简易自动售货机设计课设报告

沈阳航空航天大学

课程设计

（说明书）

；

简易自动售货机的设计

。

班级/ 学号04020101/20

学生姓名范会林

指导教师曹阳

>

沈阳航空航天大学

—

课程设计任务书

课程名称电子线路课程设计

院（系）电子信息工程学院专业电子信息工程专业

班级04020101 学号20 姓名范会林

…

课程设计题目简易自动售货机的设计

课程设计时间: 2012 年12 月31 日至2013 年01 月13 日

课程设计的内容及要求：

一、设计说明

"

设计一台简易自动售货机。

二、技术指标

1、用模拟或数字电路设计一台自动售货机，所用电源为220V交流市电。

2、可以实现收款，找零，出货，显示的功能。

3、用数码管实时显示所选购商品的种类，共5种价位1至5元,20种商品。

~

4、可收货币为一元、五元、十元三种。

三、设计要求

1. 在选择器件时，应考虑成本。

2. 根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3. 画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

&

四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案。

2. 仿真及硬件实验验证所设计的电路。

3．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料

（

1．戴伏生主编. 基础电子电路设计与实践.[M]北京：国防工业出版社，2002年

2．童诗白、华成英主编者. 模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

六、按照要求撰写课程设计报告

】

'

指导教师年月日

负责教师年月日、

学生签字年月日

成绩评定表

一、概述

自动售货机是20世纪70年代在日本、欧美发展起来的高新技术现代应用产品，被称为24小时营业的微型超市，售货领域已扩展至小食品、小用品、香烟、电话卡、车票、邮票等。钱币装置是自动售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。如果投入的金额达到购买物品的数值即发出售货信号，并找出余钱。自动售货机自动输出顾客所要的商品。目前在40多个国家已经广泛使用，日本平均每23人一台，美国平均每40人一台，欧洲平均每60人一台。在邻国日本，70%份额的罐装饮料市场是通过自动售货机售出的；美国可口可乐公司拥有五十余万台饮料自动售货机分布在世界各地。通过自动售货机销售将成为商品零售业不可分割的重要组成部分。

面对当前快速商品社会，人们的时间观念越来越重，如何才能更快的购买到顾客自己所需的商品，这都是顾客和商家共同面临的问题。自动售货机不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易,能够实现商品的自动化。因此，自动售货机在商业，食品行业越来越普及，更方便消费者购买自己所需的商品。随着科技的发展及人们生活水平的提高，自动售货机市场的发展越来越呈现出多元化及个性化的需求。自动售货机已在国内普及，并成为城市现代文明程度的一种象征性标志。

本文提出两种自动售货机的设计方案，分别对两种方案加以论述，并选择一种方案，对其在Multisim10平台上进行了仿真测试，结果均达到指标要求。

二、#

三、方案论证

方案一：

利用简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路分别搭建出各个所需功能模块，最后将各个模块整合在一起，其原理框图如图1。

.

在此方案中，投币和选择货物有先后，当没有投币时，货物无法进行选择。投币之后，系统会显示用户可以购买的商品种类，选择商品后，商品价格会与投入金额相比较，若商品价格高于投币金额，则无法操作，需要用户重新选择，否则，出货，并通过减法器求得余额进行退币。

)

方案二：

利用现场可编程门阵列（FPGA ）用VHDL 语言进行编程，已达到控制自动售

货机的目的。其系统原理方框图如图2 。

；

|

图1 方案一原理框图

图2 方案二原理框图

&

系统按功能可分为分频模块、控制模块和译码输出模块。

分频模块的作用是获得周期较长的时钟信号，便于操作，且不会产生按键抖动的现象。其原理是定义两个中间信号Q、DIV_CLK，Q在外部时钟CLK的控制下循环计数，每当计数到一个设定的值时DIV_CLK的值翻转，最后将DIV_CLK赋给NEW_CLK即可，改变设定值可改变分频的大小。

控制模块是这个系统的核心模块，它具有判断按键、计算输入钱数总和、计算找零、控制显示四个作用。它的工作原理是每当时钟上升沿到来时，判断哪个按键按下，若按下的是钱数键，则将钱数保存于中间信号COIN，若下次按下的仍是钱数键，COIN的值则加上相应的值并显示于数码管；当物品键按下时，则将COIN的值与物品价格进行比较，然后控制找零。

由于钱数可能大于9，所以译码显示模块的作用就是将钱数译码后用两个数码管显示，这样方便观察。

|

本设计采用的方案一，简单可行，容易实现，且性价比比较高。

四、电路设计

1.直流稳压电源电路

本题要求使用220V交流市电为系统供电，所以需要设计直流稳压电源。首先是对220V的高压进行变压，变压器的具体的匝比要根据下级的电路来确定。变压之后的电流仍然为交流，在通过整流电路后，变为脉冲直流。滤波电路可以消除脉冲，但是输出的直流电压仍不稳定。最后，通过稳压电路，使得电压的稳定性大大提高，整个过程如图3。

`

<

二极管D5的反向电压为29V ，所以整流输出与地之间的电压为

345291=+=U V

则变压器二次侧的电压为

282

.1342.12≈==

i U U V

|

则变压器的匝比为

86.728

220

≈

利用317稳压块的稳压电源的输出电压可用下式计算

)1/21(25.1R R U O +=

*

因为5=O U V ，所以

31

2

=R R

仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。

首先317稳压块的输出电压变化范围是37~25.1=O U V ，所以R2/R1的比值范围只能是0～。

其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，

图4 直流稳压电源电路图

也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。

}

要解决317稳压块最小稳定工作电流的问题，可以通过设定R1和R2阻值的大小，而使317稳压块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流，从而保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。此时，只要保证Uo/（R1+R2）≥，就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。上式中的为317稳压块的最小稳定工作电流。当然，只要能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作，Uo/（R1+R2）的值也可以设定为大于的任意值。

经计算可知R1的最大取值为R1≈Ω。又因为R2/R1的最大值为。所以R2的最大取值为R2≈Ω。因此，必须保证R1≤Ω，R2≤Ω两个不等式同时成立，才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。

为满足上述条件，我选择R2=2KΩ,R1=700Ω。

同时，为了电路的稳定工作，我接入二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。

C1为滤波电容，容量应该比较大且多为电解电容，所以选择的大电容，C4用于防止电路产生自己振荡，容量较小，选择330nF。为了减小R2的纹波电压，可在其上并联一个10uF的电容C3,。用一个100uF大电容C2来消除输出电压中的高频噪声。

！

2、投币系统电路

考虑到多种投币情况，需要把每次投入钱数的进行相加，要想累加，就要将相加的结果放入寄存器中，再将寄存器中的输出端接到加法器的输入端，这样即可将结果进行累加，选用4位超前进位加法器74LS283与4位D触发器74LS175组成累加器，因数码管显示为0到9，二进制加法器是逢16进1，而二—十进制加法器是逢10进1，若用二进制加法器实现二—十进制加法，则当相加的和大于等于10时，就必须增加一个加6的校正电路。所以需要用两个4位超前进位加法器74LS283组成一个二-十进制的加法器，再将得数放入寄存器中。若寄存器中数值为零，则LED灯亮，表示待机状态，否则LED灯熄灭，表示正在工作。

器电路图如图5。

!

其中用到的芯片74LS283，A0~A3为运算输入端A ，B0~B3为运算输入端B ，

CO 为进位输出，CI 为进位输入，SUM0~SUM3为和输出端，其真值表如表1 所示

，

}

4位D

触发器74LS175，D1~D4为输入端，Q1~Q4为输出端，CLR 为异步清零端，低电平有效，CLK 为脉冲输入端，上升沿触发，其真值表如表2

C （n-1）

A B S （

Cn L L L L ~ L L

L H H . L L H L H * L L H H L $ H H L L H ^ L H L H L > H H H L L * H H

H

H

H

] H

图5 投币系统电路图

表1 74LS283真值表

表2 74LS175真值表

2、商品选择电路

用20个按键开关分别表示20种商品，当投入的钱不为零的时候，商品选择电路开始工作，利用十进制编码器74LS147，将编码送入寄存器中，通过按键触发锁存，并将寄存器中的数字用数码管显示出来，用来表示选择商品的种类编号，将20个商品分为1~5元五种价位，通关导线，若干与非门和或门，连接成相应的价格，通过三个与输出端相连的小灯泡表示，001、010、011、100、101分别为1~5元。其电路图如图6所示。

|

该电路中用到的芯片有4位D 触发器74LS175和十进制编码器74LS147，1~9为输入端，A~D 为输出端，输出为8421BCD 码，器真值表如表3。

—

输 入 输 出

1

2 3 " 4

5 6 7 8 —

9 D C

B A :

H H H

H H

） H

H H

H H ;

H

H H

X X ）

X X X

X X {

X

L L

H H ~

L

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X

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L H ￥

L

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H X (

X X X

X X )

L

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L

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H H L

L

X

}

H

H

H

H

(

H

H

H

H

；

H 图6 商品选择电路图 表3 74LS147真值表

-

4、余额显示电路

将前面投币系统中寄存器中的数与商品选择的价格相比较，若投入的钱数大于或等于商品价格，则将这两个数相减，然后将得数存入寄存器中，以便显示余额，其电路图如图7所示。

'

电路中的4位数值比较器74LS85，A0~A3为字A 输入端B0~B3为字B 输入端AGTB 、AEQB 、ALTB 为级联输入端OAGTB 、OAEQB 、OALTB 为输出端，真值表如表4所示。

.

输 入

级 联 输 入

输 出 A3，B3 A2，B2

… A0，B0

A>B

A

A=B

$

A

A=B

L

H

L

L H

H

(

H

H

H

H

H

$

H

H

H

H

L

图7 余额显示电路图

表4 74LS85真值表

@

电路中用4个加法器组成组成全减器，一个数减去另一个数，等于这个数加上另一个数的补码，所以，将输入的价格用反相器取其反码与投币金额相加，将得数再加一，得到的即为余额数目。当个位数字小于价格是，且十位不为零，则将所得的数加十，并且十位上的数加上-1的补码，即1111，即可得到正确的余额数。

5、退币电路

用555定时器接成多谐振荡器，通过其产生的脉冲来表示退币个数，因为人的肉眼能观察到的闪烁必须大于s ，所以振荡的周期应大于s 。根据周期公式

)

2ln )(21C R R T +=

取周期为 s ，电容C 为1F μ，算得Ω==k R R 15021。电路连接图如图8所示。

|

若余额显示电路的寄存器中不为零，则通过同步十六位加减计数器74LS191进行减法计数，用来控制输出脉冲的个数，将计数器的输出端与多谐振荡器的输出端相与接到计数器的脉冲触发端。当计数器中的数减到零时，计数器停止工作，没有脉冲输出，退币完成，其电路图如图9所示。

【

电路中用到的555定时器各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS 或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端。3脚：输出端Vo 。4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR 、TH 处于何电平，时基电路

图8 555定时器连接的多谐振荡器电路图

图9 退币电路图

输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只μF 电容接地，以防引入干扰。6脚：TH 高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC ，双极型时基电路VCC 的范围是 ~ 16V ，CMOS 型时基电路VCC 的范围为3 ~ 18V 。一般用5V 。 555定时器的功能表如表5所示。 .

…

74LS191计数器既能进行递增计数又能进行递减计数，还具有异步预置数功能。电路只有一个时钟信号输入端，电路的加、减由U/D 的电平决定，所以称这

;

电路结构为单时钟结构。功能表如表6所示。

表5 555定时器的功能表

表6 74LS191功能表

四、"

五、

性能的测试

1、直流稳压电源电路测试

使用Multisim 中的交流源代替现实中的市电，设定其电压有效值为220V ，

频率为50Hz 。输出端接滑动变阻器，代替现实中的负载。改变滑动变阻器的阻值，通过观察万用表的直流电压显示数值，电压变化不大，可见其具有一定的负载能力，如表7。

'

负载阻值

1000

500 100 （

输出电压V

2、；

3、

投币系统电路测试

没投币时LED 灯亮，表示待机，投入5元时，数码管显示应为5，LED 灯熄

灭，如图10所示。

4、商品选择电路测试

20种商品对应5种价格，当选择10号商品时，该商品价格为5元，此时数码管应显示10，下方3个小灯泡为中间的熄灭，两侧的亮，表示二进制数101。测试结果如图11所示。

表7 直流稳压电源负载测试

(

—

4、余额显示电路测试

、

若输入金币为8元，选择的商品价格为2元，用开关J1~J4来表示投币金额，J5~J7表示所选商品的价格，此时显示6元，测试结果如图12所示。

5、退币电路测试

图11 商品选择电路测试结果图12 余额显示电路测试结果

用四个开关表示余额显示电路中寄存器的数字，若寄存器中不为零，则输出与之对应的脉冲个数，测试结果如表8。

)

寄存

器中

数值

~

12

、

3

4:

5

67

￥

8

9

脉冲

个数

^

1、

2

34

/

5

6|

7

89 >

6、电路整体性能测试

将上述各个电路通过必要的门电路连接在一起，即组成简易自动售货机。投入四个1元，投币显示为4，上方待机指示灯熄灭，右侧的可选商品指示灯点亮，4元及4元以下商品可供选择，如图13所示。

@

此时选择1元商品，按下11号键，右侧数码管显示11，表示选择了第11种商品，中间的数码管则显示3元，表示余额，与此同时下方中间的小灯亮一下表示出货，右下方的小灯闪烁3次，表示退币3元，闪烁结束后所有寄存器清零。测试结果如图14所示。

表8 退币电路测试结果

图13 整机测试结果1

^

图14 整机测试结果2

五、结论

#

通过整机测试，各个模块工作正常，实现了收款，找零，出货，显示等功能，可收金额为1元，5元，10元。商品为20种，价位为1至5元。另外增加了待机指示灯，以及可选商品指示灯，增加了其实用性，整个系统工作稳定，达到了指标要求。

六、性价比

本次设计应用的都是比较常见的组合逻辑电路芯片和时序逻辑电路芯片，另外还有一个模拟电路中的稳压模块，价格便宜，简单易行，功能齐全，具有很高的实用性，可以批量生产。

七、课设体会及合理化建议

通过这次对自动售货机的设计制作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于自动售货机的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。

-

电子电路课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在短短的一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知

识。通过这次电子电路课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做电子电路课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

总体来说,这次课设我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。这次电子电路课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高。

参考文献

[1] 童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002

（

[2] 张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004

[3] 陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，2005

[4] 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005

[5] 潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，2002

[6] 张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：航空工业出版社，2004—

附录I 总电路图