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          三畅创新研发仪表、助力工业自动化升级

          一种自助鲜啤售卖机控制系统设计

          来源: 安徽理工大学 作者:殷龙凯 发布日期:2020-06-03 10:19:36

                      随着智能化社会的发展,自动售卖机在人们的生活中越来越随处可见。无需人工看管,节约人力成本;全天候服务,售货方便;结算方式人性化,科技含量高。自动售卖机售卖的商品琳琅满目,例如各式各样的瓶装饮料、香烟、玩具以及旅游特色商品等。从智能化的角度来讲,自动售货机更像是一个无人看管的商店。目前,国内外大多的售货机主要针对的是包装好的成品,例如瓶装罐装的饮料、零食、盒饭等,针对鲜啤酒或者饮料等流体的自动售卖机少之又少。

           
                 对于流体自动售货机,国内外的研究并不成熟,尤其是对于流体液位体积的测量技术依然不够完善,在测量精度方面不能满足控制要求。另外,对于影响测量液体准确度因素的研究不够细致。环境因素变化导致温度变化会导致液体的热胀冷缩,会影响检测的准确度;若液体流量过小,则流量检测出来的误差值增大;输送液体管道收缩体积变化直接会导致测量误差。本文内容是设计出一款集售卖、计量、现金支付、移动支付技术于一身的,针对流体的自动售卖机控制系统。
           
          总体设计方案
                 将 STM32 作为自助鲜啤售卖机的中枢神经系统,控制自动售卖机售卖动作的整个流程。主控制器向功能驱动板发出售卖命令,功能驱动板驱动电机带动泵开始运作,啤酒从储存的容器中向管道开始输送。在管道尽头设置装设一个比例流量阀,控制流速。啤酒通过流量计时,系统自动测量流量。非常后,啤酒通过水枪注入到预设的容器中。触摸屏上可以手动输入购买量、自主选择结算方式、并且能够循环播放广告,吸引消费者的注意。系统总体框图如图 1 所示。
          设计总框图
          核心控制元件
                 在测量电路中安装涡街流量计。每次鲜啤售卖的量需要精确计量,单位体积鲜啤的价格乘上测得的流量即是此次售卖的总价。流量计所起到的核心作用就是计量。涡街流量计非常大特点是结构设计简单、运行维护方便费用较低,液体的密度、压力、温度不会影响流量的测量精度。涡街流量计将流量信号转变为电脉冲信号,电脉冲信号与液体流量的关系呈正比关系。通过捕捉电脉冲信号,实现对液体流量的测量。本次控制系统设计将选择应力式涡街流量计,此款流量计的主要特点如图 2 所示。
          应力式涡街流量计特点 PID 控制算法
                 电机由于惯性作用,不能立即停止运动,因此管道中输送的液体啤酒也不能立即停止流动,这种现象称为液压系统的“冲转现象”。冲转现象导致啤酒实际售卖量大于预设购买量,造成一定误差。电机惯性作用导致啤酒售卖过程产生误差的量称为“过充量”。过充量的大小与啤酒流速成正比关系,流速越大,过充量越大,流速越小,过充量越小。比例流量阀对啤酒流速控制的稳定性的越高,啤酒计量的精确度就越高,产生的误差就越小。为了更好的控制比例流量阀,将 PID 控制算法应用在比例阀的控制器中,显著提高阀芯位移控制的精确程度。当要达到预设购买值时,控制阀芯位移,降低流速,以免产生较大“过冲量”,减小误差,保证测量的精度。PID 控制算法原理如图 3 所示。
           
                 STM32 主控制器与功能驱动板之间的通讯通过 RS485通信电路实现。因为 RS485 是差分电路,所以此通信电路具有很强的抗干扰性,可以实现远距离数据传输,同时数据传输的速率也能满足系统设计的要求。RS232 通信电路主要用于 STM32 与服务器之间的通讯工作,实现售卖数据联网上传,支付宝等移动支付功能。
           
                 涡街流量计输出的电脉冲信号在传输过程中容易受到环境因素的干扰,为尽可能减少干扰误差,在流量计的输出端与 STM32 之间加装光电耦合器。光电耦合器的内部结构如图 4 所示。
          光电耦合器 支付方式的选择支付流程图
          支付方式的选择 
                 当点击触摸屏,手动输入啤酒购买量后,可以自主选择支付方式。既可以选择传统的现金支付方式,也可以选择支付宝等移动支付方式。如图 5 所示。
           
                 传统的货币支付不仅包含硬币支付、纸币支付,硬币找零功能也不可或缺。所以实现现金支付功能既需要硬币识别器,也需要纸币识别器,识别硬币纸币的面值以及真伪。实现支付宝、微信等移动支付功能的前提是将自助鲜啤自动售卖机联网。实现自助鲜啤售卖机联网主要有两种方式:以太网线连接与 STM32 单片机的 WIFI 模块。自助鲜啤售卖机联网后,可将售卖信息上传到服务器,方便后台管理售货信息,了解每台售卖机的运行情况,不需要人力到现场确认,大大提高运营的效率。现金支付与移动支付的流程如图 6 所示。
           
          总结
                 本次系统设计自动售卖机的联网,可以通过以太网线或者 WIFI 实现自动售货机的联网。流量测量电路的设计中,采用流量计对每次鲜啤售卖量进行精确的的测量,比例阀控制流速,并将 PID 控制算法应用到比例阀的控制器中,精确控制阀芯的位移精度。比例阀与流量计的应用很大程度上减小了系统误差,提高了系统测量精度。如果将设计的测量电路应用到针对流体的自动售卖机上,能丰富自动售卖机的种类,摆脱自动售卖机只能售卖瓶装饮料弊端,避免日益增长的人工成本,更是智能化社会发展的标志,能带来可观的经济收入。

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