基于PLC的自动售货机设计

基于PLC的自动售货机设计

摘要

在科技日新月异的现在社会，自动售货机的应用已经越来越广泛，随着自动售货机的广泛应用，对于它的性能要求越来越高，因此如何设计更为简易便捷的自动售货机显得尤为重要。

本论文以西门子S7-300系列PLC来实现自动售货机的功能控制。本课题设计的售货机能实现投币、购物、退币等功能，且可以进行远程监控。论文首先根据需求对系统做出总体设计；然后对各主要硬件进行了选型且对I/O进行分配；接着根据系统的硬件连接情况编写相应程序实现要求功能；最后编写组态王程序实现系统的远程监控。

关键词：自动售货机 PLC 组态王

I

PLC-based vending machine design

Abstract

In the ever-changing technology and now social, vending machines applications has become increasingly widespread, with extensive use of vending machines, for its performance requirements are high, so how much more simple design is especially convenient vending machines important.

In this thesis, Siemens S7-300 series PLC to achieve functional control of the vending machine. Design of this project can be realized coin vending machines, shopping, coin and other functions, and can be remotely monitored. Firstly, according to the needs of the system to make the overall design; then all the major hardware and a selection of I / O assignment; then write the corresponding program to achieve functional requirements based on the system's hardware connections; finally written procedures for system configuration king remote monitoring.

Key words：Vending machine；PLC；KingView

II

目录

1绪论 .......................................................................................................................... 1

1.1课题的研究背景和意义 ..................................................................................... 1 1.2自动售货机国内外研究现状 ............................................................................. 1 1.3课题研究的安排 ................................................................................................. 3

2自动售货机的整体设计 ..................................................................................... 4

2.1控制系统总框图 ................................................................................................. 4 2.2自动售货机的组成及工作原理 ......................................................................... 4 2.2.1自动售货机的组成 ..................................................................................... 4 2.2.2自动售货机的工作原理 ............................................................................. 6 2.3本章小结 ............................................................................................................. 6

3系统的硬件设计 ................................................................................................... 7

3.1系统硬件结构框图 ............................................................................................. 7 3.2 传感器选型 ........................................................................................................ 7 3.3电动机的选型 ..................................................................................................... 8 3.4 显示屏选型 ........................................................................................................ 8 3.5 PLC的选型 ......................................................................................................... 9 3.5.1 PLC的定义 ................................................................................................. 9 3.5.2 PLC控制系统中的I/O点数计算与分配 ............................................... 10 3.5.3 PLC的选择依据 ....................................................................................... 12 3.6本章总结 ........................................................................................................... 13

4系统的软件设计 ................................................................................................. 14

4.1 软件系统结构框图 .......................................................................................... 14

III

4.2 系统流程图 ...................................................................................................... 14 4.3投币环节设计 ................................................................................................... 15 4.4选择环节设计 ................................................................................................... 16 4.5比较环节 ........................................................................................................... 18 4.6退出环节设计 ................................................................................................... 19 4.7 本章总结 .......................................................................................................... 20

5自动售货机的实现 ............................................................................................ 21

5.1组态王通讯 ....................................................................................................... 21 5.1.1 外部设备定义 .......................................................................................... 21 5.1.2变量动画的连接 ....................................................................................... 22 5.2主界面的设计 ................................................................................................... 24 5.3 实物的实现 ...................................................................................................... 25 5.4本章总结 ........................................................................................................... 27

6 总结与展望 ......................................................................................................... 28

6.1 总结 ................................................................................................................... 28 6.2 展望 ................................................................................................................... 28

参考文献 .................................................................................................................. 29 附录 ............................................................................................................................ 30 致谢 ............................................................................................................................ 42

IV

1绪论

1.1课题的研究背景和意义

自动售货机是一种全新的零售模式。它的起源是在二十世纪七十年代的日本和欧美地区。自动售货机被称为二十四小时营业的微型超市。在日本有四分之三的瓶装饮料是通过自动售货机出售的，类似像全球著名的饮料公司可口可乐公司也有五十万台自动售货机。

自动售货机从1999年进入国内市场，如今，在公园、学校、商场、地铁等人流量较多的地方几乎都可以见到自动售货机的身影。自动售货机的出现是必然趋势，随着日新月异消费模式和销售环境，必然出现新的销售渠道，特别是人流量较大的超市等地方，由于场地限制和便利性要求等因素，自动售货机作为一种必要的销售模式而出现在众人的视线中。

在现今人力资源不足的时代，自动售货机可以很好的填补人力资源不足的空缺，全天候的自动售货机可以更便捷、占地少、成本低的优势。从自动售货机上市以来的实践告诉我们，自动售货机将会很好的契合中国国内的市场需求，必将为国内的饮料等零售商品带来新的商品价值。自动售货机的出现必然将中国的现在文明推入一个更高的水平，因此我认为自动售货机的设计是非常重要的，特别是如何设计更便捷、很实用的自动售货机。

一般的自动售货机都是采用单片机作为控制系统核心，通过单片机作为控制系统将会在输入和输出接口上花费大量的时间，并且该系统的抗干扰能力相对较差。可编程控制器是一种由计算机、自动控制和通讯3种技术综合而来的的新兴工业控制系统技术。可编程控制系统已经在工业控制领域得到了很大程度上的普及，它相比于其他技术拥有更高的可靠性、简单实用且方便等特点。PLC采用可以编制程序的存储器，其中可以分为系统程序与用户程序两种存储器，可以用来执行多种多样的指令，例如逻辑顺序与算术运算、计时、计数等不同种类的指令，它能够通过数字和模拟式来实现输入、输出，控制各种各样的工程器械和运作过程。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、易学易用、体积小、价格便宜等丰富且实用的特点。这些特点与自动售货的现在与未来发展需求向吻合。

1.2自动售货机国内外研究现状

自动售货机在1960年就已经出现在世界上了。当时美国的人们在地铁上就可以在自动售货机上购买口香糖了。这便是最早的自动售货机。自动售货机作为一种新型的销售模式。自动售货机自20世纪80年代以来在美国、日本等发达国家发展迅速，很快的得到普

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及。自动售货机具有科学技术含量高，集光学、机械、电气、安全防伪识别、数字密码、智能软件配套的特点；自动售货机能够24小时全天候的服务，方便快捷，不需要专人盯守售货，可以节省人力资源、节省成本；并且自动售货机的售货范围广泛，它会出现在各种人流量多的地方，人们通过它可以买到食品、香烟、饮料等快捷物品，并且它还可以当成一种新颖的广告模式，各类广告媒体可以在自动售货机上粘贴各种各样的广告。目前，自动售货机已经在越来越多的国家得到了发展。据不完全统计在现今日本、美国、欧洲分别每23、40、60人就可以拥有一台自动售货机。在日本的饮料销售市场中有百分之七十的易拉罐式饮料是通过自动售货机售出的，也就是说相当于每个人一年在自动售货机上就要投入几百美元；根据调查所得，每台自动售货机每年可以售出上万罐不同种类的饮料。据调查美国可口可乐公司在世界各地拥有几十万套自动售货机；据不完全统计，目前为止全世界有1800万台左右的自动售货机已经投入使用，自动售货机的整个行业年销售额已经达到并赶超2500亿美元，由此可以看出自动售货业已成为零售行业中销售额增长最快的行业之一。

我国的自动售货机有百分之七十五都是采用继电器控制的，这类自动售货机的可靠性比较差，程序的设计也相对复杂。从制定方案到控制程序的设计再到具体实施的设计，其工作量繁重，总体设计周期过长。采用PLC来控制自动售货机可以很大程度的缩短总体设计的周期。设计者可以方便的利用编程器上的屏幕显示来设定或修改相应的环节，使控制系统准确无误地反馈到生产要求上。当有新产品出现时，设计人员可以依据新产品的特性对应的在自动售货机上做出相应的修改，修改的内容将会存储到控制系统中，这样操作人员可以方便的做出相应的措施。因此用PLC来控制自动售货机会比用继电器优化很多，这样提高的自动售货机的质量，简便了开发人员与操作人员，同样也方便了顾客的使用，因此开发PLC对自动售货机进行控制是非常具有实际意义。

21世纪的今天，经济随着科技的革新而飞速发展，市场经济的竞争也越来越多，自动售货机的出现很好的符合了这一点。如果自动售货机采用电力机械的方式来控制的，其产生的利润将会大大降低，也会浪费许多不必要的资源；如果使用液压系统来作为自动售货机的控制系统，因为这一技术的硬件软件的要求比较高，并且反应速度比较缓慢，当用于自动售货机时，将会大大降低自动售货机的便利性并且会提高自动售货机的成本。当然还有使用单片机来作为自动售货机的控制核心的，但使用该方法的话会在输入输出接口上花费大量的人力物力，并且该系统的抗干扰性也相对较差。而PLC是一种通过计算机技术、自动控制技术和通讯技术结合而来的一种新兴工业控制技术，它不但可以实现上述几种技

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术可以实现的功能，而且还具有较高的可靠性、编程简易、维护方便等特点。此技术已经在工业控制领域得到了很广的运用。自动售货机作为商品零售的独立设备，那就必须要求它有较高的可靠性，性能稳定并且工作效率高。因此选用PLC作为自动售货机的控制核心可以提高自动售货机的可靠性和稳定性。

如今，中国已经入经济高速发展的时代，在中国自动售货机的普及与发展是一种必然趋势。据可靠报道表明，自动售货机起初是在沿海经济发达的地区出现，并且迅速发展，现在各大中小城市已经基本配备了相应数量的自动售货机。自动售货机最初是在中国的各大机场，火车站等人流量大的地方，现在它已经在各类社区、各类学校得到了普及，可以说自动售货机的市场潜力无限。

1.3课题研究的安排

课题所研究的内容主要是利用可编程将控制器（PLC）改造自动售货机控制系统。因老式的自动售货机控制系统的可靠性不佳，所以对自动售货机的控制系统进行改造，以达到节约资金的目的。因此，对于自动售货机控制系统技术的研究，提高国产自动售货机的技术水平和质量，具有很重要的意义。针对老式自动售货机采用继电器逻辑控制方式存在的功能少、故障率高、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制自动售货机。

论文主要内容如下：

第一章 主要介绍了设计的选题背景及意义、自动售货机的国内外发展现状、PLC在自动售货机的应用及前景、课题研究的内容。

第二章 阐述了自动售货机控制系统的组成及工作原理，确定系统的总体结构。 第三章 完成I/O点分配、PLC选型，完成硬件的选择。

第四章 在分析自动售货机的软件设计方法基础上，设计出相应的控制流程图，根据模块化的编程思想，分模块对自动售货机控制程序进行设计。

第五章 介绍自动售货机系统的软件设计，用组态软件进行组态仿真。

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2自动售货机的整体设计

自动售货机可以出售多种不同商品，其售价是预先贮存在控制系统内。可以识别一元和五角硬币，通过按键选择所需要的商品种类，所选商品会在电机作用下从出货口排出，当有余额时可以选择按退币按钮进行退币。自动售货机的控制系统会对识币、退币、无货检测以及选购信号进行巡回检测。

2.1控制系统总框图

自动售货机的运行模式一般都是先硬币投入，之后通过传感器检测来区分币种，投入钱币后比较价格，大于商品价格时对应商品显示灯亮起并且可以按下所需商品按钮，电动机会工作将所选商品从出货口排出。由此可以画出自动售货机总框图，如图2.1：

图2.1 控制系统总框图

投入一元或者五角硬币后，通过传感器识别区分出币种，通过主控单元来接收人民币识别系统信息，判断是否可以购买商品，通过顾客按键选择商品并确认后通过电动机运作来送出商品。当主控单元识别货币后与贮存在寄存器里的商品价格比较，当投入钱币大于商品价格时，对应的商品指示灯亮。

2.2自动售货机的组成及工作原理

自动售货机售货时，货币传感器对投入的钱币进行识别，如果有假钞则会退回；顾客选择商品后电机就会工作将所选择的商品送出，并且在LED显示屏显示余额。 2.2.1自动售货机的组成

自动售货机由箱体、样品展示窗、商品贮存机构、商品驱动机构、钱币识别系统、微

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电脑控制系统、整机电源和照明系统、制冷制热系统八个部分组成。如图2.2所示

图2.2 自动售货机整体框架

1.箱体

箱体是自动售货机的一个整体框架。 2.样品展示窗

样品展示窗用来展示和明码标价各商品的一个透明橱窗。 3.商品贮存机构

商品贮存机构用于存储所需要销售的商品，在贮存机构内部设有保温装置来商品冷藏保鲜贮备。

4.商品驱动机构

商品驱动机构用于送出商品，使存储在自动售货机里的商品落到取货口中，便于顾客取走所选购的商品。

5.钱币识别系统

钱币识别系统由货币识别器、钱币自动分类贮存机构和退币机构三个部分组成。钱币识别器是一个可独立被采用的机构，它可以识别钱币真假，并且可以将分类贮存好的的不同种货币从出币口送出，实现了退币找零的功能，这一技术是自动售货机的关键技术

6.PLC控制系统

PLC控制系统是一种电控系统，它控制着自动售货机在销售过程中识币，自动累计、

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外部金额显示、自动送出商品和发出退币找零等的各种功能。

7.整机电源和照明系统

整机电源拥有稳压、变压分配、防干扰和防漏电等保护功能，照明系统负责样品展示窗的照明。

8.制冷和制热系统

制冷和制热系统可以实现商品的冷热调节，在自动售货机的保温贮存室内，还可以实现商品恒温保存。

2.2.2自动售货机的工作原理

当顾客通过自动售货机卖商品时，首先通过投币口将钱币投币，系统检测投入钱币的数目并保存到寄存器中，然后选择所需要商品的按键。投入的钱币通过价格比较器与系统内部已存储好的商品价格进行比较，如果投入钱币小于存储好的商品价格，那么顾客需要再投入一些钱币，系统会把这次投入的钱币与之前投入的的进行累加，继续比较，直到投入的钱币大于给定的商品价格，这时候顾客就能选购商品了。当顾客按下某个商品的选择按钮时，商品就会从出货口送出，这时候把投入钱币减去选购商品价格，算出剩余钱数，并发出找钱信号，把剩余钱从出币口送出。自动售货还把每次卖出商品的价格通过累计器进行累加，通过在寄存器上储存累加后在屏幕上显示总价钱，方便顾客查询。

2.3本章小结

本章节中重点介绍了自动售货机控制系统方案的设计。首先在第一节我们介绍了本次设计中所需要实现的控制要求，对我们的设计有了明确的指导方向。第二节中我们介绍了控制系统的框图，从中我们可以了解自动售货机的是如何利用PLC实现控制系统的设计的。最后介绍的是自动售货机的组成及其工作原理，让我们对自动售货机有了更进一步的了解

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3系统的硬件设计

自动售货机的硬件设计需要涉及到5种不同的部分，分别是传感器，按钮，PLC，电机，显示屏，缺一不可。本章将针对这5种不同的部分来进行详细的介绍和选择合适本次设计的硬件型号。

3.1系统硬件结构框图

根据自动售货机实际工作要求需要按键来实现选择商品，通过传感器识别货币面值和真伪，通过电机来推出商品并且需要显示屏来显示相关信息，由此可以将自动售货机的硬件系统画成如下框图，如图3.1所示：

传感器电机PLC按钮指示灯

图3.1系统硬件结构框图

3.2 传感器选型

在自动售货机中传感器是必不可少的一部分，它的好坏可以影响到自动售货机性能的优良，因此对于选择合适的传感器是非常重要的。本次设计我选用的是石珍ZDF-1551-1传感器，它的具体参数如下表3.2所示；

表3.2 传感器参数表

品牌 石珍 型号 ZDF-1551-1 类型 直通式 额定电压 AC220V 工作温度 常温 本设计的自动售货机的钱币识别是通过选用电磁传感器来实现。国家发布的一元和五角硬币都是经过特殊制造工艺知道的的金属合金，当这些硬币通过投币入口经过传感器时，就会进入一个由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场，不同硬币的材质和大小会对电感量的大小产生一些影响，电感量大小的变化能够引起振荡频率的改变，然后通过窄带选频电路将频率信号转换成电压信号并且输出来完成对不同种类硬币的识别。同时每张5元、10元真钞一些地方是用磁性油墨特殊印刷的，因此可以用磁头对这两类纸币的

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进行磁性检测，通过这一种方法就可以达到记录钱币的投入和辨别钱币的真伪的功能。电磁传感器如图3-3：

图3-3传感器

3.3电动机的选型

自动售货机上有几个不同功能的电动机，在饮料的输出部分电动机的作用是带动弹簧旋转一圈将储存在自动售货机中的饮料转出，每一种饮料的送出必须要有一个与之对应的电动机来给它驱动，因此，选择合适的电动机变得尤为重要。在自动售货机上使用的电动机的功率一般都不大，类似饮料的自动售货机一般都是使用额定电压为12到24V，额定功率为3W的电动机。因为所售商品是饮料，所以要使用直流减速电机，该电机增大了扭矩，就使得贮存在自动售货机里德饮料的能够得到缓慢的送出。

现在在各类机械上使用的电机一般都是交流电机，但是因为自动售货机的售货的时间比较短，电机需要在较短的时间内启动与制动，交流电机不能满足这些要求，因此在本次设计中使用直流电动机较为合适。电动机选型如表3.4所示：

表3.4 电动机选型

减速电机 XINX-37JS 额定电压 DC+12V 额定功率 3W 转速 16R.P.M 减速比 1：10 3.4 显示屏选型

自动售货机中的投入钱币等信息为了供使用者清楚的了解到，因此需要选择一块合适的显示屏来显示相关信息。通过对比几种不同种类的显示屏与数码管，最终选用LED数码管来显示相关的信息。LED数码管与其它屏幕显示器相比,它主要有以下几个特点： 1、LED数码管的亮度比较高，因此能够二十四小时供人使用；2、LED数码管的使用寿命比较长；3.LED数码管可以方便的与计算机接口，可以单机控制也可以多台联机控制；4.LED数码管控制方便其编排方式任意，适合各种工程需求。LED数码管如图3.5：

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图3.5 LED数码管

3.5 PLC的选型

PLC的硬件主要有中央处理器(CPU)、输入单元、输出单元、存储器、通信接口、扩展接口、电源这七个部分组成。其中，CPU是PLC的核心；输入单元与输出单元实现了CPU与所需连接的输入和输出设备之间的连接；通信接口是用来连接编程器与上位机等的外部设备，它的硬件结构图如图3.6所示：

输入 接口 中央处理单元 （CPU） 输出 接口 外部 设备 接口 存储器 系统 用户 数 程序 程序 据 编程器 I/O 扩展 接口 图3.6 PLC硬件结构图

3.5.1 PLC的定义

PLC是一种数字式的电子设备，它使用了可用来编程的存储器来存储相应指令，能够完成多种计算功能，例如逻辑、顺序、计数、计时和算术运算等功能，PLC能够通过数字或模拟式的输入与输出模块实现控制各种工程机械和各类生产过程。PLC的全称是可编程逻辑控制器，它是一种通过数字逻辑运算来实施各类操作的电子系统，专门为在工业环境下的使用电子操作系统的各类机械应用而设计的。它使用一种可编程的存储器用来在内部存储相关程序、执行逻辑运算与顺序的控制、定时、计数与运算操作等可供用户使用的指令，并通过数字量的输入输出与模拟量的输入输出来控制各种类型的工业机械与生产过程。

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DCS是一种可以将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品，它是一种集散型控制系统，并且是一种在模拟量回路控制较多的工业机械中广泛使用，同时能够控制中出现的危险可能分散,。DCS由控制器、I/O板、操作站、通讯网络、图形及编程软件5个部分组成。

图3.7 西门子PLCs7-300外部图

如图3-7西门子PLCs7-300外部图，也是我们本次设计中PLC所要选用的型号。我们之所以选用PLC来实现对自动售货机的控制的，主要是因为PLC控制有许多如下的特点：

(1)使用方便，编程简易

(2)指令循环周期比较短、处理速度快

(3)指令集的功能十分强大，可用于复杂功能场合 (4)产品设计紧凑，可用于空间有限的场合 (5)模块化结构，设计更加灵活 (6)有不同性能档次的CPU模块可供选择 (7)功能模块和I/O模块可选择

同时PLC的功能也非常全面，它拥有条件控制、定时/计数控制、数据处理、步进控制、A/D与D/A转换、运动控制、过程控制、扩展、远程I/O、通信联网、监控功能这11个功能，可以说是功能强大。

3.5.2 PLC控制系统中的I/O点数计算与分配

根据自动售货机的控制特点，输入信号应包括如下部分： （1）投币检测

根据设计要求需要一元、五角、五元和十元四种钱币数值，因此需要四个投币按钮，也就是需要四个输入信号。

（2）选择按钮

本设计共有3种饮料，分别是汽水、花茶、咖啡，因此需要3个按钮来对应选择商品，还有一个选择一元五角按钮同，因此总共需要4个输入信号。

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（3）退币按钮

所有自动售货机都需要一个退币按钮来退换多余的钱币，因此次环节需要1个输入信号。

应共需要输入点9个。 输出信号应包含如下部分： （1）出币指示灯

共2个，分别指示出币一元和出币五角。 （2）展示商品指示灯

共3个，分别是汽水指示灯、咖啡指示灯、花茶指示灯。 （3）出货商品指示灯

共3个，分别是出货汽水指示灯、出货花茶指示灯、出货咖啡指示灯。 （4）商品不足指示灯

共3个，分别是物品1（汽水）不足、物品2（花茶）不足、物品3（咖啡）不足。 综上所述，共需要输出点11个。

本设计共占用PLC的20个I/O口，9个输入接口与11个输出接口。具体的I/O分配表如表3.8所示：

表3.8 I/O分配表

输入 投币1元 投币5角 选择1元5角 投币5元 投币10元 汽水按钮 花茶按钮 咖啡按钮 退币按钮 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 出币指示灯 汽水指示灯 花茶指示灯 咖啡指示灯 出货汽水指示灯 出货花茶指示灯 出货咖啡指示灯 物品1不足 物品2不足 物品3不足 假币报警 输出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2

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3.5.3 PLC的选择依据

当本设计选择由PLC来完成后，选择合适的PLC就变的尤为重要。所需要选择的PLC容量大小第一要能够满足设计任务的控制要求外，第二要考虑留出适当的余量当做备用。一条逻辑指令占用一个字，类似计时、计数、算术运算等指令需要占用存储器一定量的存储空间。因此在选择存储器容量时，一般按照实际需要的百分之十到百分之二十五来考虑留出余量。I/O点数选择应该多出按实际需要的百分之十到百分之十五来考虑备用。存储器所需要的存储容量的大小是由用户设计的程序长短多少来决定。I/O点数是用输入端口输入的点数和输出端口输出的点数的合来表示的。I/O点数的多少就意味着外部输入与内部输出的多少，也表明了一个工程规模的大小。国际上将PLC分为3类，第一类I/O点数在256点以下的称为小型PLC，第二类I/O点数在64点及64点以下的称为微型PLC，第三类I/O点数总在2048点以上的称为大型机。PLC容量可以分为I/O的点数和用户存储器的容量两个方面。

本设计任务选用的是微型PLC，其中外部输入端分别有一元、五角、五元、十元投币口，汽水、咖啡、花茶选择按钮，退币按钮；外部输出端有汽水，咖啡，花茶指示灯，退币指示灯，汽水、咖啡、花茶送出指示灯，物品1（汽水）、物品2（花茶）、物品3（咖啡）不足指示灯；因此本控制系统所需要的的I/O输入点数为9个，I/O输出点数为11个。根据以上分析，可选用西门子PLC S7-300来设计，这种类型的PLC能够满足本设计的功能需求，简单方便，易于编程，符合设计需要。

自动售货机系统是一个小型的PLC控制系统，PLC选型主要依据控制系统输入、输出口的数量、所编写程序的长短以及需要实现的功能。根据控制要求，I/O点数在25个左右，选择性能相对合适的西门子S7-300，本设计需要的输入点为9个，需要的输出点数为11个。

通过分析了解各个控制对象的控制要求，完成自动售货机控制系统的硬件结构设计。在本设计中投币按钮、选择钱币按钮、选择饮料按钮、退币按钮为输入端口；商品指示灯、商品出货指示灯、退币指示灯为输出端口。通过PLC能实现对这些功能进行很好的控制；同时还需要电机来进行对饮料的送出动作。当有钱币投入时，控制系统内部对货币进行真伪识别，若识别出货币是假钞时，系统会自动报警并退回该货币。

根据上述分析，画出PLC硬件接线图，如图3.9所示：

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投币1元 投币5角 选择1元、5角 投币5元 投币10元 汽水按钮 花茶按钮 咖啡按钮 退币按钮 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 COM Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 COM 24V X ○X ○X ○X ○X ○X ○X ○X ○X ○X ○X ○出币指示灯 汽水指示灯 花茶指示灯 咖啡指示灯 出货汽水指示灯 出货花茶指示灯 出货咖啡指示灯 物品1不足 物品2不足 物品3不足 假币报警 P L C 图3.9 硬件接线图

3.6本章总结

本章主要介绍了自动售货机的硬件设计，其又分为PLC的硬件设计、传感器的选型、电动机的选型3个部分。在PLC的硬件设计中我们首先介绍了PLC的定义及特点，根据计算I/O口的分配确定了PLC的选型并绘出PLC的外部接线图；在传感器选型中介绍了所选传感器类型以及原理；在电动机的选型中讲述了电动机选择的依据与类型。

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4系统的软件设计

软件设计需要制定相应的程序流程图，通过流程图来一步一步的编写程序实现自动售货机的功能。本软件设计将会采用模块的变成，把总设计分成4个不同的模块来编写。

4.1 软件系统结构框图

为了让自动售货机使用方便、快捷，因此对于它的软件编写显得尤为重要。本设计将自动售货机分为几个部分来编写，分别有投币环节、选择环节、比较环节、退出环节。如图4.1：

图4.1 程序结构框图

4.2 系统流程图

根据自动售货机在实际生活中的运行可以将自动售货机的工作过程画成如下流程图（图4.2），该流程图直观的展示了自动售货机的工作流程。

首先系统进行初始化，检测自动售货机内部是否有货，当没有货物时会启动报警，有货物的话就开始正常运行；当有顾客投入钱币后，系统会进行对钱币的检测，发现是假币的话就会发出假币报警，如果是真钞，那么开始钱币累加，当满足商品价格时，顾客就能通过按下对应商品按钮选购商品了；当顾客买完商品后，系统内部检测是否有余额，如果有就送出物品并在几秒后退出钱币，如果没有则直接送出物品。

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开始系统初始化N是否有货?Y投入钱币报警N判断真伪Y假币报警钱币累加并显示N满足商品价格Y选择商品是否有余额N送出物品Y退币、送出物品 图4.2 系统流程图

4.3投币环节设计

投币环节设计应该满足：

（1） 当顾客投币一元时，贮存并累加 （2） 当顾客投币五角时，贮存并累加 投币一元计数：

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图4.3.1 投币1元

投币五角计数：

图4.3.2 投币5角

投币五元计数：

图4.3.3 投币5元

当投币按钮按下时，M0.0接收一个上升沿脉冲，这是ADD模块输出=IN1+IN2，每当MO.O接收一个上升脉冲，ADD模块每次累加，这样就实现计数投入钱币的功能。

4.4选择环节设计

选择环节的设计可以分为选择饮料部分和选择钱币部分两种； （1）选择饮料部分

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选择汽水：

图4.4.1 选择汽水

选择花茶：

图4.4.2 选择花茶

（2）选择钱币部分： 选择出币1元或5角

图4.4.3 选择1元

图4.4.4 选择5角

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4.5比较环节

比较指令在PLC控制系统中起着非常重要的作用，是一条非常重要的指令功能，如图4-5-1所示它将IN1和IN2中的数据进行比较，下图是CMP>1比较，当IN1大于IN2是，执行CMP指令，把IN1给到下一个环节中

图4.5.1 比较程序

运算指令有加法运算和减法运算，运算指令是用来计算钱币的总值和剩余的钱币。 加法运算：加法运算指令是把指定的元件相加，再把结果送到指定目标中，如图4-6-2所示，当每投入一元时， IN1都会与IN2累次相加起来。

图4.5.2 加法运算

减法运算：减法运算指令是把指定元件二者相减，把结果送到指定目标中，如图4-6-3所示，当每出货一件物品时，系统中的物品存量会累次减一。

图4.5.3 减法运算

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4.6退出环节设计

退出环节分为退币和出货两部分； （1）退币部分

当用户投入钱币后在限定的时间内，本设计中限定时间为2分钟，不按任何按键，或者当顾客投入钱币之后不想购买商品了，按下退款按钮，那么自动售货机就会将钱币退还给顾客；如果用户在成功购买了一件商品后20秒内没有任何操作，那么自动售货机就会自动将剩余的钱币退还给顾客；

图4.6.1 退币程序

（2）出货部分

当按了所需要的商品时，并且投入金额达到或超过所选商品价格时，商品就会从商品排出口排出；如图4-7-2所示是选择汽水，当投入钱币大于或等于汽水价格时，按下汽水按钮汽水就会从出货口排出（用出货指示灯代替）。

图4.7.2 出货程序

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4.7 本章总结

本章主要介绍了自动售货机控制系统的软件设计。本次我采用的是模块化编程，将控制系统程序分块进行编程设计。分为了投币程序、选择程序、内比较与运算程序、退币程序5个模块进行设计。最后将这5个模块的程序结合起来组成自动售货机控制系统的完整程序。

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5自动售货机的实现

5.1组态王通讯

5.1.1 外部设备定义

外部设备就是组态王把需要与之交换数据的设备。外部设备包括：PLC等，它们正常都是是通过串行口与上位机进行数据交换的。只有当外部设备定义了之后，组态王才能通过I/O变量与之交换数据。

在工程浏览器中选择“COM1”，双击“新建”，运行“设备配置导向”。选择“PLC”中“西门子”、“S7-300系列”、“MPI（串口）”，单击“下一步”为外部设备取一个名称，输入“XMZPLC”，单击“下一步”为设备选择连接串口，选择为COM1端口，单击“下一步”填写设备地址设为1，单击“下一步”检查各项设置是否正确，确认无误后单击“完成”。在定义数据库变量时，只要把IO变量连接到该外部设备上即可，这样就可以与组态王实现数据交换了。

外部设备的定义如下图5.1.1所示：

图5.1.1 外部设备定义

串口设置如图5.1.2所示：

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图5.1.2 串口设置

5.1.2变量动画的连接

动画连接就是把所建立图素与建立的数据库变量进行关联对应。对于我所建立的自动售货机监控画面，分别对其中的投币按钮、选择按钮、退币按钮等进行动画连接的设计。下面将分别对这些内容进行介绍：

（1）投币按钮

在画面上分别画出一元、五角、五元和十元四个按钮，然后进行动画连接设计。双击投币一元和、投币五角、投币五元和投币十元按钮，打开“按钮向导”，选择“按下时”、“弹起时”，分别打开命令语言，编写命令语言。具体见图5.1.3：

图5.1.3 投币按钮动画连接

（2）商品按钮

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在画面上分别画出汽水、花茶、咖啡按钮，然后进行动画设计。双击汽水按钮，打开“按钮向导”，选择“按下时”、“弹起时”，分别打开命令语言，编写命令语言。如图5.1.4所示：

图5.1.4 商品按钮动画连接

（3） 信号指示灯

信号指示灯分为商品指示灯、退币指示灯和报警指示灯，其中商品指示灯又分为汽水指示灯、花茶指示灯、咖啡指示灯。对这些指示灯进行动画连接，双击指示灯打开“指示灯向导”，在变量中建立Q0.5（即咖啡指示灯），如图5.5所示：

图5.1.5 指示灯动画连接

（4） 命令语言编写

命令语言编程如图5.1.6所示；

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图5.1.6 命令语言编写

5.2主界面的设计

根据本设计要求，组态王需要建立9个按钮，分别是汽水按钮，花茶按钮，咖啡按钮，投币1元按钮，投币5角按钮，投币5元按钮、投币10元按钮和退币按钮，选择1元、5角按钮还有找零按钮；需要11个指示灯，分别是汽水按钮指示灯、汽水指示灯、花茶按钮指示灯、花茶指示灯、咖啡按钮指示灯、咖啡指示灯、报警指示灯还有找零指示灯，同时还有3种商品货物不足的指示灯。当投币达到货品的价格时，对应的货品按钮指示灯就会亮，这时候就可以选择所需要的货品了；当按下货品按钮时，对应货品指示灯就会闪烁；按下找零按钮时，剩余的钱币会自动排除。根据本设计的要求完成组态王的设计，如图5.2：

图5.2 主界面设计图

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5.3 实物的实现

由于自动售货机实际运行情况复杂多变，并且实验室条件有限，因此在本次实物的实现中，仅用指示灯来模拟投币、选择货品两个模块的运行来演示。当任意按下4个投币按钮，控制系统就会将钱数累加；当钱数达到商品的价格时，对应商品指示灯亮起，这时候就可以选择商品了，按下商品按钮，商品出货指示灯亮起。通过这两个模拟可以基本概括自动售货机的运行过程。接线图如图5.3.1所示：

图5.3.1 接线图

要对程序进行调试首先要将编写好的控制程序写入到PLC机器中，然后开启监控模式，使PLC处于“RUN”的模式，接着按顺序按下始投币按钮、选择按钮与退币按钮，观察指示灯是否按预计效果亮起熄灭并且对照设计的控制要求，一一检查各类功能是否能够得到实现。下位机调试完成后，开始进行联机调试。在联机调试时通过组态王中操作组态界面上的按钮来控制硬件部分的动作，观察组态界面的动画与硬件模块的动作是否一致。并进行调试与修正。

本程序设计已经预设了商品数量，因此可以直接进行投币。在本次设计中，将会分为4种不同面值的钱币的钱币按钮，有0.5元投币按钮，1元投币按钮，5元投币按钮，10元投币按钮。利用这些按钮进行模拟自动售货机的投币。每按一次按钮，就会增加对应按钮的数值，并在投币显示框上显示出来。当投币金额满足商品价格时商品下方的红色指示灯就会变绿。这是就可以购买商品了如图5.3.2所：

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图5.3.2 商品指示灯

当按下商品购买按钮时，对应的商品价格就会在需要钱数上显示出来，并且商品下方的指示灯会闪烁，如图5.4.3当按下咖啡按钮时，对应的咖啡价格在需要钱数上显示，并且咖啡下方的指示灯变成蓝色闪烁。

图5.3.3 咖啡选择

当购物完成后或者投币后不想购物了，就可以按下找零按钮，这时候找钱指示灯就会闪烁，钱币就会清零并从出币口送出，如图5-4-4：

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图5.3.4 找钱指示灯

5.4本章总结

在本章节中主要介绍了组态画面的动画运行仿真。首先介绍了组态软件的应用，在本次设计中我们的组态仿真选择的是组态王这款软件。紧接其次我们介绍了变量动画连接，在动画连接中我们选取介绍了自动售货机中的一些主要部件的连接方法：投币按钮、商品按钮、信号指示灯等。之后我们介绍了基于组态王的画面设计，由此我们绘制出模拟现实生活中自动售货机运行的画面。

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6 总结与展望

6.1 总结

论文讲述了从自动售货机的起源到现在国内外发展的现状。详细的介绍了自动售货机的组成以及功能，还有PLC的选型并且介绍了PLC得组成、特点、工作原理，并且对基于PLC自动售货机的优点进行详细的阐述。

通过本次设计，使我对有关PLC的知识有了更详尽的了解，让我知道了PLC的各类优点特性，同时通过实际的编程操作并且与PLC相连，使我对PLC内部程序的编写与各类功能块的运用有了很大的提高。在本次论文设计中通过查阅文献，搜集资料，综合分析，使我分析解决实际问题的能力也有了显著地提高。在自动售货机的具体的设计过程中，通过老师和周围同学的指导与帮助并通过自己的不断摸索、学习，掌握了许多设计方法并且开拓了设计思路，为以后在实际工作过程中解决问题打下了重要的基础。

6.2 展望

本次自动售货机设计方案由于设备限制因此相对简便，比较适合将其放置在学校、超市等人流量多的公共场所。本次设计的自动售货机系统还不是十分完善，因为条件限制没有能够设计温控系统，所以不能实现商品的冷热调节和恒温保存。对于这些不完善的地方的希望在以后的工作生活中能够得以解决。

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参考文献

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[4]张凤珊主编.电气控制及可编程控制器.第2版.北京:中国轻工业出版社.2003 [5]钟肇新等编.可编程控制器原理及应用..第四版.广州:华南理工大学出版社,2008 [6]廖常初主编.PLC基础及应用.第2版.北京:机械工业出版社.2008 [7]王卫兵主编.《传感器技术及其应用实例》.基业工业出版社.2013

[8]（美）Amiya Nayak主编.郎为民译.《无线传感器与执行器网络》.机械工业出版社.2012 [9] 廖常初．《PLC基础及应用》．北京:机械工业出版社，2004.

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附录

附录1：自动售货机程序

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