为完美的设计，我花了大量时间在上面。

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。比如我的设计还有很多的不足之处，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

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参考文献

[1]姜新桥，石建华主编，PLC应用技术，北京电子工业出版社，2010，8。 [2]张晓娟主编，工厂电气控制设备，北京电子工业出版社，2012，6。 [3]黄坚主编，自动控制原理及其应用，北京高等教育出版社，20092，1。

[4]马宏骞主编，电力电子技术及应用项目教程，北京电子工业出版社，2011,12。 [5]廖常初主编，PLC编程及应用.，北京机械工业出版社,2002 。

[6]何衍庆主编，可编程序控制器原理及应用技巧，北京化学工业出版社，2000。 [7]赵相宾主编，可编程控制器技术与应用系统设计，机械工业出版社，2002，7。 [8]陈金华主编，可编程序控制器(PC)应用技术，北京电子工业出版社，1995。

[9]陈在平，赵相宾主编，可编程序控制器技术与应用系统设计，北京机械出版社，2002。 [10]钟肇新.范建东.可编程控制器原理及应用.华南理工大学出版社，2003。

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致 谢

从刚开始接受课题到现在完成毕业设计论文，衷心的感谢我的指导老师给予的精心的指导和热情的帮助。李娜老师在PLC方面具有丰富的实经验，对我的设计工作给予了很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。尤其在课题设计的前期准备阶段，提出许多宝贵的设计意见，在最后的测试修改阶段老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助，这样使得我们得以顺利的完成毕业设计开发工作，老师渊博的知识，敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象，这将使得我终身受益，谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。在这次设计，我感受到了很多，人要学无止境。在这里我还要感谢曾经给过我同样帮助的同学们，你们同样给我带来了莫大的帮助。

最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。

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附 录

本设计的完整梯形图如下所示：

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