从20世纪60年代自动售货机出现以来，自动售货业逐渐由欧美向全球普及，相关领域的研发工作方兴未艾^[1]。在售货机控制器方面，文献[2]研究了利用单片机控制自动售货机销售和监测；文献[3]基于DSP进行了全自动食品包装机控制系统的设计；文献[4]研究了基于GSM短信的自动售货机监控管理系统；Ramzan等^[5]研究了RFID在售货机售卖环节中的作用。在售货机用户体验方面，文献[6]设计了以用户为中心的售货机交互界面；Gruen等^[7]提出了名为NuiVend的下一代全自动售货机。在系统设计方面，很多研究者以PLC(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)为主控，设计了马口瓶装箱机^[8]、胶囊印字系统^[9]、热封自适应系统^[10]以及枕式包装机^[11]等。

随着人力成本提高，全自动食品制作装备得到了广泛研究，目前研制的小型自动化食品制作机械有包合式饺子机^[12]、智能炒菜机^[13]、自动面包机^[14]、自动煎蛋机^[15]等，此类机电一体化系统可依据不同食品的加工工艺、加工环境，实现自动化控制和制作，并可集成自动包装、质量监测等附加工序。但集制作与售卖于一体的现做现售系统，在国内鲜有投入使用。尤其像三明治等快捷食品，随着人们生活节奏的加快及对健康食品需求的增大，越来越受到消费者的青睐，但从国内外公开的文献报道看，目前尚无全自动三明治制作与售卖系统研究与产品研制。

针对以上情况，笔者研制了一种新型三明治自动制作与售卖系统。该系统具备触摸屏自助选餐、自动投币找零及移动支付^[16]、温湿度控制、传动机构故障诊断、上位机和手机APP (application program, 应用程序)远程监控等功能，以期填补国内在该领域的空白。

1 三明治自动制作与售卖系统的结构及工作流程 1.1 系统整体结构

三明治自动制作与售卖系统整体结构如图 1所示，系统由触摸屏、PLC、投币找零模块、转盘载物台机构、面包推送机构、火腿肠添加机构、酱料机构、落菜机构、转台机构、加热板以及冷却机构等组成。实物外观及内部结构如图 2、图 3所示。

1.2 系统的工作流程

本系统的工作流程为：顾客可选择触摸屏点餐、线下支付或者手机扫码点餐、在线支付，系统接收到支付成功信号后，三明治制作模块开始进行三明治制作，包括面包投放、火腿肠添加、酱料挤压以及生菜填放，最后经过加热板加热后送出给顾客拿取。

2 三明治自动制作与售卖系统的控制方案

在系统工作过程中，任意步骤出现传动机构故障、执行器同步故障等时，机器都会停止运行并通过上位机和手机APP报警。根据其工作流程，三明治自动制作与售卖系统的操作控制主流程如图 4所示。

如图 5所示，根据控制要求设计的控制方案为：1)采用三菱PLC作为主控制器，外围搭配触摸屏、单片机、投币找零器、模数转换模块、步进电机，连同多个传感器、WI-FI模块、以太网模块等构成系统框架；2)顾客在MCGS(monitor control generated system，监视与控制通用系统)触摸屏上选择购买的套餐，并往投币器中投入大于或等于套餐价格的钱币，STM32单片机通过MDB(multi-drop bus，多点通信总线)获取投入的金额信息并将信息传给PLC进行处理，也可选择微信或支付宝扫码在线支付方式；3)通过两自由度的电机丝杆传动机构以及光电开关、限位开关，实现面包片、蔬菜叶、火腿肠的准确投放，通过电磁铁实现酱料桶中的酱料向外定量挤压；4)利用转盘机构和光电信号实现载物台转动及在各物料添加处精确停止；5)采用温湿度传感器配合模数转换模块对温湿度信号进行采集并传至PLC处理，控制制冷机构和加湿器的启停；6)通过具有远程监控功能的手机APP和上位机以实现实时查看系统中食材余量、营业额和故障信息等。

3 三明治自动制作与售卖系统硬件设计 3.1 系统电路设计

根据本次设计的控制需求，系统配置了19个输入点，其中包括1个急停按钮、7个光电传感器(检测物体是否到位)、10个限位开关(控制各部件的精确定位)以及1个三轴加速度传感器(检测传动机构故障)；设置了21个输出点，其中包括2个指示灯、14个电机驱动控制口、2个电磁铁控制口以及3个继电器控制口。输入点和输出点共计40个。考虑到系统以后的扩展和补充，预留20%~30%的输入/输出点。本设计选用三菱FX3GA-60MT型PLC实现对三明治自动制作及售卖系统的控制。

人机界面选用昆仑通泰TPC1061TI型触摸屏，通过一根DB9母转圆头8针通讯线与PLC连接；纸币器、硬币器分别选用吉鸿电子股份有限公司的V77E和CC6000两款产品，经过STM32单片机编程后将MDB接口转换为232接口^[17-18]，经过485转232模块与PLC通讯模块FX3G-485-BD连接；移动支付是采用易付乐MP86模块，可实现顾客微信或支付宝选餐付款；串口转以太网模块、串口转WI-FI模块分别采用数之路TU8005和红心物联hx-wifi-43与PLC通讯模块连接；温湿度检测选用北京星仪传感器技术有限公司的CWS16-B-00-A1-B-G型温湿度传感变送器，在经过PLC拓展模块FX2N-2AD-BD模数转换后将数字信号传给PLC。系统PLC电路设计如图 6所示。

3.2 系统关键硬件结构设计

如图 7所示为面包位填料机构，将一摞市面上尺寸(长×宽×高)为11 cm×10 cm×1 cm的面包片整齐放置在面包桶中，面包桶里有个可上下移动的托盘，面包片的填放是由两自由度的丝杆滑台完成的。与托盘相连的沿垂直方向运动的滑台由步进电机驱动，推动整个面包层向上运动，推动面包片向外的推杆与水平方向滑台连接，通过电机驱动将面包片推出桶外。丝杆滑台采用滚珠丝杠，型号为1204，即丝杆直径为12 mm，螺距为4 mm；电机选用两相步进电机，型号为42BYG39，其最大静力矩为0.4 N·m，步距角为1.8°，工作电流为1.2 A；配套选用TB6600型步进驱动器，其最大细分数可达6 400。

本系统采用的转盘载物台机构如图 8所示，实现载物台到各个填料位置的加料。在转盘机构的上方安装了一个可作前后直线运动的丝杆滑台，滑台上固定有特定高度的载物台，这个可以绕圆周和前后运动的机构可以实现同一高度任意位置的定位。转盘轴承选用51216推力球轴承，轴承内径为80 mm，外径为115 mm，厚度为28 mm；驱动电机采用型号为86BYG250B的步进电机，其最大静力矩为4 N·m，工作电流为4 A；配套驱动器选用MA860H，可实现交直流供电。

4 三明治自动制作与售卖系统软件设计

系统的软件设计是整个控制要求得以实现的核心。基于GX Works2程序编译软件，三明治自动制作与售卖系统的控制程序包括三明治制作模块、人机界面显示模块、温湿度采集模块、投币找零通讯模块、上位机及手机APP监控模块等的控制程序。

4.1 三明治制作模块设计

三明治自动制作包括系统归零、面包片添加、火腿肠添加、酱料添加、生菜添加以及加热送出等步骤。当转盘载物台转到面包桶位置，面包桶位置有光电信号输出时，位于垂直方向的步进电机4带动面包托盘向上移动一段距离，待一片面包露出桶外时检测面包片光电开关输出信号，水平轴向步进电机1从初始位置向外推出，丝杠滑台带动面包推板将面包片缓缓推出至载物台，当面包片完全落入载物台时，面包片推出限位开关输出信号，此时水平轴向步进电机1开始收回直到收回限位开关输出信号而停止，至此面包片添加步骤完成。面包片添加程序流程图如图 9所示。

4.2 人机界面显示模块设计

人机界面采用MCGS嵌入版组态软件进行设计。打开软件并新建一个工程，设置所用触摸屏和PLC型号，设计用户窗口中顾客选餐所需的内容，其中使用了标签动态显示元件、位状态指示灯元件、位状态切换按钮元件、报警显示元件等，设计的人机界面如图 10所示。组态设计好之后进行编译，通过下载配置中USB通讯将程序下载至触摸屏中运行。

4.3 温湿度采集模块设计

本设计采用温湿度传感器将温湿度值通过4~20 mA的模拟信号传给FX2N-2AD转化为数字信号，由PLC程序处理，如图 11所示，程序会将反馈回来的机器内部温湿度数据与预定设置数值进行对比。如果温度偏高，PLC会发送信号给冷却机构继电器，继电器吸合冷却机构给机器降温，当温度下降到设定值后，PLC发送停止信号，冷却机构停止工作。湿度控制亦同理。

4.4 投币找零通讯模块设计

为了方便PLC与投币找零机器的通讯，利用单片机作为中转站，将投币找零机器遵循的MDB协议固化在单片机程序中，PLC与单片机的通讯数据包格式如表 1所示。例如实现“找2元”的数据命令格式为：0X4546CB0800150400C80000004A44，其中4546为“EF”起始标志位的ASCII码值，CB为常数203的十六进制表示，0800为帧编号字节，15为15号命令字，0400为数据字节数(4个字节)，C8000000为代表 200分的找零数据，4A44为CRC校验字节。其它命令字也都按这样的格式发送。

4.5 上位机及手机APP监控模块设计

基于C#，用Visual Studio软件设计出上位机远程监控程序，其监控界面如图 12所示。通过界面的可视化编程，采用事件触发机制将各个功能设定在界面中，可实时察看分布在各地区的三明治自动制作与售卖机中食材余量、温湿度、营业额、有无故障等信息。

设计完成了一个由基于Android平台的监控终端模块、无线通讯模块、PLC下位机接口电路三部分组成的子系统，对三明治自动制作与售卖系统中的运行状态进行监测，顾客还可通过微信或支付宝扫码选餐并在线支付实现三明治的购买。开发的手机APP监控和选餐支付界面如图 13所示。

5 结束语

本文介绍了三明治自动制作与售卖系统的研制，实现了三明治实时制作与售卖，并实现制作过程的远程监控。经试运行后发现，系统可满足一次填料后长时间不间断工作，性能稳定；其人机界面友好，同时支持纸硬币收取、扫码支付，快捷便利；食材采用密闭空间存放，低温冷藏处理；物联网技术的应用使得多地多台的售卖监控得以保证，极大地节省了人力。该产品可用于学校、医院、商场、社区等众多场所，潜在的消费人群巨大，具备产生重大经济和社会效益的潜力。