電氣控制與PLC自動售貨機的控制設計

1、電氣控制技術課程設計題 目: 自動售貨機的控制設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣F1201 學生姓名： 鄒海宏 學 號： 201223910311 指導教師： 王艷芳 成績：指導老師簽名： 日期： 0電氣控制與PLC課程設計任務書學生姓名鄒海宏專業(yè)班級電氣F1201學號201223910311題 目自動售貨機的控制設計課題性質工程設計課題來源自擬課題指導教師王艷芳主要內容運用所學的理論知識，進行自動售貨機運行原理設計、硬件、軟件系統(tǒng)設計主要內容包括：1. 設計出硬件系統(tǒng)的接線圖、梯形圖等；2. 系統(tǒng)有啟動、停止功能；3. 運用功能指令進行PLC控制程序設計；4. 進行系統(tǒng)調試，實

2、現(xiàn)自動售貨機的控制要求。任務要求第1天：熟悉課程設計任務及要求，針對課題查閱技術資料。第2天：確立方案，初步選定各部分框圖。第3-4天：電路控制原理設計，軟件編程，進行系統(tǒng)聯(lián)調。第5天：撰寫課程設計報告。主要參考資料1程憲平主編.機電傳動與控制M.武漢：華中科技大學出版社，2003.2鄧星鐘.機電傳動控制M. 武漢：華中科技大學出版社.3王永華編.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術M.北京：北京航空航天出版社，20084殷洪義主編.可編程控制器選擇設計與維護M.北京：機械工業(yè)出版社，20025程子華，PLC原理與實例分析M.北京:國防工業(yè)出版社，20066高欽和，可編程控制器應用技術及其設計實例M.

3、北京:高等教育出版社，2004審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日II 目 錄 1 系統(tǒng)概述 .12 方案論證 .22.1 PLC系統(tǒng)控制介紹 .22.2 總體設計思路 .33 硬件設計 .43.1 系統(tǒng)的原理方框圖 .43.2 主電路 .53.3 I/O分配 .63.4 I/O接線圖 .63.5 元器件選型 .73.5.1 PLC的選型 .83.5.2 CD4511 七段數(shù)碼管譯碼器 .94 軟件設計 .10 4.1 主流程 .104.2 梯形圖 .115 系統(tǒng)調試 .15設計心得 .16參考文獻 .181 系統(tǒng)概述 自動售貨機是能根據(jù)投入的錢幣自動付貨的機器。自動售貨機是商業(yè)自動化的

4、常用設備，它不受時間、地點的限制，能節(jié)省人力、方便交易。是一種全新的商業(yè)零售形式，又被稱為24小時營業(yè)的微型超市。能分為三種：飲料自動售貨機、食品自動售貨機、綜合自動售貨機。自動售貨機最基本的功能是對投入的貨幣進行運算，并根據(jù)所投入的貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應的反映。本次設計的自動售貨機設有6個按鈕，分別可以實現(xiàn)啟動、停止、選擇三種飲料和退幣六種操作，并且有3個投幣孔，投入的錢的總額和剩余的錢的總額可以通過外接的兩片LED數(shù)碼管顯示，同時可以根據(jù)消費者投入的總額限制可購買的商品，可以退回多余的錢幣。本次設計能很好的完成對自動售貨機的控制，使用起來快速方便，可以滿足使用者的需求

5、。可編程控制器（PLC）是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關量邏輯控制為主的自動控制裝置 ；它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入的開關量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術運算等處理后，以開關量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC的發(fā)展與計算機技術、半導體技術、控制技術、數(shù)字技術、通信網(wǎng)絡技術等高新技術的發(fā)展息息相關，這些高新技術的發(fā)展推動了PLC的發(fā)展，而PLC得發(fā)展又對這些高新技術提出了更高更新的要求，促進了他們的發(fā)展。本次設計就在于結合PLC的種種優(yōu)點聯(lián)系實際情況來彌補原有系統(tǒng)的不足，利用PLC控制的自動售貨機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了自動售貨機

6、能夠長期穩(wěn)定的運行。PLC控制的自動售貨機系統(tǒng)主要有三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關（分別為啟動按鈕、停止按鈕、退幣按鈕、汽水選擇按鈕、花茶選擇按鈕和咖啡選擇按鈕）、三個指示燈（分別為汽水指示燈、花茶指示燈和咖啡指示燈）、和兩個七段數(shù)碼管。傳感器用來接收投幣信號，傳送投幣量的多少；按鈕開關分別對系統(tǒng)功能進行控制，當投入的錢幣夠某一種飲料時，按下這種飲料的選擇按鈕時才會有飲料送出，有剩余錢幣時，還可以通過按下退幣按鈕來找回剩余錢幣；三個指示燈分別用來只是哪種飲料可以選擇，只有投幣量大于或等于這種飲料的價格時，這種飲料的指示燈才會亮；同時，還有兩個七段數(shù)碼管，用于顯示當前剩余的總錢幣。具

7、體對自動售貨機的控制要求如下：1自動售貨機有3個投幣孔，分別為1元、5元和10元。2售貨共有3種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。3如投幣總額超過銷售價格，將可由退幣鈕找回余額。4投幣總額或當前值顯示在7段數(shù)碼管上。5投幣值等于或大于12元時，汽水指示燈亮，表示只可選擇汽水。6投幣值等于或大于15元時，汽水和花茶指示燈亮，表示只可選擇汽水和花茶。7投幣值等于或大于20元時，汽水、花茶和咖啡指示燈亮，表示3種均可選擇。8按下要飲用的飲料按鈕，則相對應的指示燈開始閃爍，3s后自動停止，表示飲料已經掉出。9動作停止后按退幣鈕，可以退回余額，退回金額如果大于10元，則先退10元再退1元，如果小于10

8、元則直接退1元的。2 方案論證2.1 PLC控制系統(tǒng)介紹 PLC是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關量邏輯控制為主，具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入的開關量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術運算等處理后，以開關量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產過程的自動控制裝置。具有以下特點: 1) 可靠性高，抗干擾能力強；無觸點免配線，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境 。 2) 編程簡單，容易掌握；采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設計相似 。 3) 功能完善，靈活方便；不僅有開關量邏輯控制功能和步進、計數(shù)功能，還具有模擬量處理、溫度

9、、位置、通信等功能。 4) 體積小，質量小，能耗低； 采用大規(guī)模集成電路芯片構成。 圖2.1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟流程圖2.2 總體設計思路 自動售貨機是可以完成無人自動售貨的商業(yè)自動化設備。他不受任何場地限制，方便快捷，在我國也越來越普及，傳統(tǒng)的自動售貨采用單片機作為控制核心，但這樣在輸入輸出接口上消耗很大。PLC不但可以實現(xiàn)類似控制功能，還具有高可靠性，編程簡單，功能強，能耗低，調試方便等優(yōu)點。自動售貨機的基本功能就是對投入的錢幣數(shù)進行計算，然后根據(jù)運算結果做出相應的判斷，看看哪種商品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設計的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按

10、鈕進行模擬，自動售貨機共出售三種貨物，其價格分別定為12元、15元、20元，當投幣數(shù)大于等于貨物價格時且售貨機里有這種貨物時，指示燈亮，表示可以進行購買，三種貨物分別用三個小燈泡代替進行模擬。除此之外，本次設計還涉及了了顯示、找零、出貨等功能的實現(xiàn)，其中顯示部分采用數(shù)碼管進行顯示，顯示投幣總數(shù)和購買后的余額；當按下找零按鈕后，數(shù)碼管顯示進行清零退幣，且退幣指示燈閃爍。由于售貨機的全部功能是在下位機上模擬的，而監(jiān)控是用上位機組態(tài)王進行實時監(jiān)控。所以售貨機的部分硬件是由計算機軟件來模擬替代的，這些并不會影響實際程序的操作，完全能模擬現(xiàn)實售貨機的運行。 圖2.1 自動售貨機的順序功能圖 3 硬件設計

11、3.1 系統(tǒng)原理方框圖自動售貨機是售汽水、花茶和咖啡這三種飲料，它的售貨過程是：首先由顧客按下商品選擇開關，然后顧客投入的硬幣（投入硬幣的面值和剩余值由PLC驅動數(shù)碼管顯示）經過光傳感器感應，再由光傳感器驅動硬幣識別傳感器識別硬幣。然后由顧客選擇，同時PLC控制，使PLC的輸出口上有相應的信號輸出。最后輸出飲料。 自動售貨機控制系統(tǒng)硬件組成原理方框圖如圖所示：圖3.1 自動售貨機控制系統(tǒng)硬件組成原理方框圖3.2 主電路圖3.2 自動售貨機的主電路3.3 I/O分配 輸入輸出單元通常也叫I/O單元，是PLC與工業(yè)生產現(xiàn)場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為

12、PLC對被控對象進行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理的結果送給被控對象，以實現(xiàn)控制目的。此次設計的PLC控制的自動售貨機控制系統(tǒng)的I/O分配表如下：表3.3 自動售貨機 I/O分配表輸入輸出輸入點功能輸出點功能X01元投幣孔ST1Y0夠買汽水指示燈X15元投幣孔ST2Y1夠買花茶指示燈X210元投幣孔ST3Y2夠買咖啡指示燈X3選擇汽水SB1Y3Y9數(shù)碼管顯示X4選擇花茶SB2Y10送出汽水X5選擇咖啡SB3Y11送出花茶X6退幣Y12送出咖啡X7啟動Y13退出10元X8停止Y14退出1元3.4 I/O接線圖 根據(jù)要求，將輸出均用指示燈代替，由此繪出PLC控制電路接線圖，如圖所示。圖

13、3.4 自動售貨機I/O接線圖3.5 元器件選型自動售貨機的基本功能就是對投入的錢幣數(shù)進行計算，然后根據(jù)運算結果做出相應的判斷，看看哪種商品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設計的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進行模擬，自動售貨機共出售3種貨物，其價格分別定為12元、15元、20元，當投幣數(shù)大于等于貨物價格時，該種貨物的指示燈亮，表示可以進行購買，3種貨物分別用3個信號燈進行指示。除此之外，本次設計還涉及了顯示、找零等功能的實現(xiàn)，其中顯示部分采用數(shù)碼管進行顯示，PLC的外圍接口由兩個CD4511連接兩個數(shù)碼顯示管，以顯示投幣總數(shù)和購買后的余額；當按下找零按鈕

14、后，數(shù)碼管顯示進行清零。整個系統(tǒng)由三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關、三個指示燈、和兩個七段數(shù)碼管和兩片CD4511組成。 圖3.5.1 PLC硬件結構圖3.5.1 PLC的選型 PLC的硬件主要由中央處理器，存儲器，輸入單元，輸出單元，通信接口，擴展接口，電源等幾部分組成。其中，CPU是PLC的核心；輸入/輸出單元是CPU與現(xiàn)場輸入/輸出設備之間的接口電路；通信接口用于連接編程器，上位計算機等外部設備?，F(xiàn)在世界上PLC的生產廠家有200多家，提供400多個品種的PLC供用戶選擇，目前我國市場上主要的PLC產品有：西門子公司的S7-400/300/200系列、施奈德公司的momentu

15、m等、還有就是日本的歐姆龍、三菱、松下等公司的產品。西門子公司生產的PLC可靠性高，特別適用于大的工業(yè)控制系統(tǒng)，造價比較高，對于小型的自動售貨機的控制系統(tǒng)來說成本過高。相反，目前我國市場上主流的小型的三菱PLC就比較合適，三菱公司生產的小型PLC的代表為FX-2N系列的PLC、它具有豐富的內部資源：程序存儲器具有16K步的最大存儲容量，128種應用指令，還具有184點8進制編號的輸入點數(shù)，184點8進制編號的輸出點數(shù)，普通型、掉電保持性和賦予特殊用途型三種內部繼電器，以及狀態(tài)寄存器、定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、常數(shù)與指針等功能與資源?？煽啃愿摺⒃靸r低，對于自動售貨機的控制中心就特別的合適。因此

16、，本次設計采用的PLC為三菱公司生產的FX-2N系列單片機。3.5.2 CD4511七段數(shù)碼管譯碼器CD4511是一組用來作為BCD對共陰極LED七段顯示器譯碼的包裝。其引腳圖，其各引腳功能如下： LT：做燈泡測試用，當LT=0，則不論其它輸入狀態(tài)為何，其輸出abcdefg=1111111，使七段顯示器全亮，即顯示8，以便觀測七段顯示器是否正常。當LT=1，則正常解碼。BI：空白輸入控制，當BI=0 (LT 為1 時) 則不論DCBA 之輸入為何，其輸出abcdefg皆為0，即七段顯示器完全不亮，此腳可供使用者控制僅對有效數(shù)據(jù)譯碼，避免在無意義的數(shù)據(jù)輸入時顯示出來造成字型的系亂。LE：數(shù)據(jù)栓鎖

17、致能控制；在CD4511 中，不但具譯碼功能，更具有數(shù)據(jù)栓鎖的記憶功能。當LE=0 時(LT=1 且 BI=1)，DCBA 數(shù)據(jù)會被送入IC 的緩存器中保存，以供譯碼器碼；當LE=1 時，則IC 中的暫存器會關閉，僅保存原來在LE=0 時的DCBA數(shù)據(jù)供譯碼器譯碼。換句話說當LE=1 時，不論DCBA 的輸入數(shù)據(jù)為何，皆不影響其輸出，其輸出abcdefg 仍保留原來在LE 由0轉為1以前的資料。圖3.5.2 CD4511引腳圖4 軟件設計4.1 主流程 系統(tǒng)的總體結構流程圖如下：圖4.1 系統(tǒng)總體結構流程圖4.2 梯形圖系統(tǒng)梯形圖如下圖所示：5 系統(tǒng)調試首先接好系統(tǒng)的硬件電路，然后將梯形圖下載

18、到PLC中，再運行程序。在整個程序的調試過程中，我遇到了一些問題，最初的設計比較簡單，只是將投幣，購買的過程考慮進去，而沒有將投幣后顯示模塊加進設計的方案中，后來在仔細閱讀設計要求后，我又將顯示模塊加進設計的方案中，用了兩個七段數(shù)碼管和兩個CD4511七段數(shù)碼管譯碼器構成了PLC的外接顯示部分，這樣投入的總錢幣和剩余的錢幣數(shù)量就可以在數(shù)碼管上顯示出來。在數(shù)碼顯示的過程中也遇到了一些問題，數(shù)碼顯示需要兩片七段數(shù)碼管，如果使PLC直接連接七段數(shù)碼管的話，需要14個輸出，輸出接口過多，系統(tǒng)變得復雜化，在查找各方面的資料后，決定采用兩片七段數(shù)碼管譯碼器CD4511來驅動兩片七段數(shù)碼管，大大減少了輸出點

19、數(shù)，程序運行也簡單得多，數(shù)碼顯示功能順利實現(xiàn)。在找零階段，按下找零按鈕后直接沒有設計將數(shù)碼顯示清零功能，后來經過思考和仔細探討整個系統(tǒng)，將找零部分又逐步進行了完善，將找零的過程在數(shù)碼管上顯示了出來，找零時只找兩種錢幣，即10元的和1元的，先找大面額的10元的錢幣，后找小面額的1元的錢幣，其內部進行減法運算，使得整個找零的過程清晰可見。經過認真的調試，使整個系統(tǒng)能夠按照要求完成各種工作，F(xiàn)X-2N系列PLC控制的自動售貨機的設計工作也最終完成。 圖5.1 自動售貨機調試圖設計心得 通過這一周的控制系統(tǒng)課程設計，可以說感受頗深啊！在自己的努力下，最終完成FX-2N系列PLC控制自動售貨機系統(tǒng)的設計

20、。本控制系統(tǒng)就是充分利用了PLC、接口電路芯片以及顯示模塊。實現(xiàn)了對自動售貨機的控制，達到了設計的目的。這次設計的PLC控制自動售貨機系統(tǒng)的主要內容包括設計出了硬件系統(tǒng)的接線圖、梯形圖等；并且系統(tǒng)具有啟動、停止功能；運用功能指令進行PLC控制程序設計；還進行了系統(tǒng)調試，實現(xiàn)自動售貨機的控制要求。這設計中的酸甜艱辛與成功的喜悅并不能用言語去表達。與其說完成這次課程設計，不如說學會關于PLC的一點點皮毛，因為在這一周的時間里，自己可以明顯的感覺到認知的改變。之前從PLC和工程組態(tài)的老師那了解一些關于工程上的應用，現(xiàn)在通過大家的課程設計題目上，可以發(fā)現(xiàn)PLC的確離我們的生活很近。在設計中運用所學的理

21、論知識，進行自動售貨機運行原理設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計、創(chuàng)新設計，提高理論知識工程應用能力、系統(tǒng)調試能力、分析問題與解決問題的能力。綜合運用了所學的知識，理論與實際相結合，提出并論證設計方案，然后進行軟、硬件的設計、制作與調試，最后獲得正確的結果。加深了對所學理論知識的鞏固，加強了建立PLC控制工業(yè)機械和生產過程系統(tǒng)的整體概念，初步掌握了PLC控制工業(yè)生產和社會生活的軟、硬件開發(fā)方法，為以后進行實際的PLC軟、硬件應用開發(fā)奠定了良好的基礎。與此同時，也加強了我們對問題的分析解決能力，為以后的畢業(yè)設計和畢業(yè)后的工作做了充分的準備。作為一位電氣工程及其自動化專業(yè)的學生，控制系統(tǒng)是我們的必修課，怎樣使我們所控制變得更簡便而又不影響控制