一种新型自动售餐机控制系统设计

朱家诚，王克站，杨　波，吴焱明

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009）

一种新型自动售餐机控制系统设计

朱家诚，王克站，杨波，吴焱明

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009）

为一款饭菜分装售卖的自动售餐机设计了控制系统，以工控机作为上位机，PLC为主控制器，触摸显示器为人机交互界面，工业无线路由器为物联网设备，步进电机和直流电机为执行机构，通过移动支付方式，对不同种类的盒饭进行组合售卖。该系统与现有的售餐机相比，将原有的整装盒饭化整为零，更多考虑了顾客的购买需求，盒饭加热效率更高。

自动售卖机；盒饭；物联网；控制系统

随着我国城市化进程的推进和电子商务的发展，网上订餐业务得到大范围的推广，但这并不能够满足人们用餐的需要。用餐高峰期时无法及时就餐，外卖人员穿梭于城市的大街小道存在交通风险以及无法保证食品的口感等等都是目前外卖行业存在的不足。因此，研究与设计一款自动售餐机成为一种需求。目前针对餐饮业的自动售货机数量比较少，而且现有的自动售餐机之所以没能得到大范围的推广，是因为存在菜品单一、购买体验差、价格无优势等不足［1］。为此，设计了一种基于3G/4G网络的自动售餐机，通过微波炉加热、商品标准化、采用高效的机械结构等来改善现有售餐机存在的不足，实现快餐盒饭的高效无人售货。

1　基本组成及其工作原理

自动售餐机所售的每个饭盒里只装一种菜或一份饭，用户根据个人口味和用餐量去选择饭菜的种类和数量。现有的自动售餐机还未有这样的销售方式。

自动售餐机外部包括显示器、支付装置、声音输出与监控设备、取货口等；内部结构包括升降横移系统、小车取货系统、加热系统等，如图1所示。自动售餐机框架主要用于构建工作平台，在买家进行付款，控制系统收到指令后开始工作，升降横移系统用于实现取货小车到达指定商品位置；到达所需位置后，取货小车上的主动齿轮可与扫杆上的从动齿轮实现对接，从而推动推板使饭盒前移至取货小车上，随后取货小车由升降横移系统移至加热系统进行加热，加热完成后，再由传送带运输到出餐口，取货小车返回初始位置，买家取走餐品，完成一个购买流程。

图1　内部结构示意图

2　控制系统硬件设计

控制系统硬件部分主要由工控机、PLC、触摸显示器、网络摄像机、步进电机及其驱动器、直流电机和接近开关等组成。

PLC的输入点包括：1个启动开关，X轴与Z轴的原点和正负极限、微波炉升降限位、加热运输的启动与限位、取货运输限位等11个接近开关，1对取物台对射开关，一共13个输入信号；PLC的输出点包括：X轴与Z轴步进电机的脉冲方向、启动、微波炉启动、微波炉升降、取货小车滚筒正反转、制冷、加热运输带启动、取货运输带启动、齿轮动力电机启动等，一共14个输出信号［2］。综合考虑通讯接口类型、输入输出点数量、成本、性能等方面后选用研华公司的工控机和台达公司的EH系列PLC，触摸显示器选用47英寸的红外触摸显示器［3］。如图2所示。

图2　控制系统硬件组成

3　控制系统软件设计

控制系统软件包括三个部分：上位机程序、PLC程序、人机交互界面。

3.1上位机程序与人机交互界面设计

上位机程序是在Windows系统的.NET平台上，使用C#语言进行编写的。上位机程序主要包括串口通讯、数据库、人机界面（如图3）、支付方式等程序模块。

图3　自动售餐机购买界面

自动售餐机的购买界面如上图3所示。购买窗体通过加载不同的子窗体更换购买菜单，通过点击每个商品对应的加减按钮来进行商品的选择，用户的选择会即时显示在窗体下方的购物车显示框中，点击清空购物车清空用户的选择。界面40 s无任何操作会返回到广告界面。

自动售餐机支持四种购买方式：微信扫码支付、支付宝当面付、银联卡闪付、手机客户端预约购买。通过选择界面下方的支付方式来完成购买。

使用的数据库类型为MySql数据库，数据库类中封装了对数据库的连接、关闭连接、查询、更改等方法。用户完成一次购买流程后，数据库里的商品数据会进行实时的更新。

串口通讯包括工控机与PLC之间的通讯、工控机与网络摄像机的通讯、工控机与工业无线路由器的通讯。工控机与PLC之间采用485串口通讯，工控机与网络摄像机、工业无线路由器之间采用RJ45连接。

3.2PLC程序设计

下位机系统实现对自动售餐机运动系统的控制，以及与上位机的通讯和对报警信号的处理。运动系统的动作流程图如图4所示。

图4　自动售餐机运动系统动作流程图

PLC程序按照模块化的思想来编写［4］。主要分为原点回归、目标定位模块、加热制冷模块。

原点回归模块：X轴和Z轴电机建立坐标系，原点回归程序用于找原点，校准坐标系。

加热制冷模块：售餐机所销售的盒饭采用冷链存储，以此来保证食物的口感和品质。使用一个开关量控制制冷的通断，当温度低于一个阈值则启动压缩机。售餐机售出的盒饭需要被加热到65～70℃，当检测到盒饭已经被送到微波炉的位置，微波炉由一个电机驱动将盒饭覆盖到加热腔内，约20 s的时间即可将食物加热到预期的温度。

目标定位模块：X轴和Z轴的电机建立了一个平面坐标系，顾客选定食品后，则根据这个食品所在的坐标移动电机到指定位置，执行下一步动作。

自动售餐机运动系统的动作流程图如图4所示，收到指令后，取货小车（如图5所示）到达商品货道位置取货，齿轮动力电机和小车滚筒电机同时运转，货物推到小车上时光电对射开关收到信号；然后移动取货小车到加热运输带位置，加热运输带运转，小车滚筒电机反转，使得商品到加热位置，收到信号后微波炉升降电机运转令微波炉下降到加热位置，加热腔将商品覆盖；按设定的时间加热完成后，微波炉升降电机反转使微波炉回到初始位置，同时取货运输带运转，把商品送到出货口，完成一次取货过程。

图5　取货小车结构示意图

4　设备测试结果

设备经测试，可以按设计要求工作，每个盒饭加热速度在20 s左右，每个顾客的购买时间控制在一分钟左右，大大提高了购买效率。每个饭菜单独包装独立销售不同于传统盒饭的套餐式销售，用户可以根据自己的口味随意搭配食物，既提高了用户的满意度，又一定程度地减少了食物的浪费。

机器运行良好，减少了快餐售卖过程中人力的使用，增加了商家的营业额。大尺寸触摸屏的使用，使用户体验得到良好的提升，并且可以作为广告屏来使用，提高了产品的宣传效果，也进一步利用了资源［5］。

5　结束语

该系统已在合作企业平台上正常运行，取得了预期的效果。通过对系统操作和人机交互界面的优化，该类型自动售餐机能够实现方便购买、快速出货。

新型自动售餐机可以放置在都市办公楼，学校等现代化程度高，生活节奏快，便利店较少的地点，提高了都市快节奏人群的生活质量。快餐的支付方式采用了支付宝、微信扫码，银联卡闪付，弃用了传统纸硬币支付，这迎合了都市人群现代化支付方式的革新。同时为了让餐品令人吃的放心，吃的开心，需要配套开发标准化中餐，形成中式标准，这为中餐的进一步标准化做了有力推进。

［1］王斯默.自动售货机:万物皆可出售［J］.初中生学习·博闻，2015，（10）:38-39.

［2］王起.论PLC、单片机、工控机在工业现场中的应用及选用方法［J］.广西轻工业，2011，（1）：64-65.

［3］王小牧，张纪.台达PLC高速计数器在位置控制中的应用［J］.金属加工:冷加工，2013，（9）:56-58.

［4］迟君平，王斌，李业友.模块化编程方法在程序开发中的应用［J］.微计算机信息，2005，21（6）：26-27.

［5］吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用［J］.自动化仪表，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

朱家诚（1959-），男，安徽人，教授，硕士生导师，主要研究方向：机电产品设计、软件开发；王克站（1991-），男，安徽人，在读硕士研究生，主要研究方向：数字化设计与制造。