一种自动饮料机的设计与实现

郝卓楠

(华中科技大学计算机学院　武汉　430074)

一种自动饮料机的设计与实现

郝卓楠

(华中科技大学计算机学院武汉430074)

摘要利用数字电路设计了一个自动饮料机,采用计数器实现饮料选择功能,采用3-8译码器实现饮料选择指示灯的状态变化,运用四路选择器实现加糖或不加糖的自动判断,并将结果输出至糖输出电路,实现自动加糖或不加糖的功能。该自动饮料机可供使用者根据喜好选择相应的饮料,并选择加糖与否,选择情况及饮料输出情况由指示灯状态显示,设计原理简单实用贴近生活。

关键词数字电路; 计数器; 选择器; 译码器

Class NumberTP391

1引言

以二进制逻辑代数为数学基础的数字电路是电子电路中重要的一种,由于具有稳定性好,可靠性高,信息可长期储存及便于高度集成化的优点,已被广泛应用于雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术领域以及日常生活中。从20世纪60年代开始,数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件;20世纪70年代末,微处理器的出现,使数字集成电路的性能产生质的飞跃。近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步,使数字电子技术开创了新局面,不仅规模大,而且将硬件与软件相结合,使器件的功能更加完善,使用更灵活。同时,在半导体工艺、平版印刷、金属化和封装等技术进步的支持下,数字技术也迅猛发展,比以往更快、更复杂的数字电路正在成为现实[1～5]。本文利用数字电路设计了一个自动饮料机,它是数字电路应用于日常生活的一个典例,其中采用计数器实现饮料选择功能,采用3-8译码器使指示灯的状态根据计数器的状态正确变化;自动加糖电路则是运用四路选择器,实现加糖或不加糖的自动判断,并将结果输至糖输出电路,实现自动加糖或不加糖的功能。

2功能描述

根据需求,本自动饮料机需具有如下功能:机内预先装有咖啡和果汁,可自动根据用户的选择提供相应饮料。两种饮料根据加糖与否可有四种选择:咖啡(加糖),咖啡(不加糖),果汁(加糖),果汁(不加糖)。饮料机外壳上有2个按钮,一个为“选择”键,另外一个为“确定”键;此外还有四个指示灯,分别对应四种饮料的选择结果。每按一次“选择”键,机器上对应的饮料指示灯点亮,再按一次,原先的指示灯熄灭,下一种饮料对应的指示灯亮起,直到最后一种饮料,之后循环从第一种饮料开始。“确定”键未按下时,指示灯闪烁,按下“确定”键后,指示灯不再闪烁而是持续发光,此时饮料机流出相应饮料,并自动根据选择判断是否加糖,加糖电路是否工作。饮料接完后,若想停止出饮料,再按一次“确定”键即可,然后便可重新选择饮料,此时指示灯也重新变为闪烁。

设Y1、Y0为选择不同饮料代表的不同状态,状态共有四种,分别为:00,01,10,11,它们对应不同的指示灯及加糖电路不同的输出,对应关系如表1所示。

表1　饮料状态及对应指示灯状态、加糖电路输出结果

使用者的使用流程及机器的运行流程如图1所示(左侧为使用流程,右侧为机器运行流程)。

图1　使用者的使用流程及机器运行流程

3结构描述

本饮料机的电路结构分为四个模块:模式控制电路,译码与显示驱动电路,自动加糖电路,饮料/糖输出电路。各模块之间的联系如图2所示。

各模块功能及原理如下:

1) 模式控制电路:用来选择所需饮料

原理:同步时序逻辑电路(计数器)

注:CP1:选择是哪种饮料,哪个灯泡发光;CP2:令灯泡闪烁;K:令灯泡持续发光图2　饮料机结构描述

2) 译码与显示驱动电路:令相应指示灯闪烁或持续发光

原理:译码器组合逻辑电路

3) 自动加糖电路:根据选择提供/不提供糖

原理:四路选择器

4) 饮料/糖输出电路:输出饮料/糖

以下分别描述各模块的电路设计。

4电路设计

4.1模式控制电路

本模块采用模四计数器[6～7],它们由两个J-K触发器组成,实现了“选择”键按下时选择不同饮料的状态转换。状态表见表2,状态图如图3所示。

表2　模式控制电路状态表

图3　模式控制电路状态转移图

由状态表及状态图可得:J1=Q0,K1=Q0,J0=1,K0=1。由此得到模式控制电路图(见图4)。

4.2译码与显示驱动电路

本模块采用3-8译码器[8～10],实现对指示灯明灭情况的控制。在模式控制电路的作用下(提供Q1、Q0),提供四个发光二极管的控制信号,当某电路输出的控制信号为低电平时,根据确定键“K”是否按下,相应的指示灯将闪烁或持续发光。状态表如表3所示。

图4　模式控制电路图

CP2KYnCCP2KYnC00000011100010111100111101000110

注:K为“确定”键;a为饮料出水装置(出咖啡);b为饮料出水装置(出果汁);CP2为自动产生脉冲信号图5　译码与显示驱动电路

译码与显示驱动电路工作原理如下:当K=1时:相当于未按下“确定”建,此时相应指示灯左侧为高电平,灯泡闪烁,不出水;当K=0时:相当于按下了“确定”键,此时相应指示灯左侧恒为低电平,指示灯持续发光,出水。

4.3自动加糖电路

本模块采用如图6所示的四路选择器,由译码与显示驱动电路提供Q1Q0,实现根据加糖与否产生不同输出的功能。当Q1Q0=00或10时,分别对应咖啡加糖和果汁加糖,此时输出Y=0(低电平),否则Y=1(高电平)。即Y=1:糖输出电路不工作;Y=0:糖输出电路工作,输出糖。

图6　自动加糖四路选择器

4.4饮料/糖输出电路

本部分采用电磁继电器装置,图7为饮料/糖输出电路示意图。

图7　饮料/糖输出电路示意图

5结语

本文利用数字电路设计了一个自动饮料机,使用者可根据喜好选择相应的饮料,选择情况及饮料输出情况由指示灯的不同明灭状态显示,且可自动根据选择加糖或不加糖,既满足了不同人群对不同口味的需求,又灵活方便,设计原理简单但实用,贴近生活。本文设计的自动饮料机基本原理可扩展至多种饮料。

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Design and Realization for An Automatic Drink Machine

HAO Zhuonan

(School of Computer Science & Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

AbstractAn automatic drink machine is designed using the digital circuit. It realizes drink choice function by using counter, and drink choice indicator light state change by using 3 to 8 decoder. It automatically judges with sugar or without sugar by using four-way selector and enables the result output to sugar output circuit, which can realize the function of automatically with sugar or without sugar. The automatic drink machine enables the users choose their fond drink, and choose to add sugar or not. The choice situation and drink output displays on the state indicator light. The design principle is simple and practical, and close to life.

Key Wordsdigital circuit, counter, selector, encoder

收稿日期:2015年12月18日,修回日期:2016年1月25日

作者简介:郝卓楠,女,研究方向:信息安全。

中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.044