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自动售货机的控制综述
本科毕业设计说明书
自动售货机的控制
THECONTOROFVENDINGMACHINE
学院（部）：
专业班级：
学生姓名：
孔一斐
指导教师：
李振壁
年月日
自动售货机的控制
摘要
自动售货机是能够根据投入的钱币自动付货的机器，不受时间、地点的限制，能节省人力、交易方便。
目前市场上的自动售货机较为普遍，主要经营饮料和便利物品，使用方便、可靠、节省人力的自动售货机将在社会生活中成为一种趋势，而先存的自动售货机主要存在控制不方便，送货不及时的问题，这篇文章就是讨论自动售货机的控制问题。
在本文中，以三菱FX2NPLC为核心配合各种编程软件及各个模块实现了自动售货机的投币、出货、找零等基本功能，满足客户的基本要求后加入了通信模块解决了自动售货机的控制问题。
本文详细介绍了自动售货机的设计方案、硬件选择、软件编写。
关键词：
自动售货机，控制，基本功能
THECONTOROFVENDINGMACHINE
ABSTRACK
Vending machine is a kind of machine which can sold matters automatically ,without the limitation of time and place.It can save manpower and the trade is convenient.
At present,vending machine is so ordinary to see,especially onsolding drinks & common goods,it is convenient,dependable,so it will become a trend definitely.However,at present,vending machines are hard to control and not so instant.This article is due to talk about controling them.
In this article,take Sanling FX2NPLC as the core,Using all kinds of softwares ,intending to enable functions of vending machines ,such as inserting coins,presenting goods,giving back changes and so on.Despite these,the problem of controling is solved by interacting module.
This article elaborates on design plan of vending machines,choosing ofhardwares and software writing.
KEYWORD:
Vendingmachine,control,Basicfunction
目录
摘要（中文）I
摘要（外文）II
1绪论1
1.1引言1
1.2自动售货机的定义和发展前景1
1.3国内外研究的现状2
1.4本论文研究内容2
2整体模块图及模块简介3
2.1.1PLC3
2.1.2PLC的工作原理4
2.1.3PLC执行程序的过程及特点6
2.1.4PLC选型原则8
2.2钱币识别器9
2.2.1货币识别原理9
2.2.2纸币识别器11
2.3人机界面11
2.3.1人机界面的定义11
2.3.2人机界面（HMI）产品的组成及工作原理12
2.3.3人机界面的基本功能及选型指标13
2.3.4人机界面产品分类13
2.3.5人机界面的使用方法13
2.4电源13
3硬件设计13
3.1器件选择13
3.1.1PLC14
3.1.2人机界面15
3.1.3钱币识别器:
16
3.1.4硬币识别器18
3.1.5通信设备及报警器19
3.1.5本设计器件选择汇总如表3-6.21
3.2自动售货机操作面板及PLC连接图22
4程序设计23
4.1自动售货机售货过程程序23
4.2人机界面设计28
4.3钱币识别器程序简介36
结论：
40
参考文献41
致谢42
1绪论
1.1引言
自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，其中英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。
1942年，在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。
1950年，英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。
1969年，采用自动售货机售货的商家增加到23000家，销售的商品扩展到唱片、文化用品、食品、香烟等多个方面。
进入70年代后，约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。
1980年英国有50余万台自动售货机，年销售额达8.81亿英镑。
70年代后，日本、欧美等发达国家和地区自动售货机迅猛的发展，短短30年，发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。
自动售货机被广泛地布放于车站、油站、机场、码头、写字楼、宾馆、娱乐场所及大街小巷和公路旁，人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、报纸、饮料、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。
自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展，原先其只能出售有限商品品种，而如今呈现了继百货公司、超级市场、便民店之后，以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售状态。
1.2自动售货机的定义和发展前景
目前自动售货机是集声、光、机电一体化的高新智能化产品，在我国也开始得到应用，如图1-1。
在中国人们可以看到现代化的自动售货机摆放在一些大商场门口、繁华街道两旁、公园入口处以及其它热闹的场所。
自动售货机的新奇、文明、高档、昼夜服务、占地小、灵活方便深受许多地区市民的青睐，甚至出现许多排队购买的现象。
专家测算，中国的自动售货机在市场容量最保守算应该有四十七万台，一年的销售额可达三百五十亿元若按人均台数计算全年可达五百亿，自动售货机在日本达到平均每二三十人一台，在美国达到每四十人一台，在欧洲每六十人一台，由于中国经济与上述国家还有一定差距，按每五百人一台计算。
因此，自动售货机在中国有着广阔的发展前景。
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；再加上场地的局限性以及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。
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。
图1—1，自动售货机举例
1.3国内外研究的现状
在自动售货机相关的所有研究领域中，全球对其关键技术的研究主要集中在以下３个方面：
ａ．系统内部销售动作实现方式的研究；ｂ．资金结算及销
售信息统计管理的实现方式研究；ｃ．功耗节省模式的研究。
根据相关文献资料，系统内部销售动作实现方式的研究已基本成熟，研究最多的主要集中在
资金结算及销售信息统计管理的实现方式和功耗节省模式上。
1.4本论文研究内容
本文在原有的自动售货机的基础上实现自动售货机的基本功能如：
（1）.用户将货币投入投币口，货币识别器对所投货币进行识别；
（2）.控制器根据金额将商品可售卖信息通过选货按键指示灯提供给用户，由用户自主选择欲购买的商品；
（3）.按下用户选择商品所对应的按键，控制器接收到按键所传递过来的信息，驱动相应部件，售出用户选择的商品到达取物口；
（4）如果还有足够的余额，则可继续购买。
如不需要购买则点击找零，自动售货机将自动找出零币或用户旋转退币旋钮，退出零币。
在此基础上本文加入数据通信模块，通过此模块可实现自动售货机与送货车之间的联系，在货物短缺时及时通知，保证货物的供给。
2整体模块图及模块简介
本设计整体模块图如图2-1所示.
图2-1整体模块图
2.1.1PLC
PLC作为自动售货机的核心部分全称为可程序逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController），乃是一种固态电子装置，主要利用输入／输出装置的回授信号及储存程序，控制机械或程序的操作。
在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性佳的特点，故一直为自动化业界所采用。
近几年来，各PLC制造厂家无不致力于新机种的研发，所以在CPU处理速度、扩展模块及通讯的功能上，相较于早期PLC控制器，已有长足的进展。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
图2-2为三菱公司所产FX2N系列的实物图。
图2-2三菱FX2N—32MR
2.1.2PLC的工作原理
1.PLC的主要组成部分如图2-3.
图2-3PLC的主要组成部分
CPU模块：
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
I/O模块：
输入（Input）模块和输出（Output）模块统称I/O模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块主要用来接受和采集输入信号，输入信号包括两类：
一类是从按钮，选择开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号；另一类就是由电位器，测速发电机等提供的连续变化的模拟量信号。
PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀等执行机构，另外也可以驱动指示灯、数字显示装置等
CPU模块的工作电压一般是5V，而其输入/输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。
为防止外部引入的尖峰电压和干扰噪声损坏CPU模块，影响其正常工作，在I/O模块中，用光电耦合器、可控硅，小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
2.PLC的扫描过程
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环中，PLC还要完成内部处理，通讯处理等工作，一次循环可分为5个阶段。
如图2-4.
图2-4PLC的扫描过程
在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。
在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。
当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。
PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。
当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用， 而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。
2.1.3PLC执行程序的过程及特点
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
（2）程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
如图2-5所示。
图2-5PLC执行程序示意图
（3）输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。
在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。
在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。
在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。
这种方式称为集中输出。
对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。
对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。
应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。
滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
（4）PLC控制系统设计图如图2-6所示.
图2-6PLC控制系统设计图
2.1.4PLC选型原则
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。
一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。
则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
格能相差40%以上。
在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。
2.2钱币识别器
对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。
这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价
2.2.1货币识别原理
钱币识别器分为硬币和纸币识别器。
硬币识别原理
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。
纸币识别原理
纸币识别器由主控部分、传感器部件、驱灯组件、A/D转换器、外部存储、电机、模式选择、电源板等组成一个单片机控制的系统,通过多个接口把紫光、磁性、红外穿透引入主控器。
把正常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、但立即送出报警信号并截停电机,同时送出对应的信号提示。
荧光检测
荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。
人民币采用专用纸张制造（含85%以上的优质棉花）,假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造,经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420-460nm的蓝光）,人民币则没有荧光反应。
所以,用紫外光源对钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映,可判别钞票真假。
为排除环境光对辨伪的干扰,必须在硅光电池的表面安装一套透过波长与假钞荧光反应波长一致的滤色片。
在荧光检测中,需要注意两个问题:
1.检测空间的遮光。
外界光线进入检测空间会造成误报;2.紫外光源和光电池的防尘。
在点钞过程中有大量粉尘,这些粉尘粘附在光源表面会削弱检测信号,造成漏报。
对第五版人民币,可同时检测荧光字（无色荧光油墨印刷,用另一硅光电池检测,滤色片的透过波长和真钞荧光反应波长一致）以提高辨伪效果。
磁性检测
磁性检测的工作原理是利用大面额真钞（20元、50元、100元）的某些部位是用磁性油墨印刷,通过一组磁头对钞票的磁性进行检测,通过电路对磁性进行分析,可辨别钞票的真假。
在磁性检测中,要求磁头与钞票磨擦良好。
磁头过高则冲击信号大,造成误报;磁头过低则信号弱,造成漏报。
通过控制磁头的高度（由加工和装配保证）和在磁头上方装压钞胶轮可满足检测需要。
红外穿透检测
红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高,因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。
人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异,用红外信号对钞票进行穿透检测时,它们对红外信号的吸收能力将会不同,利用这一原理,可以实现辨伪。
需要注意的是,油墨的颜色与厚度同样会造成红外穿透能力的差异。
因此,必须对红外穿透检测的信号进行数学运算和比较分析。
激光检测
用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字,会使荧光字产生一定波长的激光,通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
由于仿制困难,故用于辨伪很准确。
防夹心检测
所谓防夹心检测就是在一叠钞票里剔出不同面额的钞票。
根本不同面额的钞票具有不同的特征,如纸质、磁性、幅面大小等,可进行防夹心检测。
目前的点销机只检测钞票的纸质、磁性的宽度尺寸,因此对于纸质、磁性和宽度相同或相近的钞票如第四版1元和2元、5元和10元,第五版10元和20元很难区分,如果增加一组红外管,同时检测钞票的长度,这个问题可以得到有效的解决。
2.2.2纸币识别器
作为整个货币识别系统的核心部分,纸币控制器必须由一颗功能相对较强的嵌入式微处理器以及一系列外围器件构成。
通过对各种微处理器的研究,考虑到开发成本,我们最终选
用了兼容标准MCS-51指令系统的AT89C52单片机是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多高性低比的系统控制应用领域。
纸币器中核心控制器AT89C52要采集大量实时纸币数据,以用于该纸币的处理;同时还要存储许多参数以用于纸币的识别,而AT89C52自身资源有限,并不能很好地满足系统要求,明显需要扩展片外RAM和ROM。
本系统中采用传统的扩展方式,即通过一片74HC373锁存器外接一片62256,而ROM的扩展则采用近年来应用很广泛的I2C总线方式,即直接用两个I/0口外接一片串行24C256。
纸币器中数据采集装置采用六对发光二极管及光电三极管,而且还需要有工作模式选择,这样导致I/0口不够用。
为此还要扩展输入输出接口,采用常用的8155芯片来实现I/O扩展。
其主要功能是:
单片机AT89C52通过I/O接口控制发光二极管发光,当纸币进入时,入口处发光二极管透射过纸币的光强变弱,被相应入口处的光电三极管接受到后转换为电信号,放大后送给ADC0809,后者再传给AT89C52。
经过判断,处理器直接控制电机驱动芯片L298使双向微型电机正转,电机带动捻纸皮带将纸币送进纸币器内。
待最后一个光电三极采集完纸币数据后,处理器开始进行识别判断过程。
工作模式选择输入是指纸币器可以有几种工作模式选择,一是上述的正常工作模式;二是数据的升级模式,即在需要识别新的币种时,纸币器采集新的纸币并通过MAX232与上位控制器通信,完成一些新的参数下载;三是数据采集装置中光电传感器的敏感度调整,即如果采集的电流值过小/过大而影响识别效果时,需要重新调整光电传感器的电阻使其满足识别要求;四是以便日后升级而预留的模式。
2.3人机界面
2.3.1人机界面的定义
连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。
2.3.2人机界面（HMI）产品的组成及工作原理
人机界面产品由硬件如图2-7和软件如图2-8两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。
根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。
HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。
使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制
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