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摘 要
本系統(tǒng)是基于單片微型計(jì)算機(jī)控制的散裝飲料自動(dòng)售貨系統(tǒng)，用單片機(jī)的基本語(yǔ)言c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。本機(jī)是如此方便以至于可以安置在公園、車(chē)站、機(jī)場(chǎng)或者商場(chǎng)門(mén)口。該系統(tǒng)可分為紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)部分、飲料銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)部分。微機(jī)控制部分的功能又分四個(gè)部分。首先，商業(yè)行為應(yīng)該講求公正卻不能沒(méi)有防人之心，所以我們?cè)O(shè)置了硬幣檢測(cè)裝置；其次，檢測(cè)出結(jié)果后要進(jìn)行退幣或者收取動(dòng)作，我們?cè)O(shè)計(jì)了退收幣控制部分；再次，收了錢(qián)財(cái)當(dāng)然要盡快讓消費(fèi)者拿到取飲料的紙杯，紙杯銷(xiāo)售控制方案也必不可少；最后就要控制飲料的抽取和流出了。硬幣檢測(cè)裝置在本設(shè)計(jì)中雖涉及不多，但它卻要做諸如檢驗(yàn)硬幣真假并發(fā)出控制信號(hào)的很多事情；退收幣機(jī)構(gòu)在識(shí)別信號(hào)和按鈕信號(hào)的控制下進(jìn)行退收幣動(dòng)作；紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)和飲料銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)則根據(jù)識(shí)別結(jié)果并配合按鈕控制信號(hào)完成銷(xiāo)售任務(wù)。本設(shè)計(jì)中涉及到AT89S51和8031兩種單片機(jī)的應(yīng)用，如此安排以示兩者區(qū)別，其實(shí)可以將個(gè)控制部分集成在一兩個(gè)單片機(jī)上即足夠了。本文詳細(xì)闡述了此系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和控制方案及設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決 方案。設(shè)計(jì)者的工作包括：系統(tǒng)各功能單元方案的設(shè)計(jì)；各功能單元控制方案設(shè)計(jì)；畫(huà)出各功能單元原理圖；根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)c語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言源程序；部分機(jī)構(gòu)的繪圖及加工工藝等。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)AT89S51；螺線管；電磁閥；步進(jìn)電機(jī)；售貨機(jī)?
Abstract
This system is an automatic vending machine for unpacked drinkings on basis of the contrlling of single-chip microcomputer,whose controlling program is writted by the basic language for microconroller such as the c language and the assembler language. This device is so convenient that it can be setted in park,station,airport or outside the door of some supermarket. This system is composed of the vending mechanism for paper cups and drinkings. The controlling part can be seperated into four. Firstly,commercial activities can’t miss some bad boys while it should pursue justness,so coin-detaction device is setted up.secondly,the action of giving back or taking in the coins according to the result of detection is suggested,so we build up the controlling portion for coins’ gooing or coming.again,the cup-distribution section is neccsery before consumer will be thirsty for their cups for beverage.lastly,we should take measures to cnotrol the extracting and outflowing of the beverage.although little is referred to the content of coin-detection,it’s imprtant because it will do so many contributions such as verifying coins and sending out some controlling signal.the machine for coins will rotate in in the light of signals from coin-detection and press-button. The vending mechanisms for cups and beverage will accomplish the distribution mission based on the outcome of coins’ identifying in coordination with button’signal. As to show the difference ,Two kinds of single-chip microcontroller as AT89S51 and 8031 are involed in this project. But as a matter of fact one or two is enough.this paper detailed the scheme of the system’s mechanisms and their controlling even some possible problems and their sollution. The works of designer are: the disgn of various units of the system; the disgn of the contrlling schemes; drawing system schematics; writing assembly language code or the c language code according the schematics; the drawing of some mechanisms and the machining technological disgn.
Key words: AT89S51；Solenoid；Electromagnetic Valve ; Step Motor；Vending Machine
目 錄
引言·····················································1
1 緒論··················································2
1.1 自動(dòng)售貨機(jī)的理論背景與實(shí)際意義····························2
1.2 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容·································2
1.3 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路·································3
1.4 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)中涉及的部分器件概述·························5
1.4.1 AT89S51單片機(jī)概述·······································5
1.4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述··········································5
1.4.3 螺線管概述·············································6
1.4.4 渦流概述···············································7
1.4.5 光電耦合概述············································8
1.4.6 電磁閥概述·············································10
1.4.7 數(shù)字電路概述············································11
1.4.8 ABS塑料概述············································12
2 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案及其控制設(shè)計(jì)···························14
2.1 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)······································14
2.1.1 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)機(jī)械方案的設(shè)計(jì)··································14
2.1.2紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)控制方案的設(shè)計(jì)··································21
2.2 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)··································25
3 飲料銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案及其控制設(shè)計(jì)···························28
3.1 硬幣識(shí)別機(jī)構(gòu)的原理概述·····································28
3.2 退收硬幣機(jī)構(gòu)的方案及控制設(shè)計(jì)······························31
3.3 抽飲料及出飲料控制方案的設(shè)計(jì)······························40
3.3.1 抽飲料機(jī)構(gòu)及控制方案設(shè)計(jì)···································40
3.3.2 出飲料機(jī)構(gòu)及控制方案設(shè)計(jì)···································46
4 部分機(jī)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)及整機(jī)的部分優(yōu)化······················48
4.1 紙杯托板加工工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述·································48
4.2 飲料容器加工工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述·································52
4.3 整機(jī)的部分優(yōu)化設(shè)計(jì)······································53
4.3.1 單片機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)·······································53
4.3.2 紙杯出售情況指示的優(yōu)化設(shè)計(jì)·································53
4.3.3 飲料容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)·······································54
4.3.4 紙杯存放機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)····································55
4.3.5 飲料抽取流速控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)·································56
5 結(jié)論··················································58
謝辭·····················································59
參考文獻(xiàn)·················································60
68
引言
自動(dòng)售貨機(jī)成就了一種全新的商業(yè)零售形式，解放了一部分勞動(dòng)力。自20世紀(jì)70年代于日本和歐美發(fā)展起來(lái)，它又被稱(chēng)為24小時(shí)營(yíng)業(yè)的微型超市。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本70％的罐裝飲料是通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)銷(xiāo)售出去的；全球著名飲料商可口可樂(lè)公司在全世界就布置有50萬(wàn)臺(tái)飲料自動(dòng)售貨機(jī)。自動(dòng)售貨機(jī)1999年開(kāi)始進(jìn)人中國(guó)市場(chǎng)。如今，在機(jī)場(chǎng)、地鐵、商場(chǎng)、公園等客流較大的場(chǎng)所，自動(dòng)售貨機(jī)的身影已不難被發(fā)現(xiàn)。
從自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展目的和趨勢(shì)來(lái)看，它是勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會(huì)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。批量生產(chǎn)、大量消費(fèi)以及消費(fèi)者對(duì)消費(fèi)模式和銷(xiāo)售環(huán)境改革的需求，要求流通渠道有所更新；而超市、百貨購(gòu)物中心等流通渠道相對(duì)不夠人性化，人工費(fèi)用也相對(duì)更高；再加上場(chǎng)地的局限性以及購(gòu)物的便利性等這些因素的制約，無(wú)人自動(dòng)售貨機(jī)作為一種需求便應(yīng)運(yùn)而生。
它的售貨領(lǐng)域非常廣泛，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動(dòng)售貨機(jī)逐漸被越來(lái)越多的消費(fèi)者所接受。但由于售貨機(jī)分布范圍廣闊和布置零散，自動(dòng)售貨機(jī)在為消費(fèi)者帶來(lái)便利的同時(shí)，也為經(jīng)營(yíng)者在監(jiān)控、管理、維護(hù)等方面帶來(lái)很大的不便。目前售貨機(jī)運(yùn)行的各種情況諸如缺貨、缺零錢(qián)、幣箱已滿、售貨機(jī)機(jī)械故障等都需要由人工判斷。經(jīng)營(yíng)者普遍采用的人工定時(shí)巡回視察的管理辦法，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確獲取自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)報(bào)告，給經(jīng)營(yíng)者增加了管理成本和難度，也有可能給消費(fèi)者的正常消費(fèi)造成不便。
由于現(xiàn)在市場(chǎng)上投放的自動(dòng)售貨機(jī)不夠人性化，針對(duì)的商品不是灌裝就是盒裝的，不能讓消費(fèi)者按量消費(fèi)飲料，本人設(shè)計(jì)了可滿足消費(fèi)者這項(xiàng)需求的自動(dòng)飲料售貨機(jī)。
1 緒論
1.1 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
1. 此自動(dòng)售貨機(jī)可以識(shí)別五角、一元的硬幣并累計(jì)，但一次只能出0.5元、1元和1.5元幣量的飲料；
2. 如果顧客投入硬幣在限定的時(shí)間內(nèi)（2分鐘）不按任何按鍵，自動(dòng)售貨機(jī)將退還所投硬幣；
3. 當(dāng)顧客按下出紙杯按鈕時(shí)，根據(jù)顧客所投硬幣總數(shù)送出一個(gè)相應(yīng)的紙杯（這里只提供0.5元、1元紙杯和1.5元紙杯）；
4. 當(dāng)顧客用紙杯對(duì)準(zhǔn)了飲料出口并按下出飲料按鈕后便按量出飲料。
1.2 飲料售賣(mài)機(jī)機(jī)械框架圖
圖1-1 售貨機(jī)機(jī)構(gòu)框架圖
1.3 自動(dòng)售貨機(jī)控制設(shè)計(jì)的基本思路
本次大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是飲料自動(dòng)售賣(mài)機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是應(yīng)用ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)通過(guò)C語(yǔ)言或者匯編程序。實(shí)現(xiàn)對(duì)貨幣的識(shí)別、累計(jì)、按累計(jì)幣值選擇送出不同大小的紙杯、按累計(jì)幣值送出定量的飲料等控制，其中會(huì)涉及到光機(jī)電一體化學(xué)科中的光電耦合、液位控制開(kāi)關(guān)以及數(shù)字邏輯電路等知識(shí)。在真正進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)之前會(huì)對(duì)AT89S51單片機(jī)、光電耦合技術(shù)及其在本設(shè)計(jì)中用到的一些器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。本設(shè)計(jì)的工作流程圖如下所示：
等待按抽飲料按鈕
出相應(yīng)紙杯
投 幣
硬幣識(shí)別
硬 幣 累 計(jì)
真 幣 否 ？
退 幣
等待了2分鐘？
NO
YES
0.5元
1.0元
1.5元
按下出紙杯按鈕
NO 繼續(xù)等待
YES
開(kāi) 始
驅(qū)動(dòng)水泵按累計(jì)幣值往容器中抽飲料
出相應(yīng)紙杯
結(jié) 束
電磁閥關(guān)閉
等待按抽飲料按鈕
按下抽飲料按鈕
按出飲料按鈕
出 飲 料
飲料流盡否
NO 繼續(xù)
開(kāi) 始
等待下一次交易
等飲料抽到指定位置才能到下一步
圖1-2 售貨機(jī)控制流程策劃圖
1.4 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)中涉及的部分器件概述
1.4.1 AT89S51單片機(jī)概述
AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器容量為4bytes，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，能夠兼容8051指令系統(tǒng)和引腳。它匯集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程又能用傳統(tǒng)的方式編程及通用8位微處理器于單片機(jī)芯片中。ATMEL公司功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
u 與MCS-51產(chǎn)品指令完全兼容
u 4K字節(jié)在線系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃存
u 1000次擦寫(xiě)周期
u 4.0-5.5V的工作電壓范圍
u 全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ
u 三級(jí)程序加密鎖
u 128 x 8字節(jié)內(nèi)部RAM
u 32個(gè)可編程I/O接口
u 2個(gè)16位置定時(shí)/計(jì)數(shù)器
u 6個(gè)中斷源
u 全雙工串行UART通道
u 低功耗空閑和掉電模式
u 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)
u 看門(mén)狗（WRT）及雙數(shù)據(jù)指針
u 掉電標(biāo)識(shí)和快速編輯特性
u 靈活的在線系統(tǒng)編程
圖1-3 AT89S51單片機(jī)
欲知更多可以參閱本次畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯部分《AT89S51單片機(jī)》。
1.4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常應(yīng)用于需要運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備。這類(lèi)電動(dòng)機(jī)尤其適合應(yīng)用在低速或者恒負(fù)載的設(shè)備中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用多極設(shè)計(jì)，目的時(shí)為了精確控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，甚至在RPM為0的時(shí)候也可以。它們的這種特性深受運(yùn)動(dòng)控制工程師的歡迎；絕大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備，如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及打印機(jī)等采用的都是步進(jìn)電機(jī)。
如下圖所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖。電動(dòng)機(jī)具有6對(duì)作用力相反定子線圈，各對(duì)線圈相互能夠獨(dú)立地進(jìn)行控制。當(dāng)一對(duì)異性磁極（磁極5）被激活時(shí)，則產(chǎn)生了一個(gè)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子會(huì)根據(jù)磁場(chǎng)的作用力發(fā)生旋轉(zhuǎn)；若磁極5關(guān)閉，磁極4被激活，則轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置。因此，只要精確控制這些磁極對(duì)，就可以精確控制轉(zhuǎn)子的位置及其RPM下的步進(jìn)電機(jī)。
為了提供更加精確的分辨率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以工作在半步模式下。在這個(gè)模式當(dāng)中，由4個(gè)磁極被激活，因此，轉(zhuǎn)子可以處于兩對(duì)磁極之間的位置上，這樣就使得步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行分辨率提高了一倍。如下圖所示為工作于半步模式
圖1-4 步進(jìn)電機(jī)工作模式圖
把半步模式的思路進(jìn)一步延伸，就產(chǎn)生了微步控制模式。只要精確控制兩個(gè)磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度就可以讓轉(zhuǎn)子處于兩對(duì)磁極之間的任何位置。
步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)如下：
1） 脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)角成準(zhǔn)確的比例。
2） 每一步所對(duì)應(yīng)的角度誤差很小。
3） 電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、停止響應(yīng)快。
4） 能用數(shù)字信號(hào)的輸出脈沖來(lái)控制（能開(kāi)環(huán)控制）。
5） 只要施加電壓，步進(jìn)電機(jī)就有自鎖（制動(dòng)）力，因此能保持在停止位置。
1.4.3 螺線管概述
螺線管是一種相當(dāng)重要的電磁元件，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，遍及世界各地，確切地說(shuō)，有成千上萬(wàn)種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)螺線管通電時(shí)，空氣中將會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。如下圖所示，螺線管的磁力線同條形磁鐵的很相似，在沒(méi)有任何外部影響的情況下，磁場(chǎng)保持平衡。
將鐵芯穿過(guò)線圈就形成了電磁鐵，磁力線與鐵芯耦合。如果鐵芯不在線圈的中間位置，將產(chǎn)生如上圖所示的不對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)。不對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)將使鐵芯向線圈的中心位置運(yùn)動(dòng)以使磁場(chǎng)達(dá)到平衡狀態(tài)。利用這個(gè)原理可以在按鈕的按鍵上產(chǎn)生機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。
圖1-5 螺線管工作圖
如下圖所示的是一個(gè)葉片式的螺線管。其中“L”形的鐵芯和葉片組成磁路。當(dāng)線圈通電時(shí)，葉片被拉到鐵芯上。“C”形的螺線管跟葉片式螺線管相比，可以提供更大的移動(dòng)距離。磁路通過(guò)固定在中央的線圈做成“C”形，鐵制的導(dǎo)桿和定位器組成磁路。
圖1-6 葉片式螺線管和C形螺線管
1.4.4 渦流概述
運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。任何導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生渦流。如下左圖所示，渦流是完全寄生于導(dǎo)體內(nèi)部的電路。由于電流存在于導(dǎo)體內(nèi)部，它們表現(xiàn)為短路電路。渦流的存在會(huì)引發(fā)兩種結(jié)果：1）導(dǎo)體的發(fā)熱量與電源的消耗量直接成正比；2）進(jìn)入渦流的能量意味著能量的損失。雖然在導(dǎo)線中渦流引發(fā)的損失并不大，但是在電磁元件中如變壓器、螺線管、電動(dòng)機(jī)等，這種損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。為了減少渦流造成的損失，大多數(shù)交流電磁元件都采用疊片鐵芯。疊層板是一種在電氣上隔離的獨(dú)立磁性物質(zhì)。薄薄的疊層板減小了渦流的有效路徑，從而使渦流最小。
如下右圖所示的是一個(gè)有趣的渦流效應(yīng)試驗(yàn)。把一個(gè)非磁性的導(dǎo)電板（鋁制或銅制的）放在桌上，再將蹄形磁鐵放在導(dǎo)電板的中央，慢慢地前后滑動(dòng)磁鐵。你會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵的移動(dòng)沒(méi)有什么阻力。然后快速移動(dòng)磁鐵，你就會(huì)注意到，此時(shí)產(chǎn)生了很大的運(yùn)動(dòng)阻力。實(shí)際上，你甚至還需要將向下導(dǎo)電板夾住，以防它隨著磁鐵一起運(yùn)動(dòng)。隨著磁鐵的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電板內(nèi)產(chǎn)生渦流。電流出現(xiàn)時(shí)，它將阻礙磁場(chǎng)，此時(shí)導(dǎo)電板被磁化。一旦磁鐵停止運(yùn)動(dòng)，渦流消失，導(dǎo)電板消磁。
圖1-7 渦流實(shí)驗(yàn)圖
1.4.5 光電耦合概述
在論述光電耦合知識(shí)之前，不可回避地要談到傳感器。傳感器在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中傳感器被定義為“實(shí)現(xiàn)感覺(jué)功能的檢測(cè)器件”。這里所謂的感覺(jué)功能即人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)。為了使機(jī)器人之類(lèi)的計(jì)算機(jī)控制裝置工作，相當(dāng)于人類(lèi)感覺(jué)功能的檢測(cè)器件是必須的，這種器件就是傳感器。
光電耦合器件中最常用的就屬光傳感器了。半導(dǎo)體元件中有光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（LED）、CDS等。使用這些元器件或者其組合就可以制成檢測(cè)光的光傳感器。光傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被接收的電信號(hào)的元件。從原理上可分為：1）接收光后使電阻改變的元件，如硫化鎘（CDS）光導(dǎo)管；2）接收光后產(chǎn)生電勢(shì)的元件，如光電二極管、光敏三極管、光電池等；3）接收光后產(chǎn)生熱量的元件，如熱電傳感器等。
這里只對(duì)光電二極管及其應(yīng)用進(jìn)行概述。在普通二極管上施加反向電壓、光照，則會(huì)使二極管上流過(guò)反向電流。其特性如下圖及說(shuō)明所示。
圖1-8 光電二極管工作原理圖
1） 反向流動(dòng)的輸出電流??；
2） 敏感波長(zhǎng)為400—2000nm，從紫外線到紅外線的光譜范圍都能檢測(cè)，最高靈敏度在850nm；
3） 響應(yīng)速度在us級(jí)，具有告訴響應(yīng)的特性；
4） 發(fā)光量與檢測(cè)電路成正比，線性范圍大，可用于發(fā)光量的檢測(cè)和顏色的識(shí)別。
如下圖所示，發(fā)光二極管的輸出電流小，要用晶體管等器件來(lái)放大。把光電二極管和晶體管做成一體的元件就是光敏三極管。
圖1-9 光電三極管工作原理圖
發(fā)光二極管和光電三極管可組合成一種常用的光電耦合器件光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)可用于檢測(cè)物體是否接近。它有透射型和反射型兩類(lèi)。如下圖左圖所示為透射型光電開(kāi)關(guān)。發(fā)光管為L(zhǎng)ED，用于發(fā)光。發(fā)出的光由作為接收器的光電三極管接收。一旦物體靠近遮斷了光三極管即可檢測(cè)出這種狀態(tài)。如下圖右圖所示的是反射型光電開(kāi)關(guān)?？拷矬w時(shí)，發(fā)光器件發(fā)出的光從物體上反射，射入光接收元件，從而檢測(cè)出有無(wú)物體靠近。當(dāng)然，發(fā)光管可以由單片機(jī)控制通斷時(shí)間以控制接收器件的通斷。
圖1-10 投射式和反射式光電耦合
1.4.6 電磁閥概述
追溯電磁閥的發(fā)展史，到目前為止國(guó)內(nèi)外的電磁閥從原理上分為三類(lèi)（即直動(dòng)式、分布式、先導(dǎo)式），而從閥瓣結(jié)構(gòu)和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個(gè)分支小類(lèi)（直動(dòng)膜片結(jié)構(gòu)、分布重片結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)膜式結(jié)構(gòu)、直動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)、分布直動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)活塞結(jié)構(gòu)）。對(duì)于除直動(dòng)式外的電磁閥在此不作贅述。
直動(dòng)式電磁閥的原理：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門(mén)打開(kāi)；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門(mén)關(guān)閉。特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但通徑一般不超過(guò)25mm。
圖1-11 電磁開(kāi)關(guān)閥
1.4.7 數(shù)字電路概述
數(shù)字電子技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的學(xué)科之一。數(shù)字電路的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法也在不斷地發(fā)展和完善。由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，數(shù)字電子技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)很重要的地位，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。數(shù)字邏輯的幾種最基本的邏輯電路（邏輯與、邏輯或、非門(mén)電路）概述如下。
（1）與邏輯及其實(shí)現(xiàn)電路
這種邏輯電路實(shí)現(xiàn)的功能是，只有當(dāng)決定事情結(jié)果的全部條件同時(shí)具備時(shí)，結(jié)果才會(huì)發(fā)生。正如相串聯(lián)了幾個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕電路，只有當(dāng)所有串聯(lián)的開(kāi)關(guān)按鈕都閉合才會(huì)點(diǎn)亮燈。能實(shí)現(xiàn)邏輯與作用的一種電路是如下所示的二極管與門(mén)電路。
圖1-12 與門(mén)實(shí)現(xiàn)電路和邏輯框圖
(2) 或邏輯及其實(shí)現(xiàn)電路
這種邏輯電路實(shí)現(xiàn)的功能是，在決定事物結(jié)果的幾個(gè)條件中只要有一個(gè)或一個(gè)以上條件具備結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生。正如并聯(lián)的幾個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕，只要其中任何一個(gè)或者幾個(gè)閉合，電路中的燈就會(huì)亮。能實(shí)現(xiàn)邏輯或作用的一種電路是如下圖所示的二極管或門(mén)電路。
圖1-12 或門(mén)實(shí)現(xiàn)電路和邏輯框圖
(3) 非邏輯及其實(shí)現(xiàn)電路
這種邏輯電路實(shí)現(xiàn)的功能是，條件具備了，結(jié)果不發(fā)生；而當(dāng)條件不具備的時(shí)候，結(jié)果卻發(fā)生。能實(shí)現(xiàn)非邏輯的一種電路是如下圖所示的二極管非邏輯門(mén)電路。
圖1-12 非門(mén)實(shí)現(xiàn)電路和邏輯框圖
其他的一些邏輯門(mén)電路可以通過(guò)對(duì)這幾種基本電路的組合附加一些其他元件即可實(shí)現(xiàn)。
1.4.8 ABS塑料概述
ABS樹(shù)脂是五大合成樹(shù)脂之一，其抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性及電氣性能優(yōu)良，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好等特點(diǎn)，容易涂裝、著色，還可以進(jìn)行表面噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領(lǐng)域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。ABS樹(shù)脂是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物，它將PS，SAN，BS的各種性能有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，兼具韌，硬，剛相均衡的優(yōu)良力
學(xué)性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。
ABS根據(jù)沖擊強(qiáng)度可分為：超高抗沖型、高抗沖擊型、中抗沖型等品種； ABS根據(jù)成型加工工藝的差異，又可分為：注射、擠出、壓延、真空、吹塑等品種； ABS依據(jù)用途和性能的特點(diǎn)，還可分為：通用級(jí)、耐熱級(jí)、電鍍級(jí)、阻燃級(jí)、透明級(jí)、抗靜電、擠出板材級(jí)、管材級(jí)等品種。ABS外觀為不透明呈象牙色粒料，其制品可著成五顏六色，并具有高光澤度。ABS相對(duì)密度為1.05左右，吸水率低。ABS同其他材料的結(jié)合性好，易于表面印刷、涂層和鍍層處理。ABS的氧指數(shù)為18～20，屬易燃聚合物，火焰呈黃色，有黑煙，并發(fā)出特殊的肉桂味。
ABS有優(yōu)良的力學(xué)性能，其沖擊強(qiáng)度極好，可以在極低的溫度下使用；ABS的耐磨性?xún)?yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，又具有耐油性，可用于中等載荷和轉(zhuǎn)速下的軸承。ABS的耐蠕變性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度屬塑料中較差的。ABS的力學(xué)性能受溫度的影響較大。
ABS的熱變形溫度為93~118℃，制品經(jīng)退火處理后還可提高10℃左右。ABS在-40℃時(shí)仍能表現(xiàn)出一定的韌性，可在-40~100℃的溫度范圍內(nèi)使用。
ABS的電絕緣性較好，并且?guī)缀醪皇軠囟?、濕度和頻率的影響，可在大多數(shù)環(huán)境下使用。
ABS不受水、無(wú)機(jī)鹽、堿及多種酸的影響，但可溶于酮類(lèi)、醛類(lèi)及氯代烴中，受冰乙酸、植物油等侵蝕會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。ABS的耐候性差，在紫外光的作用下易產(chǎn)生降解；于戶(hù)外半年后，沖擊強(qiáng)度下降一半。
ABS同PS一樣是一種加工性能優(yōu)良的熱塑性塑料，可用通用的加工方法加工。
ABS的熔體流動(dòng)性比PVC和PC好，但比PE、PA及PS差，與POM和HIPS類(lèi)似；ABS的流動(dòng)特性屬非牛頓流體；其熔體粘度與加工溫度和剪切速率都有關(guān)系，但對(duì)剪切速率更為敏感。
ABS的熱穩(wěn)定性好，不易出現(xiàn)降解現(xiàn)象。ABS的吸水率較高，加工前應(yīng)進(jìn)行干燥處理。一般制品的干燥條件為溫度80~85℃，時(shí)間2~4h；對(duì)特殊要求的制品(如電鍍)的干燥條件為溫度70~80℃，時(shí)間18~18h。ABS制品在加工中易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力的大小可通過(guò)浸入冰乙酸中檢驗(yàn)；如應(yīng)力太大和制品對(duì)應(yīng)力開(kāi)裂絕對(duì)禁止，應(yīng)進(jìn)行退火處理，具體條件為放于70~80℃的熱風(fēng)循環(huán)干燥箱內(nèi)2~4h，再冷卻至室溫即可。 2 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案及其控制設(shè)計(jì)
2.1 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中我們針對(duì)0.5元、1.0元、1.5元三種不等幣值設(shè)計(jì)了三種尺寸不同的紙杯，在消費(fèi)者按下出紙杯按鈕后，紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)便能在單片機(jī)的控制下選擇送出相應(yīng)幣值的紙杯。為了使紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)上面所述的功能，我們?cè)谙旅娣謩e對(duì)機(jī)械部分和單片機(jī)控制部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析。
2.1.1 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)機(jī)械方案的設(shè)計(jì)
在進(jìn)行紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)機(jī)械方案設(shè)計(jì)之前，我們必須弄清該機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的是什么功能。該紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)中包括了紙杯選擇機(jī)構(gòu)和紙杯送出機(jī)構(gòu)。針對(duì)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)我們將會(huì)在下面分別進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析。
2.1.1.1 紙杯選擇機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
紙杯的選擇該用什么形式的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是我們?cè)跈C(jī)械方案設(shè)計(jì)之前必須要解決的事情。本設(shè)計(jì)中我們選擇用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制進(jìn)而驅(qū)動(dòng)紙杯選擇機(jī)構(gòu)針對(duì)投入售貨機(jī)的不等幣值進(jìn)行相應(yīng)紙杯的選擇。步進(jìn)電機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們是否就直接用圓周運(yùn)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)紙杯的選擇呢？基于設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單的原則，在此我們就直接選擇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式選擇紙杯。針對(duì)0.5元、1.0元、1.5元的不等幣值，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種不等容積的紙杯（至少分別能容納100ml、200ml、300ml的飲料）如下圖所示。
圖2-1 紙杯初步設(shè)計(jì)圖
考慮到步進(jìn)電機(jī)控制程序編制的難易問(wèn)題，我們下面的設(shè)計(jì)方案，分析說(shuō)明如下。
圖2-2 紙杯選擇機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
如上圖所示，轉(zhuǎn)軸與步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器相聯(lián)結(jié)，三種紙杯分別放在中心對(duì)稱(chēng)布置的三個(gè)紙杯存儲(chǔ)筒里，初始的情況是1元紙杯筒被定位在紙杯送出口正上方。在消費(fèi)者只投入了1元硬幣的情況下，步進(jìn)電機(jī)鎖定；當(dāng)消費(fèi)者只投入了0.5元硬幣的情況下，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)120°角度并鎖定2分鐘后回轉(zhuǎn)120°回到原始位置；當(dāng)消費(fèi)者同時(shí)投入了1元和0.5元的硬幣的情況下，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)120°并鎖定2分鐘后回轉(zhuǎn)120°到原始位置。
2.1.1.2 紙杯挖出機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
前面器件的概述部分我們對(duì)螺線管已經(jīng)有了部分的了解。螺線管是一種應(yīng)用非常廣泛的電子電力器件，它可以通過(guò)螺線管內(nèi)線圈中電的通斷實(shí)現(xiàn)外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。上面我們?cè)O(shè)計(jì)了紙杯的選擇機(jī)構(gòu)，紙杯的送出機(jī)構(gòu)自然也要結(jié)合選擇機(jī)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。觀察上圖我們會(huì)發(fā)現(xiàn)托盤(pán)上留了一道口子，而我們仔細(xì)觀察三種紙杯的時(shí)候也不難發(fā)現(xiàn)每種杯子的口徑都是40mm并且設(shè)計(jì)了耳朵，這些是我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)紙杯選擇機(jī)構(gòu)和送出機(jī)構(gòu)合理結(jié)合而預(yù)留出來(lái)和做的準(zhǔn)備。這里我們將用到的是如下圖所示的葉片式螺線管。
圖2-3 葉片式螺線管
此螺線管運(yùn)動(dòng)部分將被合理地安插在托盤(pán)預(yù)留口以實(shí)現(xiàn)與層狀紙杯合理地?cái)D壓和接觸。螺線管在單片機(jī)控制下發(fā)出的脈沖的控制下實(shí)現(xiàn)將最底層的一個(gè)紙杯挖出的功能，并在延時(shí)等待20S后在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位。
2.1.1.3 紙杯選擇及挖出機(jī)構(gòu)的復(fù)合和尺寸確定以及加工工藝
確定復(fù)合機(jī)構(gòu)各項(xiàng)尺寸是很麻煩的事情，一各部件有著相互約束作用，二不能影響復(fù)合機(jī)構(gòu)的功能。分析問(wèn)題的方式很多，在此我們從源頭“紙杯”著手。紙杯堆疊起來(lái)后呈層狀結(jié)構(gòu)，如何才能保證每相鄰的兩個(gè)紙杯之間的距離保持穩(wěn)定呢，我們采取了下面的辦法，如圖所示。
圖2-4 紙杯改進(jìn)圖
如上圖所示優(yōu)化后的紙杯，對(duì)原來(lái)設(shè)計(jì)的紙杯從開(kāi)口處往底20mm改造成圓柱狀的，如此紙杯與紙杯堆疊后相鄰紙杯的耳朵就能保持20mm左右的狹小范圍，這樣才能保證螺線管運(yùn)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)空間。螺線管將紙杯挖出的原理圖如下圖所示，螺線管的運(yùn)動(dòng)桿端部是非封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)是為了確保能挖下紙杯的
圖2-5 螺線管挖紙杯示意圖
同時(shí)不損壞紙杯。為了避免螺線管運(yùn)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與托盤(pán)發(fā)生干涉，以及避免運(yùn)動(dòng)桿端部運(yùn)動(dòng)期間與紙杯發(fā)生簧片失效導(dǎo)致螺線管失效，螺線管運(yùn)動(dòng)桿、托盤(pán)及其上面的結(jié)構(gòu)的尺寸分析如下。
螺線管挖出紙杯的過(guò)程是這樣的，當(dāng)螺線管線圈沒(méi)有通電的情況下，運(yùn)動(dòng)桿在復(fù)位彈簧的作用下遠(yuǎn)離紙杯；一旦螺線管線圈通電，運(yùn)動(dòng)桿便迅速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，簧片在碰到紙杯耳朵并相互作用的過(guò)程中發(fā)生形變直到扣住最底層的那個(gè)紙杯，一旦通電結(jié)束運(yùn)動(dòng)桿會(huì)在復(fù)位彈簧的作用下回轉(zhuǎn)并將紙杯挖出。由于紙杯的口徑是40mm，我們?cè)O(shè)計(jì)紙杯的耳朵伸出口徑邊緣1mm，所以紙杯選擇機(jī)構(gòu)與紙杯挖出機(jī)構(gòu)結(jié)合處（即出紙杯口處）的孔徑應(yīng)保持在40mm—41mm（絕對(duì)不允許小于40mm以防紙杯無(wú)法挖出，也絕對(duì)不允許超過(guò)42mm以防紙杯自動(dòng)掉落）。前面我們已經(jīng)優(yōu)化了紙杯的設(shè)計(jì)以使疊堆層狀杯子每相鄰的兩個(gè)杯子孔徑之間的距離保持在20mm左右。在設(shè)計(jì)托盤(pán)及其特征結(jié)構(gòu)之前，我們必須把螺線管運(yùn)動(dòng)桿端部安裝的簧片的尺寸設(shè)計(jì)完成。我們對(duì)簧片的尺寸設(shè)計(jì)如下圖所示。
圖2-6 紙杯挖爪
采用如上圖所示的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)簧片在通電的時(shí)候能變形并夾住最底層的紙杯，而當(dāng)從通電轉(zhuǎn)向斷電狀態(tài)的時(shí)候簧片變形量盡量小以達(dá)到挖出紙杯的目的。了解了簧片的部分尺寸后我們就可以根據(jù)螺線管運(yùn)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)桿的各項(xiàng)尺寸了。分析紙杯挖出機(jī)構(gòu)我們不難發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)其實(shí)就是一個(gè)剛體繞著一個(gè)旋轉(zhuǎn)中心所作的旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)。下面我們結(jié)合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)運(yùn)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，然后再設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)桿的尺寸參數(shù)。在構(gòu)建的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中我們將簧片簡(jiǎn)化為一片50mm長(zhǎng)的鋼片。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。
圖2-7挖紙杯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
初步分析，相鄰兩個(gè)杯子口徑之間的距離為20mm，那么如果紙杯存儲(chǔ)箱內(nèi)能容納高度為1000mm的話，則最多可容納各種紙杯總共150個(gè)，假如三種杯子的重量分別為10g、15g、20g，則三個(gè)相應(yīng)的紙杯筒里紙杯的重量分別為500g、750g和1000g。隨著飲料的陸續(xù)銷(xiāo)售，紙杯筒里的紙杯會(huì)越來(lái)月少重量自然也逐漸減少，所以為了能讓筒子里面的每個(gè)紙杯都能銷(xiāo)售出去，我們還需要設(shè)計(jì)一個(gè)壓迫紙杯往托盤(pán)壓的壓塊（一方面是因?yàn)榧埍p，另一方面是由于壓塊還可以輔助紙杯挖出機(jī)構(gòu)將紙杯挖出），與此同時(shí)，我們還可以設(shè)計(jì)讓這個(gè)壓塊在銷(xiāo)售完相應(yīng)的紙杯后作為開(kāi)關(guān)打開(kāi)一個(gè)燈以表明該類(lèi)紙杯已經(jīng)銷(xiāo)售完了。
由于運(yùn)動(dòng)桿端部簧片的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖模型長(zhǎng)度為50mm我們將LAB值設(shè)計(jì)為60mm，LBC設(shè)計(jì)為30mm，LCD設(shè)計(jì)為40mm，LDE設(shè)計(jì)為50mm。下面我們對(duì)通電狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)桿進(jìn)行受力分析。我們?cè)O(shè)計(jì)彈簧在ABCDE位置時(shí)，F(xiàn)2的大小為40N，F(xiàn)磁場(chǎng)力為30N，假設(shè)擋塊對(duì)AB的作用力為f，則根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡公式得： F2xLDE=F磁場(chǎng)力x（LAB+LCD）-fx（LAB+LCD）所以 f=10N 即1kg的力。由于終點(diǎn)位置與簧片和紙杯耳朵接觸作用的位置很接近，所以我們近似將f等同于簧片與紙杯耳朵之間的作用力，即通電瞬間簧片與紙杯耳朵之間的作用力為10N。根據(jù)這個(gè)作用力和簧片的尺寸以及各種簧片材料的特性分析，我們是否可以選擇出適合的簧片呢？那我們到底該選擇何種材料的片彈簧呢？我們還需要進(jìn)一步分析和驗(yàn)證。如下圖所示，紙杯挖爪是由被半圓頭螺釘固定在一起的一剛性挖爪部分和一片彈簧組成，而且還外伸了2mm。挖紙杯的時(shí)候，片彈簧以外伸的2mm為力的作用對(duì)象變形；而真正挖紙杯之前的一瞬間片彈簧受力變形部分則是它的整體。
圖2-8 紙杯挖爪三維圖
我們現(xiàn)在分別對(duì)變形對(duì)象不同的情況進(jìn)行分析。當(dāng)片彈簧整體變形時(shí)，受力變形簡(jiǎn)圖如下圖所示，L=12mm，P1kg，h=1mm，b=π*（20+30）/2=78mm（由于是圓弧，在此以中間半周長(zhǎng)作為長(zhǎng)度），所以依據(jù)公式
P=1kg
得到0.923kg/mm2 ，我們先取1kg/mm2 ，但為了順利地挖取杯子，片彈簧的變形量還得符合F2mm，根據(jù)變形量公式
2mm
得到E48kg/mm2 我們選擇片彈簧材料的時(shí)候要依據(jù)彈性模量E和許用應(yīng)力而選擇。
圖2-9 片彈簧受力變形圖
我們把螺線管運(yùn)動(dòng)桿及其端部的簧片尺寸弄清楚之后，我們就可以著手做托盤(pán)及其特征結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)了。為了避免螺線管運(yùn)動(dòng)桿端部簧片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與托盤(pán)發(fā)生干涉，依據(jù)簧片的尺寸值，我們將托盤(pán)上的開(kāi)口處小圓直徑設(shè)計(jì)在40mm—42mm之間，而將簧片出入的半環(huán)口直徑設(shè)計(jì)為64mm，而將開(kāi)口的寬度設(shè)計(jì)為12mm，具體尺寸設(shè)計(jì)如下圖所示。
圖2-10 紙杯托板
根據(jù)上面的分析可知，運(yùn)動(dòng)桿端部與紙杯耳朵之間的作用力為10N，為了使最后一個(gè)杯子也能被挖出，我們必須設(shè)計(jì)壓塊使紙杯（從斷電到通電狀態(tài)）在與簧片作用過(guò)程中始終不被抬起。已知單個(gè)大紙杯的重量為20g，我們把壓塊的重量設(shè)計(jì)為G，則依據(jù)
20/1000 * 10 + G > 10
可知G >9.8N
所以將壓塊的質(zhì)量設(shè)計(jì)為1kg，為使消費(fèi)者明白何種紙杯已經(jīng)銷(xiāo)售完了，我們可以用壓塊用線連上開(kāi)關(guān)，當(dāng)最后一個(gè)紙杯被挖出后壓塊拉下連線打開(kāi)相應(yīng)的指示燈以示該種紙杯已經(jīng)銷(xiāo)售完畢。由于三種紙杯的高度各不相同，分別為40mm、80mm和120mm，而我們?cè)O(shè)計(jì)的紙杯銷(xiāo)售系統(tǒng)指示燈開(kāi)關(guān)與托盤(pán)之間的距離為1120mm。因?yàn)榉胖眉埍耐沧又睆缴晕⒈燃埍罂趶酱笠稽c(diǎn)，我們把壓塊也設(shè)計(jì)成圓柱形的，直徑稍微比紙杯大口徑小一點(diǎn)，我們將其直徑設(shè)計(jì)為39mm，高度為120mm，根據(jù)密度我們可以選擇相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)此壓塊。依據(jù)上面分析中已知的數(shù)據(jù)，我們可以設(shè)計(jì)針對(duì)小杯、中杯、大杯的壓塊拉線尺寸分別為（1120-40-120+5）mm、（1120-80-120+5）mm、（1120-120-120+5）mm，即分別為965mm、925mm和885mm。
托盤(pán)上螺栓該選用那種材料及其校驗(yàn)將在下面分析。假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)的托盤(pán)表面與紙杯之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，則在三個(gè)紙杯筒子里面都裝滿了紙杯并且把壓塊都?jí)汉昧说那闆r下，托盤(pán)受到的總的壓力
F總=（500g+750g+1000g+3*1000g）/1000 * 10=52.50N
根據(jù)滑動(dòng)摩擦的計(jì)算公式 f=F * u 得到 f=5.25N 相對(duì)托盤(pán)的中心 f的作用半徑R為（120-70）mm即50mm，所以托盤(pán)受到的轉(zhuǎn)矩T=f * R=0.2625N*m 而四個(gè)螺栓的受力半徑r都是140mm 所以依據(jù) T=4*f螺栓*140mm 可以得到每個(gè)螺栓所受到的剪力f螺栓=0.46875N根據(jù)公式
u*F0*r*4=Ks*T
可得螺栓的預(yù)緊力（令u=0.1，Ks=1.2）F0=5.625N
因此根據(jù)緊螺栓連接強(qiáng)度的計(jì)算公式 δ= F0/4Лd2（其中d=8mm）得δ=69.977pa 所以所選螺栓至少要能承受（1.3*69.977）pa=90.97pa的強(qiáng)度考驗(yàn)。
紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)部分就到此為止，具體的尺寸及加工工藝及數(shù)控加工編程將分別在圖紙和畢業(yè)設(shè)計(jì)的附錄里給出。下面將展開(kāi)分析的是紙杯銷(xiāo)售系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)。
2.1.2紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)控制方案的設(shè)計(jì)
“控制”一般被定義為“為了達(dá)到某一合適的目的對(duì)作為對(duì)象之物施加所必要的操作。
2.1.2.1 紙杯銷(xiāo)售完畢指示燈電路分析設(shè)計(jì)
紙杯銷(xiāo)售系統(tǒng)中三種紙杯的尺寸不等，如果消費(fèi)者想要1元的飲料但針對(duì)1元飲料量的紙杯已經(jīng)銷(xiāo)售完畢卻不能讓他知道，消費(fèi)者投入1元人民幣后就得不到紙杯，所以我們應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)的指示燈電路來(lái)向消費(fèi)者提供相應(yīng)的信息。在前面的分析中我們已經(jīng)對(duì)紙杯銷(xiāo)售完畢指示燈的機(jī)械設(shè)計(jì)部分有部分說(shuō)明，且已知了壓塊的的直徑為39mm，高度為120mm；針對(duì)三種杯子的指示燈開(kāi)關(guān)連線的長(zhǎng)度尺寸我們也已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，從小到大分別為885mm、925mm、965mm。所以要完成此電路的設(shè)計(jì)，我們要把連線一端的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)好。前面我們已經(jīng)預(yù)留了5mm的連線長(zhǎng)度以使指示燈只會(huì)在最后一個(gè)紙杯銷(xiāo)售完了之后才開(kāi)啟。由于在最后一個(gè)紙杯沒(méi)有被銷(xiāo)售完畢之前，指示燈開(kāi)關(guān)是不允許被連通的，所以我們要設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)應(yīng)該是常開(kāi)式的開(kāi)關(guān)元件。下面我們只對(duì)針對(duì)小紙杯的指示燈開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如下圖所示，連線預(yù)留了5mm，所以連線長(zhǎng)出最后一個(gè)紙杯底端的長(zhǎng)度應(yīng)該是（965-5）mm，即常開(kāi)開(kāi)關(guān)達(dá)到閉合狀態(tài)的時(shí)候接觸點(diǎn)距離最后一個(gè)紙杯底端的高度應(yīng)該是960mm，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合觸點(diǎn)距離托盤(pán)上表面的距離應(yīng)該是（1000+120）mm即1120mm。常開(kāi)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)要用到彈簧以使在最后一個(gè)紙杯還沒(méi)有銷(xiāo)售完畢之前始終保持?jǐn)嚅_(kāi)的狀態(tài)。由于這個(gè)系統(tǒng)要求對(duì)三種紙杯的銷(xiāo)售完畢情況給予反饋，所以我們采用三個(gè)指示燈各與一個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)后分別并聯(lián)的方式來(lái)設(shè)計(jì)此紙杯銷(xiāo)售完畢指示燈電路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)如下圖所示。
圖2-11 各種紙杯售完指示電路
注：該電路可以與售貨機(jī)的其他功能電路集成在一起。
2.1.2.2 紙杯選擇機(jī)構(gòu)控制電路及程序的設(shè)計(jì)
前面已經(jīng)聲明，紙杯選擇機(jī)構(gòu)的控制是通過(guò)單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，我們?cè)俅螌?duì)步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)重要內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過(guò)程控制及儀表控制的主要控制元件之一。步進(jìn)電機(jī)有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)1）步進(jìn)電機(jī)可以直接接受數(shù)字信號(hào)，而不再需要D/A轉(zhuǎn)換；2）步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力，可在一剎那間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止；3）步進(jìn)電機(jī)精度高，步距角可由每步90°降低到0.36°；4）步進(jìn)電機(jī)由于精度高且不用傳感器，故定位準(zhǔn)確。
常用的步進(jìn)電機(jī)由三相、四相、五相、六相四種，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部各繞組通電順序有關(guān)。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，主要任務(wù)是把二進(jìn)制數(shù)編程脈沖序列，按相序輸入脈沖以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)沿選擇方向前進(jìn)一步，每前進(jìn)一步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度。從這個(gè)意義上講，電機(jī)也是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。另外還控制電機(jī)前進(jìn)的步數(shù)，這是由控制工藝決定。
在紙杯選擇銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)部分我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方案，根據(jù)這項(xiàng)方案設(shè)計(jì)我們可以選擇用三相步進(jìn)電機(jī)的三相六拍方式的控制方案，可以選擇四相步進(jìn)電機(jī)的四相十二拍式的控制方案，可以選擇五相步進(jìn)電機(jī)的五相十二拍式的控制方案，或者選擇六相步進(jìn)電機(jī)的六相單六拍式的控制方案，比較后我們不難發(fā)現(xiàn)，選擇三相步進(jìn)電機(jī)的控制方案是最簡(jiǎn)單的，因此我們選擇用三相步進(jìn)電機(jī)的三相六拍方式的控制方案。關(guān)于三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式及控制字的表格如下表所示。
圖2-12 三相步進(jìn)電機(jī)控制字表
從上面的狀態(tài)表我們可以知道，B繞組通電的時(shí)候步進(jìn)電機(jī)靜止不動(dòng)且鎖定銷(xiāo)售1元紙杯，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)120°后鎖定銷(xiāo)售0.5元的紙杯，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)120°并鎖定銷(xiāo)售1.5元的紙杯。單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的控制流程圖如下所示。步進(jìn)電機(jī)的三相繞組如果按B-BA-A-AC-C-CB-B方式通電，一個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)過(guò)90°，按照這種方式4個(gè)循環(huán)就能轉(zhuǎn)完360°。如果按B-BC-C-CA-A-AB-B的通電方式通電的話，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，4個(gè)這樣的循環(huán)就能轉(zhuǎn)完360°。所以步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)120°的通電方式就是B-BC-C-CA-A-AB-B-BC-C,而逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)120°的通電方式就是B-BA-A-AC-C-CB-B-BA-A
逆時(shí)針轉(zhuǎn)120°
1元紙杯
0.5元紙杯
1.5元紙杯
保持
保持
順時(shí)針轉(zhuǎn)120°
圖2-13 電機(jī)選擇紙杯運(yùn)動(dòng)方式
AT89S51單片機(jī)有4個(gè)雙向的8位I/O口P0-P3。其中，P0口為三態(tài)雙向口；P1、p2、p3口為準(zhǔn)雙向口（用作輸入時(shí)，口線被拉成高電平，所以稱(chēng)為準(zhǔn)雙向口。P0口是三態(tài)雙向口，通稱(chēng)數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)操作。P0口還可以用來(lái)輸出外部存儲(chǔ)器的第8位地址。由于是分時(shí)輸出，故應(yīng)在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號(hào)用ALE。P1口是專(zhuān)門(mén)供用戶(hù)使用的I/O口，用戶(hù)可以利用它作為I/O口線使用，它是準(zhǔn)雙向口。P2口是供系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作為高8位地址線用。如果沒(méi)有系統(tǒng)擴(kuò)展，它也可以作為用戶(hù)I/O口線使用。P2口也是準(zhǔn)雙向口。P3口是雙功能口，該口的每一位均可獨(dú)立地定義為第一I/O口功能或者第二I/O功能口。作為第一功能口時(shí)，p3口的結(jié)構(gòu)與操作同p1口。P3口的第二功能有串行輸入口、串行輸出口、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0外部輸入、定時(shí)器1外部輸入、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖等共8項(xiàng)功能。每個(gè)I/O口都有兩種讀入方法：讀鎖存器和讀引腳。每種讀入方法都有相應(yīng)的指令。步進(jìn)電機(jī)與AT89S51單片機(jī)的連接口我們應(yīng)該選擇哪種I/O口呢？根據(jù)上面的分析，我們選擇用p1口的p1.0、p1.1、p1.2三位分別與步進(jìn)電機(jī)的A相繞組、B相繞組、C相繞組相連接。在步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)之間連接的電路有光電耦合和驅(qū)動(dòng)電路部分，如下圖所示。在選擇電阻R1等的時(shí)候要特別注意，能維持發(fā)光二極管點(diǎn)亮狀態(tài)的電流范圍是3mA-10mA，超過(guò)了這個(gè)范圍發(fā)光二極管能被點(diǎn)亮卻會(huì)立即被燒毀。所以根據(jù)通電電壓為5v，我們?cè)谶x擇電阻R1、R5、R9的范圍應(yīng)該在【5*1000/（3，10）】歐姆，即（500，1667）歐姆的范圍。我們以p1.0口部分來(lái)解析該電路的控制作用。當(dāng)p1.0口置“0”的時(shí)候，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮并耦合光敏三極管使其導(dǎo)通，此時(shí)R12右側(cè)
圖2-14 三項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)和螺線管的控制電路
的三極管不能導(dǎo)通，所以A相是斷電的；相反，當(dāng)p1.0被置“1”時(shí)，發(fā)光二極管是熄滅的，R12右側(cè)的三極管基極電壓為5v，該三極管導(dǎo)通，經(jīng)二級(jí)三極管的放大作用驅(qū)動(dòng)A相繞組通電，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)120°銷(xiāo)售0.5元的紙杯。P1.1和p1.2接口部分電路的工作原理亦如上所述。
那么我們進(jìn)行紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)控制程序設(shè)計(jì)的條件充足了嘛？還不夠，因?yàn)槲覀冞€沒(méi)確定控制電機(jī)順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)應(yīng)給怎樣配置及其輸入輸出接口該如何選擇。在整個(gè)售貨系統(tǒng)里，我們應(yīng)用的貨幣識(shí)別裝置的識(shí)別原理是電渦流傳感器對(duì)人民幣的識(shí)別原理，此裝置及其原理將在后面進(jìn)行論述。在這個(gè)售貨系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)，當(dāng)渦流傳感器識(shí)別到0.5元人民幣的時(shí)候發(fā)出信號(hào)使I/O口p1.3置“1”，當(dāng)渦流傳感器識(shí)別到1.0元或者兩枚0.5元的人民幣的時(shí)候單片機(jī)的I/O口p1.4被置“1”。當(dāng)AT89S51檢測(cè)到端口p1.3和p1.4都被置“1”時(shí)，紙杯銷(xiāo)售系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)售1.5元的紙杯；當(dāng)只是檢測(cè)到了p1.4被置“1”時(shí)步進(jìn)電機(jī)保持靜止且被鎖定位置；當(dāng)只是檢測(cè)到了p1.3被置“1”時(shí)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)售0.5元的紙杯。所以該步進(jìn)電機(jī)的控制流程圖如下所示。
電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)
延 時(shí) 10s 鐘
電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)
靜止并鎖定
P1.2P1.1P1.0置為“010”
保持P1.2P1.1P1.0始終不變
步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)回最初位置并鎖定位置
步進(jìn)電機(jī)控制程序
P1.4P1.3=01
P1.4P1.3=11
P1.4P1.3=10
P1.1置為“1”
按照逆時(shí)針B-BA-A-AC-C-CB-B-BA-A通電，每相鄰一拍延時(shí)0.2s，最后一拍完成后延時(shí)10s
按照逆時(shí)針B-BC-C-CA-A-AB-B-BC-C通電，每相鄰一拍延時(shí)0.2s，最后一拍完成后延時(shí)10s
圖2-15 步進(jìn)電機(jī)的控制流程圖
該紙杯選擇機(jī)構(gòu)的控制程序可以編制如程序單上的程序1.
2.2 紙杯銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)
優(yōu)化設(shè)計(jì)是相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)而言的。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般是為了達(dá)到功能要求卻忽略了成本等其他因素的設(shè)計(jì)，而優(yōu)化設(shè)計(jì)卻會(huì)統(tǒng)籌考慮很多因素的約束作用以達(dá)到以最少的投入獲得最滿意的收獲的設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展歷程的不同時(shí)期應(yīng)用的主導(dǎo)方法各不相同，20年代末用的是試算法，30年代用的是表格法，40年代用的是圖算法，40年代末用的是函數(shù)極值法，50年代至60年代末用的是優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，發(fā)展到現(xiàn)在形成了以遺傳算法、網(wǎng)絡(luò)算法為主要方法的現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)學(xué)。一般而言，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始階段要做的就是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，創(chuàng)建在多個(gè)約束條件下的目標(biāo)函數(shù)，中期則進(jìn)行調(diào)查確認(rèn)約束條件和模型的可靠性，后期對(duì)所建立的模型進(jìn)行模型解析得出最優(yōu)解并按最優(yōu)解進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在機(jī)械制造領(lǐng)域，設(shè)計(jì)本身就是一種創(chuàng)造，是人類(lèi)進(jìn)行的一種有目的、有意識(shí)、有計(jì)劃的活動(dòng)，而優(yōu)化設(shè)計(jì)則可以被描述為一種再創(chuàng)新的行為。創(chuàng)新不管是對(duì)我們自身的發(fā)展還是對(duì)整個(gè)國(guó)家的未來(lái)都至關(guān)重要。下面的結(jié)構(gòu)圖所示是對(duì)創(chuàng)新的劃分及其各自在人類(lèi)活