水果自动售货机的设计与实现

随着自动售货机所售卖商品的种类越来越多，有更多的人开始投身于自动售货机的设计开发工作中。目前，我国虽然在自动售货机的生产技术上取得了很多突破，但是在研发自动售货机的内部结构和核心技术上，以及自动售货机的使用范围、使用数量等方面和国外的水平相比仍有着很大差距[1]。因此，开展自动售货机的设计与研究具有广阔的市场前景。本文详细介绍了一种水果自动售货机的设计与实现。

1 设计思路

水果自动售货机是一种将机械与电子相结合的典型的机电一体化产品。其中，可编程控制器(PLC)是核心部件，通过PLC可实现对水果自动售货机的智能化、自动化控制。

水果自动售货机所售卖的每种商品下面都对应有一个按钮，顾客可通过按下相应按钮选择需要的商品。当顾客付款完成并按下按钮后，信号就会送达PLC，通过PLC的控制，对应的商品就会被送出，这样顾客就得到了想要的商品。

1.1 基本组成

水果自动售货机的系统组成主要分为硬件和软件两大块。系统硬件包括PLC、出货系统、退币系统、找零系统、货币识别系统以及外部结构，其中出货系统主要是由电机和传送带组成。软件部分主要包括自动售货系统的运行自动控制程序、货币的计数程序以及货币的计算找零程序。

只要我们能解决好在探究式教学实践中出现的以上四个问题，那么新课程理念下探究式教学就会变成一种非常有效的教学方式。当然，高中物理探究式教学是否能取得实效，归根到底是以学生是否参与、怎样参与、参与多少来决定的，同时只有学生主动参与教学，才能改变传统教学机械、沉闷的现状，让课堂充满生机。因此，在教学实践中，每一步的探究一定要让学生自己尝试，从而把学生推到主动的位置，放手让学生自己探究，这样才可以使探究式课堂教学进入理想的境界。

1.2 状态程序流程

内部结构设计的重点包括补货方式设计、电气元件布置以及传送方式设计。自动售货机内部结构的主视图和左视图分别如图3和图4所示。

  

 

图1 水果自动售货机控制状态图

2 主要硬件选择

2.1 PLC的选择

PLC是整个自动售货机的控制中枢。考虑到对输入输出端口的要求，本设计选用三菱FX-3U系列中具有3路脉冲输出的PLC。此种PLC带16点输入/16点继电器输出，满足自动售货机对输入输出端口的需求[5-8]。输入/输出接口也就是通常所说的I/O单元或者I/O模块，是PLC与各个机械部件连接的纽带。PLC的I/O分配见表1。本设计中输入信号口总共有9个，其中有1元、5元和10元货币的投入口，每当有货币投入就会将投币信号传递给PLC，并通过内部程序完成对货币的计数。只有当货币达到规定数值，再按下选择水果类型的按钮，输出电机才会启动，同时打开相应的指示灯。本水果自动售货机不设自动找零，只有当顾客按下找零按钮后，自动售货机才会启动找零程序，经过内部计算，启动找零电机进行找零。

 

表1 PLC的I/O分配

  

输入端口功能分配输出端口功能分配X0011元硬币Y001苹果电机脉冲输出X0021元纸币Y002梨电机脉冲输出X0035元纸币Y003苹果电机方向输出X00410元纸币Y004苹果显示灯X005苹果按钮Y005梨电机方向输出X006梨按钮Y006梨显示灯X007找零按钮Y007退币电机X010苹果感应器Y010退币显示灯X011梨感应器Y011找零电机脉冲输出Y012找零电机方向输出

2.2 电机的选择

补货方式：从图3和图4中可以看出，需要补货时可以从两侧打开自动售货机，直接把水果放在传送带上即可。

2.3 货币识别器的选型

2.1 HE4在子宫组织中的表达 HE4阳性颗粒主要位于细胞膜及细胞浆上，着色呈棕黄色或棕褐色，视野内阳性细胞呈点、片状分布。在子宫内膜癌组中通过免疫组化检测发现HE4阳性表达87例(阳性率为87%)，阴性结果13例。在正常子宫组中发现4例(阳性率为13.33%)。其中20例处于分泌期的样本中检出3例(阳性率为15%)，10例增生期样本中检出HE4阳性表达1例(10%)。HE4在子宫内膜癌组中表达明显高于正常子宫组(χ2=0.067，P<0.05)。见表1、图1。

本自动售货机卖苹果和梨2种水果，因此在其内部结构中设定有2条货道，苹果和梨各占用1条货道，这样能使控制更准确和更方便。如需加售其他水果，可以直接增加货道。水果放在传送带上，各水果之间用隔板隔开，以保证2个隔板之间只有1个水果。这样能使水果按顺序摆放，也能防止水果相互碰撞。电机每转动90°，就能将1个水果送出售货机。此种货物送出方式虽然简单稳定，但为了防止水果的碰撞，同时由于售货机货道很少，所存货量有限，因此需要及时补货。

3 电气控制系统设计

本自动售货机的硬件设计主要包括对自动售货机的机械本体和电路进行设计。其中电路设计主要是针对PLC输入和输出端口的功能分配设计出本售货机控制系统的接线方式。

由于本自动售货机只出售苹果和梨2种水果，同时币种也只识别3种类型，所以用到的PLC端口并不多，电路设计并不复杂。水果自动售货机电气控制原理图如图2所示。

货币识别系统是整个自动售货机信息来源的初始单元，是设备开始运转的前提。货币识别器识别顾客投入的货币，并将信号送入PLC以对货币进行计数处理和完成交易。货币识别通常是对硬币和纸币各个特征进行甄别比较，从而分辨出真假货币。

  

 

图2 水果自动售货机电气控制原理图

4 机械本体设计

山西的早餐种类丰富，除了随处可见的包子、粥、豆浆、油条外，还有更多当地的面食小吃可以品尝。最为经典的，那就是来一屉稍梅配一碗羊杂割，或者来个帽盒配碗头脑，再来上一壶黄酒，吃的那叫倍儿爽。

4.1 内部结构设计

水果自动售货机可直接采用普通市电供电。鉴于现在生产的PLC自身不带电源，本控制系统PLC采用开关电源提供的24 V直流电源供电。低电压供电的优点在于技术人员对PLC进行接线、调试或维护等操作时安全可靠[2-5]。本自动售货机主要有4种控制状态：初始状态、投币状态、购买状态以及退币找零状态。水果自动售货机控制状态图如图1所示。

从常规力学性能实验结果可知，预冷变形使材料的抗拉强度提高了147MPa。但是，107寿命对应疲劳强度却下降4.7%。从而可知，预冷变形在一定条件下对材料的疲劳性能有负面影响，会降低材料的疲劳强度。

本自动售货机的机械本体设计包括内部出货机构设计、电气元件整体布局以及外观构造。

  

 

图3 自动售货机内部结构的主视图

  

 

图4 自动售货机内部结构的左视图

在自动售货机系统中，电机是最主要的执行元件。本自动售货机只售卖苹果和梨2种水果，共装有4个电动机，其中水果的输送主要靠2个电机控制，即苹果和梨各1个(如果扩展到售卖更多种水果则需要选择更多电机)。水果自动售货机通过PLC控制电动机转动一定角度送出水果。输送水果所需要的电机功率不用太大。为得到适合运送水果的扭矩，以保证水果的正常送出，可以选择额定功率为3W、额定电压为12～24 V的步进电机作为自动售货机的执行单元。

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电机安装：在出货机构中，可以直接在自动售货机的底部安装电机支座，将电机放在支座上即可。电机的位置和高度可以直接通过支座调节。直接在自动售货机上部左右两侧打孔以确定传送带上部随动轴的位置，固定传动轴。

传送带设计：出货机构中所需的带隔板的传送带，也称挡板输送带，可直接在市场上购买。传送带的挡板大小和挡板距离都可以根据自身需求设置。在本设计中，选择传送带的类型时要考虑2点，即保证水果输送时安全环保和根据水果类型设定距离。

4.2 外部结构设计

本自动售货机的外部结构和大多数市场上的自动售货机类似。自动售货机外观示意图如图5所示。其整体为长方体，上层为商品展示区，下层为按钮控制区和出货区。外观整体简洁明了，操作方便。为了保证水果出货完整无损，在出货区和商品储存区的这段距离中，应采用软管将水果送出。

  

 

图5 自动售货机外观示意图

5 结论

本售货机具有操作方便、控制程序简洁、外形美观等特点。所售卖的商品虽只有2种，但可以根据需求适当对设备进行改进，以满足多种产品的销售需求。另外，由于系统采用电机旋转带动传送带上的商品，占用了售货机的内部空间，对精准控制会有影响。

参 考 文 献

[1] 黄石.自动售货机的共用性设计研究[D].长春：吉林大学,2016.

[2] 宋建成.可编程控制器的原理与应用[M].北京:机械工业出版社，2005:235-239.

[3] 王兆义.可编程控制器编程器[M].北京:机械工业出版社，1999:156-172.

[4] 陈志军,张爱琴.自动售货业的现状与我国发展对策[J].山东社会科学，2003(5):123-125.

[5] 赵燕，周建新.可编程控制器的原理与应用[M].北京:北京大学出版社，2006:43-48.

[6] 求是科技工作室.PLC应用开发技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社，2005:40-42.

[7] 廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京:科学出版社，2004:59-62.

[8] 黄志勇.中国自动售货业发展研究[D].天津：天津大学，2002.