CN101656001A - 自动售货机动作控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可销售罐装饮料、盒装商品及袋装商器的自动售货机动作控制系统，它包括控制器，该控制器分别与送货机构和出货机构相连接，其特征在于所述送货机构由依次相连的送货隔离驱动电路、升降货架驱动电机、霍尔传感器和送货光电隔离电路组成；所述出货机构由依次相连的出货隔离驱动电路、出货驱动装置、螺旋推送器、微动开关、滤波整形电路和出货光电隔离电路组成。本发明解决了螺旋推送器偏离初始位置的自动恢复问题，能正确检测螺旋推送器产生的脉冲信号，以保证控制的有效性；采用线性映射原理设计线路转接板，线路布置简洁，所设计的升降货架驱动电机控制、换向和续流电路结构具有较强的抗干扰能力，并采用先进的控制策略和算法，因此，具有运行稳定的特点。它是目前较理想的自动售货机控制系统之一。

Description

自动售货机动作控制系统

技术领域

本发明涉及一种可销售罐装饮料、盒装商品及袋装商器的自动售货机动作控制系统。

背景技术

自动售货机包括机体、机体内设有自动控制装置、送货装置和出货装置，所述自动控制装置分别与送货装置和出货装置相配合，在机体内设有升降电机、螺旋推送器、固定货架和升降货架，升降货架与升降电机、驱动齿轮和同步传动带之间采用公知的方式相配合，固定货架与螺旋推送器亦采用公知的方式相配合，该自动售货机是一种无人值守的自助式购买商品的机器，对可靠性有极高的要求。目前国内外的自动售货机普遍采用小型直流电机、微型减速器和螺旋式推送器作为出货机构。这种方式结构简单、易于实现，但对控制系统有较高的要求。采用这种出货机构的自动售货机，通常商品一个紧挨一个放置，中间不能有空隙。在直流电机经减速器的驱动下，螺旋式推送器每转一整圈，刚好推送出一个商品并落在升降货架上，再由升降货架送至取货口。

该系统中小型直流电机通过微型减速器减速后驱动螺旋式推送机构实现出货；另一直流电机经蜗轮蜗杆减速后驱动升降货架上升至待销售商品的位置，螺旋式推送机构送出的商品落在升降货架上，然后升降货架下降至出货口，翻转一定角度将商品送到取货口，这样可防止商品直接从高处落下而摔碎并产生撞击噪音。该类自动售货机控制系统的关键问题是如何用最少的线路和接口对60个出货电机进行有效测控，确保螺旋推送机构在每次销售中刚好转一圈并停在初始位置，而且当某种未知原因(例如突然断电)偏离初始位置后，在下次销售时能够自动恢复到初始位置。如何实现升降货架的平稳启停，对于保护机构和控制系统以及减小噪声是至关重要的。

然而无论是国外制造的机器还是国内制造的机器，由于现场电磁干扰，初始位置偏移，控制策略欠佳等因素，时常会出现转不够一整圈或大于一整圈的情况。若转不够一整圈，顾客付钱后，有可能得不到想要的商品；如果多于一整圈，有可能会推送出两个商品，给经营者造成损失。

硬件和软件设计不合理，很容易受电磁干扰的影响。为了消除电磁干扰，必须在硬件和软件方面采取综合措施。

如果在销售过程中突然停电，螺旋式推送器有可能停在任意位置，从而造成初始位置偏移，进而导致控制失效，出现螺旋推送器少转或多转误动作。如果出现销售过程中因突然断电而导致的初始位置偏移，需要专业维修人员将其从任意位置调整到初始位置。但事实上这是难以做到的，因为停电是随机的，恢复供电也是随机的，而自动售货机经常处于无人值守状态。因此，如何根据螺旋电机断电后所处的位置，在恢复供电后的下一次销售中，采用一定的控制规则使其自动归位到初始位置，是关系到自动售货机能否可靠工作的一个重要问题。

现有的一些自动售货机，商品以自由落体方式直接掉到取货口，不仅对周围环境产生噪声，而且不能销售易碎商品，采用升降货架可解决这一问题。如何对升降货架有效控制，既保证升降的快速性，又保证其平稳启停是本发明要解决的另一个关键问题。

由于现有的自动售货机控制系统布线复杂，给装配工艺、系统调试和系统维护带来不便。

本发明的目的在于提供一种设计合理、抗干扰能力强、运行稳定、能够有效控制出货机构和送货机构的自动售货机动作控制系统。

本发明的目的是采用这样的技术方案实现的：它包括控制器，该控制器分别与送货机构和出货机构相连接，其特征在于所述送货机构由依次相连的送货隔离驱动电路、升降货架驱动电机、霍尔传感器和送货光电隔离电路组成；所述出货机构由依次相连的出货隔离驱动电路、出货驱动装置、螺旋推送器、微动开关、滤波整形电路和出货光电隔离电路组成。

所述出货机构的出货隔离驱动电路能够接收控制器的控制信号，并将该控制信号施加至出货驱动装置，出货驱动装置控制螺旋推送器运行，螺旋推送器能够与微动开关相配，微动开关产生的脉冲信号经滤波整形电路和出货光电隔离电路被输入至控制器。

所述送货机构的送货隔离驱动电路能够接收控制器的控制信号，并将该控制信号作用至升降货架驱动电机并控制升降货架驱动电机的送货运行，霍尔传感器能够感应升降货架驱动电机的送货状况信息，并能够将感应到的送货状况信息通过送货光电隔离电路输入至控制器。

本发明与现有技术相比，由于出货机构采用依次相连的出货隔离驱动电路、出货驱动装置、螺旋推送器、微动开关、滤波整形电路和出货光电隔离电路组成的结构，软件上采用新的控制策略，从而解决了螺旋推送器偏离初始位置的自动恢复问题；通过软硬件抗干扰措施，正确检测螺旋推送器产生的脉冲信号，以保证控制的有效性；本发明采用线性映射原理设计线路转接板，因而具有线路布置简洁的特点；因送货机构采用由依次相连的送货隔离驱动电路、升降货架驱动电机、霍尔传感器和送货光电隔离电路组成的结构，所设计的升降货架驱动电机控制、换向和续流电路结构具有较强的抗干扰能力，并采用先进的控制策略和算法，因此，具有运行稳定的特点。它是目前较理想的自动售货机控制系统之一。

附图说明

图1自动售货机的机械结构示意图

图2本发明的电路原理方框图

图3本发明出货机构的结构示意图

图4本发明的螺旋推送器的半园型触点与微动开关的关系示意图之一

图5本发明的螺旋推送器的半园型触点与微动开关的关系示意图之二

图6本发明的螺旋推送器的半园型触点与微动开关的关系示意图之三

图7本发明的送货机构电路原理图

图8本发明的螺旋电机控制线及其映射关系示意图

图9本发明的升降电机控制参考轨迹

图10本发明的混合隶属函数

附图标号说明：1-升降电机、2-驱动齿轮、3-螺旋推送装置、4-固定货架、5-升降货架、6-同步传动带、7-机体、8-控制器、9-出货光电隔离电路、10-滤波整形电路、11-微动开关、12-出货隔离驱动电路、13-出货驱动装置、14-螺旋推送器、15-送货隔离驱动电路、16-升降货架驱动电机、17-送货光电隔离电路、18-霍尔传感器、19-螺旋驱动电机、20-微型减速器、21-微动开关触头、22-待售商品、23-采样电阻

具体实施方式

参照图2、图3：本发明包括控制器8，控制器8分别与送货机构和出货机构相连接，所述送货机构由依次相连的送货隔离驱动电路15、升降货架驱动电机16、霍尔传感器18和送货光电隔离电路17组成；所述出货机构由依次相连的出货隔离驱动电路12、出货驱动装置13、螺旋推送器14、微动开关11、滤波整形电路10和出货光电隔离电路9组成。所述控制器8采用ARM内核微控制器。

所述出货机构的出货隔离驱动电路12能够接收控制器8的控制信号，并将该控制信号作用至出货驱动装置13、出货驱动装置13控制螺旋推送器14运行，螺旋推送器14能够与微动开关11相配合，微动开关11产生的脉冲信号经滤波整形电路10和出货光电隔离电路9被输入至控制器8。

所述送货机构的送货隔离驱动电路15能够接收控制器8的控制信号，并将该控制信号作用于升降货架驱动电机16，控制升降货架驱动电机16的送货运行，霍尔传感器18能够感应控制升降货架驱动电机16的送货状况信息，并能够将感应到的送货状况信息经送货光电隔离电路9传送至控制器8。

所述的出货机构中的出货驱动装置13包括相配合的螺旋驱动电机19和微型减速器20，微型减速器20与螺旋推送器14相连接，微型减速器20能够驱动螺旋推送器14旋转，待售商品22放置在螺旋推送器14上，所述螺旋推送器14能够与微动开关11相配合，微动开关11与滤波整形电路10之间设有采样电阻23，控制器8发出的控制信号通过出货隔离驱动电路12控制螺旋驱动电机19转动，再通过微型减速器20驱动螺旋推送器14旋转。螺旋推送器14每转一周，推出一个待售商品22，在螺旋推送器14旋转一周的过程中，微动开关11能够被断开2次，从而产生待检测的脉冲信号，由于螺旋驱动电机19回路中，电磁干扰较多，该脉冲信号经采样电阻23、滤波整形电路10和出货光电隔离电路9输入至控制器8，所述采样电阻23、滤波整形电路10和出货光电隔离电路9构成了脉冲检测电路，该脉冲检测电路不仅能够有效消除电磁噪声的影响，还能保留有用的脉冲波形。

本发明螺旋驱动电机19的控制线路采用线性映射规律布置，每一层转接板和布线完全相同，一个脉冲检测电路经十六根控制线能够与60个螺旋驱动电机19配合，采用十六根线和每层完全相同的电路转接板能够实现对60个螺旋驱动电机19的控制，这不仅节省了布线和接口、降低了成本、也方便了工艺装配、调试和维护。

在图4-图6中，本发明所述微动开关触头21设置在螺旋推进器14上，它与螺旋推送器14同步旋转，其形状呈半园型。

图4中，微动开关11停在初始位置，每次销售时螺旋推送器14转一整圈，微动开关11重新对准该位置。由于外部干扰，控制策略欠佳，经常会出现误动作，其结果是会导致出现转动不够一整圈或转动超过了一整圈的情况，这两种情况在正常工作时应避免。另外，若销售过程中突然停电或出现意外故障，当螺旋驱动电机19在停止状态时，会使微动开关11偏离初始位置，图5和图6均表示因销售过程中突然停电或意外故障，而没有转够一圈的情况。所不同的是图5中，微动开关11停在圆弧CD之间，这时由于螺旋推送器14转过的角度较小，待售商品22没有来得及推送出来，下次销售时只需控制螺旋推送器14旋转，使微动开关11首次对准初始位置A即可；而图6中，微动开关11停在圆弧DA之间，这时，由于转过的角度较大，待售商品22已被推送出，应控制螺旋推送器14旋转并使微动开关11第二次与初始位置A对准后停止转动，这样可确保当前客户能够得到一件所购买的商品。

图4-图6中，直线l-l′平行于CA，OD与l-l′的夹角为θ，圆弧上D点由θ决定，而D点是判断商品是否推送出来的临界点，当偏离初始位置时，在下次销售过程中能够自动定位到初始位置，确保商品购买者得到其选购的商品而又不多送出商品。

如图3-图6所示，本发明所述微动开关触头21的A、C两个尖点在旋转过程中能够撞击微动开关11，使得螺旋驱动电机19回路瞬间断路，从而形成脉冲信号。设从A->C所需的时间为T1，从C->A所需的时间为T2，从D->A所需的时间为T3，则T2≥2T1，T3＞T1。

控制规则如下：

(1)设微控制器MCU捕获到第一个脉冲的时间为t1，当t1＜λT1(0＜λ＜0.3)时，丢弃该脉冲，以过滤螺旋驱动电机19启动瞬间的干扰脉冲。

(2)当αT1＜t1＜T3(0.9＜α＜1)时，将接收到的脉冲作为第一个脉冲，同时微型控制器8内的定时器清零。这时，设第二个脉冲捕获时间为t2，若t2＞2T1时，螺旋推送器14已转到初始位置，控制螺旋驱动电机19停转；若t2＜2T1，说明螺旋驱动电机19的处于图6所示的状况，这时待售商品22已推送出，下次销售时应使微动开关11第二次与初始位置A对准时再停止螺旋驱动电机19，这样可确保购买者得到待售商品22。

(3)若t1＞T3，表明螺旋驱动电机19处于图5所示的状况，这时待售商品22未推送出，下次销售时，使微动开关11首次与A点对准时即可停止螺旋驱动电机19，这样不至于推送出两件待售商品22，使运营商蒙受损失。

根据上述规则和本发明确定的参数T3，基于ARM内核微控制器，控制器8的控制程序采用C语言编写，申请人对控制程序过程进行了数万次实验验证，表明本发明提供的设计方案具有优良的控制性能。

参照图7：本发明所述的送货机构电路中的送货隔离驱动电路15主要由限位开关SW1和SW2、继电器JC1和JC2、二极管D1-D5、电阻R1-R3、驱动器Q1和光电耦合器U2构成，限位开关SW1和二极管D3与继电器JC1相接，限位开关SW2和二极管D4与继电器JC2相接，二极管D3和二极管D4配合继电器JC1和继电器JC2能实现负载端升降货架驱动电机16的换向，限位开关SW1与继电器JC2之间串接有二极管D1，限位开关SW2与继电器JC1之间串接有二极管D2，二极管D1和二极管D2起续流作用；二极管D5设置在继电器JC1和继电器JC2的一个触点与驱动器Q1的输出端之间，起着续流作用；继电器JC1和继电器JC2的另一个触点与驱动器Q1的输出端相接，驱动器Q1的输入端与光电耦合器U2的输出端相接，两者之间设有分压限流电阻R3，光电耦合器U2与电源之间分别设有限流电阻R1和分压有限流电阻R2，光电耦合器U2的输入端与控制器8相接；所述驱动器Q1采用MOSFET型号的驱动电路模块，它能够提供10A的驱动电流，由于在送货隔离驱动电路15中采用二极管D1和二极管D2分别与继电器JC1和继电器JC2相配合的结构，从而能够实现SW1或SW2断开时的续流。

所述升降货架驱动电机16处设置有霍尔传感器18，霍尔传感器18经送货光电隔离电路17与控制器8相连接，送货光电隔离电路17能够将霍尔传感器18输入的感应信号传送至控制器8，控制器8能够根据控制程序对传送到的信号进行处理，并向送货隔离驱动电路15发送控制信号，升降货架驱动电机16采用与送货隔离驱动电路15相配合的结构，使升降货架驱动电机16启停平稳，电流不致过大，对送货机构的冲击较小。

如图1、图3和图8所示：本发明所述的螺旋驱动电机19数量为60个，其控制线分六层布置，设定x₀，x₁，…，x₅分别为第1层、第2层、…、第6层的电机控制线，设定y₀，y₁，…，y₉为第1列、第2列、…、第10列的电机控制线，按照线性映射原理，设y₀，y₁，…，y_9为分别为控制第1列、第2列、…、第10列的电机控制线，并将控制相应层螺旋驱动电机19的x_i(i＝0，1，…，5)总是位于右上角，各层的电路方式和布线相同，所述60个螺旋驱动电机19由十六根线进行控制，其线性映射关系具有如下形式：

$A=\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

在图1、图9中：本发明所述升降货架驱动电机16运送待售商品22所处的高度位置用横坐标表示，待售商品22被升降货架驱动电机16运送的速度用纵坐标表示，第一层和第二层待售商品22的运送参考轨迹相同，销售第一层待售商品22时，升降货架驱动电机16待售商品22升到第2层，待售商品22能够直接落到取货口；销售第二层待售商品22时，升降货架驱动电机16升到第二层，待售商品22落到升降货架5上，再由升降货架5送到取货口。所述升降货架驱动电机16的高度和速度能够由霍尔传感器18测得。

如图10所示：本发明所述升降货架驱动电机16运送待售商品22的运送轨迹采用模糊逻辑与经典确定集合的混合逻辑隶属函数确定，可对非线性控制对象实施分段线性控制，在相邻分段的边界上，采用传统的模糊逻辑实现软切换。例如当误差落在d，e之间时，唯一隶属于集合中；当误差落在c，d之间时，隶属于集合较小和中，即属于亦此亦彼的情况。例用本发明提出的混合隶属函数可对非线性对象进行分段线性控制，只是在各分段的边界上采用传统的模糊逻辑控制。这样可有效处理非线对象，又不使算法过于复杂。

Claims (7)

1、自动售货机动作控制系统，包括控制器，该控制器分别与送货机构和出货机构相连接，其特征在于所述送货机构由依次相连的送货隔离驱动电路、升降货架驱动电机、霍尔传感器和送货光电隔离电路组成；所述出货机构由依次相连的出货隔离驱动电路、出货驱动装置、螺旋推送器、微动开关、滤波整形电路和出货光电隔离电路组成。

2、根据权利要求1所述的自动售货机动作控制系统，其特征在于所述出货机构的出货隔离驱动电路能够接收控制器的控制信号，并将该控制信号施加至出货驱动装置，出货驱动装置控制螺旋推送器运行，螺旋推送器能够与微动开关相配，微动开关产生的脉冲信号经滤波整形电路和出货光电隔离电路被输入至控制器。

3、根据权利要求1所述的自动售货机动作控制系统，其特征在于所述送货机构的送货隔离驱动电路能够接收控制器的控制信号，并将该控制信号作用至升降货架驱动电机并控制升降货架驱动电机的送货运行，霍尔传感器能够感应升降货架驱动电机的送货状况信息，并能够将感应到的送货状况信息通过送货光电隔离电路输入至控制器。

4、根据权利要求1所述的自动售货机动作控制系统，其特征在于所述的出货机构中的出货驱动装置包括相配合的螺旋驱动电机和微型减速器，微型减速器与螺旋推送器相连接，微型减速器能够驱动螺旋推送器旋转，所述螺旋推送器能够与微动开关相配合，微动开关与滤波整形电路之间设有采样电阻，控制器发出的控制信号通过出货隔离驱动电路控制螺旋驱动电机转动，再通过微型减速器驱动螺旋推送器旋转。

5、根据权利要求1所述的自动售货机动作控制系统，其特征在于所述螺旋推送器每转一周，能够推出一个待售商品，在螺旋推送器每转一周的过程中，微动开关能够被断开2次，并产生待检测的脉冲信号，该脉冲信号经采样电阻、滤波整形电路和出货光电隔离电路输入至控制器，所述采样电阻、滤波整形电路和出货光电隔离电路构成了脉冲检测电路。

6、根据权利要求1所述的自动售货机动作控制系统，其特征在于所述螺旋驱动电机的控制线路采用线性映射规律布置，每一层转接板和布线完全相同，一个脉冲检测电路经十六根相控制线能够与60个螺旋驱动电机配合，采用十六根线和每层完全相同的电路转接板能够实现对60个螺旋驱动电机的控制，所述60个螺旋驱动电机与十六根控制线的线性映射关系具有如下形式：

$A=\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

7、根据权利要求1所述的自动售货机动作控制系统，其特征在于所述升降货架驱动电机运送待售商品的运送轨迹采用模糊逻辑与经典确定集合的混合逻辑隶属函数确定，可对非线性控制对象实施分段线性控制，在相邻分段的边界上，采用传统的模糊逻辑实现软切换。

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