一種新型自動售餐機控制系統設計

朱家誠，王克站，楊　波，吳焱明

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥230009）

一種新型自動售餐機控制系統設計

朱家誠，王克站，楊波，吳焱明

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥230009）

為一款飯菜分裝售賣的自動售餐機設計了控制系統，以工控機作為上位機，PLC為主控制器，觸摸顯示器為人機交互界面，工業無線路由器為物聯網設備，步進電機和直流電機為執行機構，通過移動支付方式，對不同種類的盒飯進行組合售賣。該系統與現有的售餐機相比，將原有的整裝盒飯化整為零，更多考慮了顧客的購買需求，盒飯加熱效率更高。

自動售賣機；盒飯；物聯網；控制系統

隨著我國城市化進程的推進和電子商務的發展，網上訂餐業務得到大范圍的推廣，但這并不能夠滿足人們用餐的需要。用餐高峰期時無法及時就餐，外賣人員穿梭于城市的大街小道存在交通風險以及無法保證食品的口感等等都是目前外賣行業存在的不足。因此，研究與設計一款自動售餐機成為一種需求。目前針對餐飲業的自動售貨機數量比較少，而且現有的自動售餐機之所以沒能得到大范圍的推廣，是因為存在菜品單一、購買體驗差、價格無優勢等不足［1］。為此，設計了一種基于3G/4G網絡的自動售餐機，通過微波爐加熱、商品標準化、采用高效的機械結構等來改善現有售餐機存在的不足，實現快餐盒飯的高效無人售貨。

1　基本組成及其工作原理

自動售餐機所售的每個飯盒里只裝一種菜或一份飯，用戶根據個人口味和用餐量去選擇飯菜的種類和數量。現有的自動售餐機還未有這樣的銷售方式。

自動售餐機外部包括顯示器、支付裝置、聲音輸出與監控設備、取貨口等；內部結構包括升降橫移系統、小車取貨系統、加熱系統等，如圖1所示。自動售餐機框架主要用于構建工作平臺，在買家進行付款，控制系統收到指令后開始工作，升降橫移系統用于實現取貨小車到達指定商品位置；到達所需位置后，取貨小車上的主動齒輪可與掃桿上的從動齒輪實現對接，從而推動推板使飯盒前移至取貨小車上，隨后取貨小車由升降橫移系統移至加熱系統進行加熱，加熱完成后，再由傳送帶運輸到出餐口，取貨小車返回初始位置，買家取走餐品，完成一個購買流程。

圖1　內部結構示意圖

2　控制系統硬件設計

控制系統硬件部分主要由工控機、PLC、觸摸顯示器、網絡攝像機、步進電機及其驅動器、直流電機和接近開關等組成。

PLC的輸入點包括：1個啟動開關，X軸與Z軸的原點和正負極限、微波爐升降限位、加熱運輸的啟動與限位、取貨運輸限位等11個接近開關，1對取物臺對射開關，一共13個輸入信號；PLC的輸出點包括：X軸與Z軸步進電機的脈沖方向、啟動、微波爐啟動、微波爐升降、取貨小車滾筒正反轉、制冷、加熱運輸帶啟動、取貨運輸帶啟動、齒輪動力電機啟動等，一共14個輸出信號［2］。綜合考慮通訊接口類型、輸入輸出點數量、成本、性能等方面后選用研華公司的工控機和臺達公司的EH系列PLC，觸摸顯示器選用47英寸的紅外觸摸顯示器［3］。如圖2所示。

圖2　控制系統硬件組成

3　控制系統軟件設計

控制系統軟件包括三個部分：上位機程序、PLC程序、人機交互界面。

3.1上位機程序與人機交互界面設計

上位機程序是在Windows系統的.NET平臺上，使用C#語言進行編寫的。上位機程序主要包括串口通訊、數據庫、人機界面（如圖3）、支付方式等程序模塊。

圖3　自動售餐機購買界面

自動售餐機的購買界面如上圖3所示。購買窗體通過加載不同的子窗體更換購買菜單，通過點擊每個商品對應的加減按鈕來進行商品的選擇，用戶的選擇會即時顯示在窗體下方的購物車顯示框中，點擊清空購物車清空用戶的選擇。界面40 s無任何操作會返回到廣告界面。

自動售餐機支持四種購買方式：微信掃碼支付、支付寶當面付、銀聯卡閃付、手機客戶端預約購買。通過選擇界面下方的支付方式來完成購買。

使用的數據庫類型為MySql數據庫，數據庫類中封裝了對數據庫的連接、關閉連接、查詢、更改等方法。用戶完成一次購買流程后，數據庫里的商品數據會進行實時的更新。

串口通訊包括工控機與PLC之間的通訊、工控機與網絡攝像機的通訊、工控機與工業無線路由器的通訊。工控機與PLC之間采用485串口通訊，工控機與網絡攝像機、工業無線路由器之間采用RJ45連接。

3.2PLC程序設計

下位機系統實現對自動售餐機運動系統的控制，以及與上位機的通訊和對報警信號的處理。運動系統的動作流程圖如圖4所示。

圖4　自動售餐機運動系統動作流程圖

PLC程序按照模塊化的思想來編寫［4］。主要分為原點回歸、目標定位模塊、加熱制冷模塊。

原點回歸模塊：X軸和Z軸電機建立坐標系，原點回歸程序用于找原點，校準坐標系。

加熱制冷模塊：售餐機所銷售的盒飯采用冷鏈存儲，以此來保證食物的口感和品質。使用一個開關量控制制冷的通斷，當溫度低于一個閾值則啟動壓縮機。售餐機售出的盒飯需要被加熱到65～70℃，當檢測到盒飯已經被送到微波爐的位置，微波爐由一個電機驅動將盒飯覆蓋到加熱腔內，約20 s的時間即可將食物加熱到預期的溫度。

目標定位模塊：X軸和Z軸的電機建立了一個平面坐標系，顧客選定食品后，則根據這個食品所在的坐標移動電機到指定位置，執行下一步動作。

自動售餐機運動系統的動作流程圖如圖4所示，收到指令后，取貨小車（如圖5所示）到達商品貨道位置取貨，齒輪動力電機和小車滾筒電機同時運轉，貨物推到小車上時光電對射開關收到信號；然后移動取貨小車到加熱運輸帶位置，加熱運輸帶運轉，小車滾筒電機反轉，使得商品到加熱位置，收到信號后微波爐升降電機運轉令微波爐下降到加熱位置，加熱腔將商品覆蓋；按設定的時間加熱完成后，微波爐升降電機反轉使微波爐回到初始位置，同時取貨運輸帶運轉，把商品送到出貨口，完成一次取貨過程。

圖5　取貨小車結構示意圖

4　設備測試結果

設備經測試，可以按設計要求工作，每個盒飯加熱速度在20 s左右，每個顧客的購買時間控制在一分鐘左右，大大提高了購買效率。每個飯菜單獨包裝獨立銷售不同于傳統盒飯的套餐式銷售，用戶可以根據自己的口味隨意搭配食物，既提高了用戶的滿意度，又一定程度地減少了食物的浪費。

機器運行良好，減少了快餐售賣過程中人力的使用，增加了商家的營業額。大尺寸觸摸屏的使用，使用戶體驗得到良好的提升，并且可以作為廣告屏來使用，提高了產品的宣傳效果，也進一步利用了資源［5］。

5　結束語

該系統已在合作企業平臺上正常運行，取得了預期的效果。通過對系統操作和人機交互界面的優化，該類型自動售餐機能夠實現方便購買、快速出貨。

新型自動售餐機可以放置在都市辦公樓，學校等現代化程度高，生活節奏快，便利店較少的地點，提高了都市快節奏人群的生活質量。快餐的支付方式采用了支付寶、微信掃碼，銀聯卡閃付，棄用了傳統紙硬幣支付，這迎合了都市人群現代化支付方式的革新。同時為了讓餐品令人吃的放心，吃的開心，需要配套開發標準化中餐，形成中式標準，這為中餐的進一步標準化做了有力推進。

［1］王斯默.自動售貨機:萬物皆可出售［J］.初中生學習·博聞，2015，（10）:38-39.

［2］王起.論PLC、單片機、工控機在工業現場中的應用及選用方法［J］.廣西輕工業，2011，（1）：64-65.

［3］王小牧，張紀.臺達PLC高速計數器在位置控制中的應用［J］.金屬加工:冷加工，2013，（9）:56-58.

［4］遲君平，王斌，李業友.模塊化編程方法在程序開發中的應用［J］.微計算機信息，2005，21（6）：26-27.

［5］呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統的應用［J］.自動化儀表，2010，31（8）：45-51.

The Design of Control System for the Vending Machine Used for Selling Bentos

ZHU Jia-cheng，WANG Ke-zhan，YANG Bo，Wu Yan-ming
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Anhui Hefei 230009，China）

Anautomatic control system for a new-type vending machine used for selling bentos which is designed，with IPC as upper machine，PLC as master controller，touch display screen as human machine interface and industrial wireless router as device connected to the Internet，using stepper motor and AC motor as actuator，achieves the selling of different kinds of combined box by means of mobile payment.Compared with the existing methods，the control system breaks up the traditional whole box into parts，the purchase demand of customers are more considered.

vending machine；bento；internet of things；control system

TP29；TB472

A

1672-545X（2016）07-0079-04

2016-04-18

朱家誠（1959-），男，安徽人，教授，碩士生導師，主要研究方向：機電產品設計、軟件開發；王克站（1991-），男，安徽人，在讀碩士研究生，主要研究方向：數字化設計與制造。