基于西门子s7200的自动售货机设计业设计论文.docx
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基于西门子s7200的自动售货机设计业设计论文
摘要
本文阐述了自动售货机的设计概论、研究意义以及它的发展历史，对自动售货机的方案进行了论证。
本设计采用西门子s7-200系列PLC作为控制系统，介绍了PLC的基本组成、发展以及特点。
文中详尽地介绍了自动售货机的原理以及各硬件组成，PLC外部接线图，并与按钮指示灯相结合进行人机交互，以完成交易。
本设计编程部分采用了西门子专用编译软件进PLC梯形图的编写。
基于西门子s7-200系列PLC控制的自动售货机具有很高的稳定性，保证自动售货机能够长期运行。
关键词：
PLC，自动售货机，梯形图
Abstract
Thispaperexpoundstheintroductiontothedesignofthevendingmachine,theresearchsignificanceandthedevelopmenthistoryofit,anddemonstratestheschemeofit.ThisdesignschemeadoptstheSiemenss7-200seriesPLCasthecontrolsystem,andintroducesthebasicstructure,developmentandcharacteristicsofthePLC.ThispaperintroducestheprincipleofthevendingmachineandthehardwarecompositionandPLCexternalwiringdiagram,andcombinedwithbuttonsandindicatorlightsforhumaninteractioninordertocompletethetransaction.ThisdesignprogrammingpartadoptsSiemenscompilersoftwareintothewritingofthePLCladderdiagram.TheSiemensPLCcontrol-basedvendingmachinehashighstabilitytoensurethevendingmachinecanrunforalongtime.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
Keywords:
PLC,vendingmachine,ladderdiagram
1绪论
1.1课题研究背景、目的以及意义
近年来，中国的经济发展十分迅猛，随着人们生活水平的提高，人们对物质与精神的需求越来越高，所以很需要一些能提高人们生活品质的东西，譬如在营业时间外的时候，我很需要一瓶饮料来止渴，这时候如果有一台制动售货机，那将很大的提升我的幸福感。
在中国，自动售货机就算在大城市也并不是十分多见，而且主要集中在地铁、学校、车站等人员密集的地方。
在2008年北京奥运会的时候，我国的自动售货机市场开始萌芽，并且数量快速的增长。
随着人们对自动售货机的认可度与满意度的提高，我国每年新增加的自动售货机数量也迅猛增长，在2011年增加的数量为一万台，而在2013年增加数量为三万台，据我预计在未来几年里的增长速度至少在一万台每年甚至更多。
自动售货机不但给人们的生活带来了极大的方便，而且也成为现代化城市的一道亮丽的风景线。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
自动售货机是一种全新的商业零售模式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。
它又被称为24小时营业的微型超市。
其特点是科技含量高，集光、机、电、防伪识别、数字密码、智能软件等技术于一体；24小时服务，售货便利，无需专人盯守，省人工，省成本；售货范围广，人们通过自动售货机不仅可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡，甚至鲜花和小宠物等物品；此外它还是一种新颖独特的广告媒体。
在日本，70%的罐装饮料是通过自动售货机售出的，根据日本麒麟啤酒公司调查，一台自动售货机每年可售出上万罐清凉饮料，比一般不太繁忙的小商品销量还要大；在西班牙，全国通过自动售货机售出的商品销售额占全国零售业的六成以上，并以每年10%的速度递增。
；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料。
中国是在自动售货机市场公认的最具有市场潜力的国家，有着增长速度最快的市场，所以对自动售货机的设计势在必行。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
1.2自动售货机的历史沿革与发展前景
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、车票鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
的各种现代自动售货机。
现代自动售货机的种类会因为所出售的物品不同而有不同的功能，主要有糖果、饮料、报纸等自动售货机。
一般的情况下自动售货机主要有这几个部分，货币系统、指示系统、出货系统。
货币系统是售货机的核心，它的主要功能是验钞辨伪，计算投币的数量金额等。
指示系统可以给消费者各种操作提示等。
出货系统可以储存物品，等待信号传过来，把消费者选择的物品送到出货口。
一般来说售货机的货币系统由投币口、选别部分、验钞的部分、统计货币金额装置和找零装部分成。
1970年之后，陆续出现了各种以计算机微控制系统的新型的自动售货机和增加了刷银行卡的功能并与网络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。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。
在自动售货机历史的长河中，而日本人所开发的自动售货机是在这个世纪里面发生的事情。
1904年发明的“邮票明信片自动售货机”是第一台日本的自动售货机，它不仅仅可以出售邮票以及明信片，还能作为一种邮筒方便人们投递信件等。
在世界第二次大战以后自动售货机才被广泛的使用起来。
在50年代期间里，“喷水型果汁自动售货机”获得了人们的高度认可，出售的果汁被放入纸杯中来售卖。
后来，由于美国的饮品巨头企业如可口可乐等闯入到日本市场里，1962年，在流通领域爆发的革命就是以自动售货机为主力军的。
再1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
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。
由于销售环境的大幅度变化比如大量的生产和大量的消费以及消费模式，急需要一种新的销售流通渠道；而和大型超市、百货大楼等新兴的销售方式的流行，极大地加大了销售成本，费用不断地上升；而且有着它这种模式固有的弊端，例如场地的局限性和购物的便利性等问题的制约，所以无人自动售货机这种新型的销售机器就应运而生了。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
以广义的角度来讲这种机器就是投入货币或者信用卡刷卡后就可以售卖货物的一种机械，以狭义角度来说就是自动销售商品的机械。
从售货的方式上来说这种机器可以大大的弥补人力资源紧缺的问题而且减少了费用成本，更加的适合消费模式和消费环境的改变，全天24小时的无人自动售货的系统可以使销售更便捷，销售所需的成本低廉、并且占地非常的小，可以有效地吸引到消费者的购买欲望，并且完美的解决掉了人工费太高的问题。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。
比如说使用了机机相连的方式，通过某些线路将自动售货机内的货物剩余量等信息及时地传送各营业点的计算机中，从而确保了货物的发货、补给以及物品选择的快速进行。
并且，为了低碳环保，自动售货机的开发更加注重能源的节省，节能型饮料自动售货机在行业中成为了主流。
在夏季电力使用非常大的高峰时期，节能型自动售货机即使在切断制冷装置的时候也能保持相当低的温度，与老式的自动售货机比，它可以节约掉10－15%的电能。
在新的世纪里面，自动售货机将会进一步地向节省资源以及能源和高效率化多功能化的方向发展。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
自动化是未来的发展趋势，不论是制造业、服务业还是零售业。
我们都将看到更多的设备取代人工。
在这样一个大的趋势下，自动售货机行业的前景时光明的。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
1.3本设计的基本要求
本设计的目的是设计一个基于西门子s7-200系列PLC的可靠性强、方便快捷的自动售货机，该售货机具有自动辨别若干种饮料，并对投币币值进行累计，根据币值选择商品。
而且商品并可以随时退币。
具体内容如下：
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
（1）自动售货机有两种类型的进币口，分别为1元硬币，5元、10元纸币。
（2）售货共有6种饮料供选择，饮料种类如下：
康师傅矿泉水（1元）、农夫山泉（2元）、可口可乐（3元）、果汁（3元）、佳得乐（四元）和雀巢咖啡（5元）。
投币总量等于或大于商品价格时，对应商品指示灯亮，表示可以选择该商品。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
（3）按下要买的食品按钮，则相对应的指示灯闪烁，自动售货机开始动作，进行饮料的吐出。
（4）动作停止后余额会显示在7段数码管上。
（5）当对应商品售光时，对应红灯亮。
（6）按退币钮，则可以退出余额，交易完成。
。
1.4自动售货机设计的基本思路
对于自动售货机的整体结构设计
首先利用相关图形软件对自动售货机的外观构造进行模型设计。
然后对内部的各个装置，如投币口、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等进行粗略的介绍。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
对于PLC控制部分（本设计重点部分）
本次采用的是西门子公司的S7—200系列PLC，它可以提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元，它的系统构成主要有下面几个部分：
基本的单元、扩展的单元、存储卡、编程器、文本的显示器和写入器等。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
PLC控制部分包括以下几个部分。
（1）自动售货机控制流程图设计
（2）控制电路硬件组成框图
（3）工作流程图
（4）I/O点统计与分配
（5）外部接线图设计
（6）程序梯形图设计。
2PLC概述
2.1PLC的产生以及定义
20世纪60年代，在汽车生产的领域中还在使用着以继电器为核心的控制装置，由于汽车的每一次的升级换代、更改外观部件等都要使当时的继电器控制系统重新的设计连接和安装。
随着生产水平的不断发展，汽车升级换代的频率越来越快，这样下来继电器控制系统就要频繁的大幅度更改，既要重新的设计又要重新的安装连接，十分的不方便，而且耗费的人力和物力十分的巨大，非常的不经济，甚至这会拖慢了汽车更新的速度。
所以工厂上十分的迫切地改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
（1）编程方便，现场可修改程序。
（2）便于修理，使用模块化模式。
（3）相比于继电器来说可靠性大大增强。
（4）相比于继电器来说体积大幅度减小。
（5）可直接与计算机相连，方便数据传输。
（6）性价比较于继电器来说并无劣势。
（7）可以输入交流150V以上。
（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可以直接与电磁阀、接触器相连接，方便控制。
（9）扩展十分方便，不需要大幅度改动系统。
（10）用户存储器容量能扩大到4KB以及以上（适应当时汽车装配过程的需要）。
在上世纪六十年代末，美国数字设备公司（DEC）开发并且制作出了地球上第一台可编程逻辑控制器,并且成功地试用到了美国通用汽车的自动化生长线上面。
这种可编程逻辑控制器控制系统凭借着简单易懂、操作便捷、高可靠性、通用性灵活、超小的体积、超长的使用寿命等一系列优势，快速的应用到了各种工业领域的控制系统方面。
以后几年已经成功地应用于视频、饮料、冶金及造纸等行业。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
图2.1西门子S7-200系列PLC
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController,缩写PLC,简称可编程控制器），是在科学技术飞速的进步与目前社会的声场销售方式的改变的大环境下，为满足品类多、批量小、能耗低、性能高的发展需要，开发出的一种新型的以CPU为核心的工业领域的控制系统装置。
可编程逻辑控制器虽然从1969年问世开始算起只有短短的五十余年，但由于具有良好的性能价格和稳定的工作状态以及简单的操作性，已经广泛应用于生产实际中。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
可编程序控制器具有对开关量和模拟量的多种控制给你，早期作为一种新型的顺序控制装置应用于实际生产中。
以往人们习惯的是以继电器-接触器硬连线构成的顺序控制装置，采用接线逻辑，控制要求不同，接线就不同，而可编程控制器以微处理器、存储器为核心，采用存储逻辑，具有信息存储能力、软件编程能力和扩展性强等优势，通过编程可以实现不同的控制功能，在现代控制领域中得到广泛应用，已经成为工业自动化支柱之一。
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2.2PLC发展趋势
PLC自问世以来，经过近40年的发展，已成为很多发达国家的重要产业，
PLC在国际市场中已成为最受欢迎的工业控制产品。
随着科学技术的发展及市场需求量的增加，PLC的结构和功能在不断改进，生产厂家不停地将功能更强的PLC推入市场，平均3~5年就更新一次，而升级换代的方向基本上为以下几个方向。
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（1）体积更小，速度更快。
现在的小型PLC体积已经不大了，但是微电子技术及电子路装配工艺会不断地向前发展，这都会使它变得越来越小，以后甚至可以安装到各种各样的小型设备里面进行实现控制的功能，其速度也会随着电子电路技术的不断发展实现质的飞跃，这样下来可以使控制系统的控制作用更加的及时以及精准。
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（2）高可靠性、大型化、兼容性高、多功能化。
现在大型的PLC控制系统，基本上都是CPU的结构，如的MitsubishiGroup的ANA系列可编程控制器使用了世界上第一个顺序控制专用芯片。
扫描一条基本指令的时间为0.15us。
松下公司的FP10SH系列PLC采用32位5级流水线RISC结构的CPU，可以同时处理5条指令，顺序指令的执行速度高达0.04us，高级功能指令的执行速度也有很大的提高。
对于关于模拟量控制的这一个部分，在闭环控制的PID模块这种专业应付模拟量约束方式外，伴随着模糊统治理论的提出以及不断的开发，已经研制出了含有模拟量的模糊控制、自适应以及参数自整定功能的可编程控制器，运用起来十分的便捷，所需调试时间大大缩短，控制的准确程度大大的提升。
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（3）能够与其它控制系统结合使用。
在某些大型控制系统中计算机和PLC在应用功能方面互相补充做到了一加一大于二，让控制系统的价格便宜，效率更高。
目前工业控制系统的趋势是采用开放式的应用平台，所以各个厂家所生产的PLC就能在同一个网络中运行。
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20世纪八十年代末美国的AB集团与DEC集团联合开发的金字塔集成器，让PLC能与PC机紧密的结合在一起，开发出了一种新型的IPLC型可编程控制器。
他能运行WINDOWS系统，而本质上就是以梯形图用语言控制的计算机。
通过PC机和PLC相结合的这种新的思路方法，使之后的生产和管理相当的便捷，这样既拥有PLC的简单、易用和可靠的优势，又有强大的数据处理更了。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
2.3PLC的硬件组成与工作原理
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。
其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
图2.2PLC硬件构成图
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。
PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务，基本流程如图所示。
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。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
对于每一条程序，CPU都是默认从第一条到最后一条指令的先后顺序来逐步执行的，按照相应的顺序排列做周期性的程序循环扫描工作，如果没有跳转的指令，就会从第一条指令开始到最后一条结束的顺序执行用户所写的程序，直至遇到结束符后就返回到第一条指令，就像这样一周一周的循环，每一个循环被称作一个扫描周期。
PLC的扫描全过程如图所示。
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图2.3PLC扫描过程图
（1）输入的刷新过程
在输入刷新过程中，输入端口的信号会被CPU扫描完全，读取它的状态后写入到输入状态寄存器里面。
完成写入后关闭掉输入端口，进入到下一个过程中去。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
（2）程序的执行过程
在程序执行过程，根据用户所写入的控制程序，从第一条开始一个一个的扫描，并将相应的逻辑运算结果存储到与之对应的内部辅助寄存器中和输出状态寄存器中去并且进入到下一过程。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
（3）输出的刷新过程
如果全部的指令执行结束以后，会把输出状态寄存器中的数据，一条一条依次送入到输出锁存电路中去，并且通过某一输出方式输出，驱动外部与之相对应的执行元件工作，这就完成了PLC最后的输出。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
2.4PLC的编程语言
PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。
它提供的编程语言通常有以下5种：
梯形图（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
3自动售货机的整体设计
3.1自动售货机控制面板图
自动售货机控制面板图如下，商品展示窗内有六款饮料，每种饮料对应有选择按钮、一个红色指示灯和一个绿色指示灯。
展示窗右侧是一个硬币投放口和一个纸币投放口，下方是两个找零按钮和一个退币口。
出货口位于整体下方。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
图3.1自动售货机控制面板图
3.2电机的选择
自动售货机上有多个电动机，在饮料的输出部分，是由电动机带动弹簧旋转一圈将饮料转出，每种饮料输出都要有一个电动机驱动，因此，需要选择适当的电动机。
但是在自动售货机上使用的电动机一般功率不大，像小罐的饮料自动售货机一般使用额定电压为12~24V，额定功率为3W。
但是要使用直流减速电机，这样可以增大扭矩，使饮料的弹出得到保证。
虽然现在一般使用的电动机大部分为交流电机，但在自动售货机上，售货的时间很短，因此需要在很短的时间内启动，也需要在很短的时间内制动，交流电机不能满足这些要求，因此使用直流电动机比较好。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
表3.1电机参数图
减速电机
额定电压
额定功率
转速
减速比
XINX-37JS
DC+12V
3W
16R.P.M
1:
10
3.3自动售货机的送出结构
目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是一些较典型的送出结构
（1）旋转式送出机构此送出机构把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。
这种送出机构应用最为广泛，它要求电机的转矩较大，造价成本较高。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
（2）转盘式送出机构上面是一个很大的喇叭状罐体存储容器，下面是一个周边有若干个圆槽的转盘，通过转盘的转动使罐体落入转盘周边的槽内而被售出。
这种送出机构也需要较大的转矩来带动和占用较大的空间，而且会发生卡死现象。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
（3）滚筒送出机构该送出机构由一个阶梯梁和滚筒构成，滚筒内可以装若干瓶饮料，通过步进电机来带动滚筒的转动，利用梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离控制商品掉落的顺。
这种机构要求电机有较高的转动精度。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
（4）弹簧推动式送出机构这种机构是由螺旋式弹簧和连在弹簧一端的电机构成的，电机转动一圈就带动弹簧转动一圈，同时推出一瓶饮料。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
本文所设计的饮料传送装置主要由槽轮、推拉杆、推拉销、直线步进电机和前后两边侧板构成,其中槽轮上槽弧的半径为饮料的半径,货道的宽度为饮料罐的直径.如下送出机构示意图所示。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
图3.2送出机构示意图
送出机构主要通过直线步进电机带动推拉杆和推拉销,促使槽轮绕着转动中心作往返转动.直线步进电机运作一次,使槽轮上下各摆动一次.同时,在前后两边的侧板上有导向槽,推拉销在导向槽内来回运动,导向槽的作用是限定推拉杆的运动方向和槽轮摆动角度。
送出机构的工作过程如图8所示,在等待售货的时候,槽轮的槽开口朝下,利用圆轮的完整部分来阻挡上面的饮料.当有售货信号传过来时,直线步进电机开始运转带动推拉杆,推拉杆让轮槽做一次上下摆动。
在槽轮转动的前一半,槽口从向下变换到向上,这样就使饮料掉落到轮槽里面；在槽轮转动的后一半,槽口又从上转到下面,并且携带着饮料转向出货口,同时槽轮的完整圆面又卡住后面的饮料,电机停止工作,这样就完成一瓶饮料的售出。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
3.4钱币识别器
货币识别器有硬币识别器和纸币识别器。
货币识别器是自动售货机中的重要部分，几乎所有的操作都是在识别器工作正常的前提下才能发生的。
硬币识别器分为三部分，一是投币段，二是进币段，再是退币段。
纸币识别器没有退币段。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
3.4.1硬币识别器
（1）硬币识别原理
主要识别指标：
材质、厚度、直径。
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。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
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。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
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。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
（2）产品型号
本次设计使用现成的硬币识别器
图3.3硬币识别器
表3.2硬币识别器参数表
工作电压
适用温度
规格
包装
DC12V±20%
-15～60℃
137mm宽：
71mm高：
124mm
60PCS/箱
产品特点：
1．采用最新微电脑技术，能快速、准确的分辨出一元和五角硬币的真伪。
2．独特的产品结构设计，可防钓鱼、防弯刀。
3．产品内设有CPU系统，是防假币、防电击、防高频高手，性能稳定。
4．可调整投币器的精准度，适合摇摆机、洗衣机、咖啡机、游戏机、
自动售货机等不同场所的需要。
5．结构合理，安装方便。
3.4.2纸币识别器
（1）纸币识别原理
纸币识别器是由主控部分、传感器、去等组件、A/D转换器、外部存储、电机、模式选择、电源版等组成的一个单片机控制系统。
通过多个接口把紫外、磁性、红外穿透引入主控器。
把正常钞票在个传感器中的信号进行统计取样、识别，并寄存下来，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来寄存的信号进行比较、判断。
若有较大差异，则使电机反转。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
纸币相对于硬币来说，识别会麻烦一些，纸币中常常会出现一些假币，所以能
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