基于单片机的自动售货机模拟设计

刘志臣

摘 要：本系统设计是在YL-236实验台的硬件基础上，以AT89C52芯片为核心，以键盘、传感器为输入系统，以数码管、液晶显示及步进电机、物料搬运装置为输出系统的模拟智能化控制系统。自动售货机由货币管理（识别接收）、货物库、货物搬运装置、传送装置、状态显示等组件组成。本售货机具有找零功能，并且可根据需要售出相应的货物。

关键词：单片机； 自动售货机； YL-236实验台； 控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1006-3315（2014）03-146-002

1.方案设计

自动售货机由货币管理（识别接收）、货物库、货物搬运装置、传送装置、状态显示等组件组成。YL-236实验台是近年亚龙公司研制的用于教学的单片机控制装置实验台，合理利用该实验台模拟设计日常生活生产中的控制装置，对于中职电类专业教学有十分重要的意义。研究该实验台各模块电路原理后，从实际出发，我作出如下设计：

1.1货币管理方案的选择

硬币识别接收用金属传感器配合智能物料搬运装置实现，金属传感器检测到投币后,硬币由投币口进入到硬币识别处（智能物料搬运装置工位一），如图1-1。识别后由机械手接收存放并计算货币金额。

硬币用黄球和白球代替,黄球代表1元,白球代表5角。“货币存放处”在步进电机位置指针的2cm处（1元），3cm处（5角）。若取消购买，则由传送装置将其送入出币口（步进电机位置指针的1cm处）。

图1-1YL-G001型智能物料搬运装置 图2-1系统框图

78 9汽水

45 6咖啡

123茶饮

0 确认 取消 查询

图1-2键盘示意图图2-2 选货界面

1.2货物管理方案的选择

模拟货物有三种：汽水、咖啡、茶饮。分别用黑球、白球、黄球代替，售价分别2.5元、4元、3.5元；每件商品对应的满货量均为5件。

出货时,根据选定的饮料名称寻找相应的位置，饮料由搬运装置送入交接口并进入传送带，由传送装置将饮料送至“取货品处”。饮料库的位置由步进电机的位置模拟，汽水、咖啡、茶饮分别在步进电机位置指针的7cm、8cm、9cm处；取货品处用步进电机位置指针的15cm处代替。

1.3传送装置方案的选择

整个系统的传送装置由步进电机模拟。闸门电机由24V直流电机模拟。

1.4键盘方案的选择

由于系统需要的功能键稍多，我在本系统中选择了4×4矩阵按键如图1，查询键用来查询售货机内货品相关信息；其中“0”具有第二功能，代表光标右移。

1.5显示方案的选择

由于系统需要计数和状态查询共同显示，因此我选择使用数码管和12864液晶显示屏。

1.6电源方案的选择

本系统由实验台电源模块统一提供5V、12V、24V电源，并且钮子开关模拟控制总开关，控制运行机构电源（24V）通断。

1.7报警方案选择

在售货机出货后和无货时，我选择用主机模块的有源蜂鸣器做报警装置。

2.系统框图及工作过程

图2-1给出了系统组成方框图。系统工作过程：1）货品选择。按下货品所对应的按键，显示对应的货品信息，以汽水为例进行说明：按下“汽水”键，LCD显示如图2-2，对应数量“XX”反白显示，按数字键输入货品数量，总价自动更新，确认后显示“请投币”，数码管右侧两位开始计时。

2）投币。60秒内未检测到硬币进入，自动取消购买，返回初始状态。若正常投币确认，数码管重新开始计时，机械手进入硬币识别区进行检测，并在液晶屏上更新显示“共投入XX元”、“找零XX元”、“请确认”。按下确认键，机械手对货币进行自动分拣，存到相应的“货币存放处”；若需要找零則开始找零，若不需找零直接进入出货过程，若按下取消键，液晶屏显示“请取回货币”，直接将硬币送入出币口。找零与存货币过程相反，先取货币，再送至出币口。

3）若恰好本机无零钱，则液晶屏显示“本机当前无法找零”、“是否继续”，确认键继续，取消键退回硬币。

4）出货过程：硬币进入“货币存放处”后，根据名称寻找对应货品存放处，打开库门电机，然后自动抓取货品，抓取完毕关库门，货物由传送带送至“取货品处”时，蜂鸣器发出提示音提示取货， 2秒后返回初始状态。

5）在购买饮料时，若该饮料已经售完，蜂鸣器报警，居中显示“XX已售完”，5秒后返回初始状态。

6）售货机不售货时，60秒内无任何操作，则进入休眠状态，按任意键唤醒

7）查询功能：首先进入密码输入界面图2-3。此时需从键盘输入六位数字的查询密码（初定为987654），若密码正确，则进入查询界面，每种货品后面显示剩余货品数，并在数码管左侧四位显示货币箱内总金额。否则返回初始状态。

3.系统分立模块设计及工作原理

3.1键盘模块及原理

在本系统中输入输出设备较多，51单片机仅有32个I/O口已经不能满足功能需要。因此我设计使用8255扩展芯片，由于PC口可以作为两个4位口，矩阵键盘4行4列就可以分别通过8255扩展芯片PC口高低4为接到单片机芯片I/O端口。单片机通过键盘扫描程序判断键值并且执行相应的子程序。

3.2货币管理设备及原理

因为本装置上的直流电机工作电压为24V，工作电流也比较大，单片机的工作电压为5V,所以单片机不能直接对本装置进行控制，需要通过继电器模块进行转接。另外，搬运装置中的传感器信号也不能直接加到单片机I/O端口上，需要通过光耦模块进行转换。

3.3货物管理设备及原理

本设备中步进电机采用两相永磁感应子式步进电机，并且带有SJ-230M2驱动器，因此只要由单片机输出三路信号就可以控制它，并且在本系统模拟中精度足够好。直流电机也需要通过继电器来控制，因此必须由单片机端口引出控制信号。

3.4显示设备及原理

TG12864液晶模块是一款内部没有字库的模块，因此在编程时需要注意提取字模。数码管和液晶模块的数据线可以与8255分时复用P0口，采用总线写法编程。

4.系统工作流程简图

编程软件是利用Keilc、万利仿真器配套软件Medwin3.0。编程语言选用C51，C51既可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，又以函数形式提供给用户的，可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。主程序设计主要采用循环结构，流程简图如图4。

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图4系统工作流程简图

5.总结

为了保证本模拟系统符合要求，需对系统进行适当检测和调试。对系统的调试可分为几个部分，首先检查硬件电路的连接并进行适当的调试、对系统的数据传输进行调试、对设备出现的故障进行全面的分析和处理，确保系统运转正常。YL-236设备采用模块化设计，本系统中各个模块相互独立又相互联系，易于排除故障，具有良好的可靠性。

参考文献：

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程，北京：电子工业出版社，2009

[2]林伸茂，管继斌，白雁均.8051单片机彻底研究基础篇，北京：人民邮电出版社，2004

[3]葛金印商联红.单片机控制项目训练教程，北京：高等教育出版社，2010

[4]陈劲松.自动售货控制系统电路设计，煤炭技术，2001,(1):206~207