基于数字电路的简易自动售货机设计

一、概述

自动售货机（Vending Machine，VEM）是能根据投入的钱币自动付货的机器。自动售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。是一种全新的商业零售形式，又被称为24小时营业的微型超市。

从西欧、北美、日本和韩国等地区和国家的情况来看，自动售货机在人们日常生活中扮演越来越重要的角色。1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。到了20世纪80年代，自动售货机在美国和日本被广泛使用，后逐渐散布世界各地，主要是发达国家。其产品特点是科技含量高；24h服务，售货便利；无需专人盯守，省人工，省成本；售货范围广泛；此外还是一种新颖独特的广告媒体。目前，随着移动商务的发展，自动售货机作为一种方便、直观的移动商务工具，开始在全球各地迅速普及和发展。2 国内外自动售货机的市场发展现状在中国，自动售货机将成为一个潜在的巨大产业，继百货商店、超市之后掀起第三次零售业革命，其前景非常广阔。售卖的商品可根据摆放场所的需要量身定制，包括冷热饮料、零食、电话卡及国外进口的特色商品等。并且，透过这种智能售货系统，存货、销售、物流信息可以准确、及时地反馈给客户和管理人员。此外，还支持多种交易支付模式，同时方便实现较大金额的支付和交易结算。在2004年，通过手机购物的无线自动售货机在国内开始出现，天津南开戈德公司已研制此种类型的自动售货机。这种新一代自动售货机除了更方便售卖货品之外，还被视为一种传播广泛的广告媒介。在国外，自动售货机发展相对成熟。日本的自动售货业已经有2000多种机型、6000多种商品。在美国，运营商就多达10800家，并且具有与大饮料商、大食品商的合作经验。在日本，由于其无所不在，24h供应，自动售货机很受特别忙碌的人欢迎。3 自动售货机的技术研究现状在自动售货机相关的所有研究领域中，全球对其关键技术的研究主要集中在以下3个方面：a．系统内部销售动作实现方式的研究；b．资金结算及销售信息统计管理的实现方式研究；c．功耗节省模式的研究。根据相关文献资料，系统内部销售动作实现方式的研究已基本成熟，研究最多的主要集中在资金结算及销售信息统计管理的实现方式本次课程设计通过模拟电路和数字电路的知识设计的简易自动售货机，充分体现了21世纪自动化技术应用在生活中的实例。同时也考验了我们作为自动化类专业掌握的基本电子学常识。

二、方案论证

方案一：

本方案参照《数字电子技术基础》书中所给例子，通过提前设计好找零状况，例如，购买三元商品，投入五元则找零两元，投入十元则找零七元。以此类推，列出所有一至五元商品所被找零状况后通过LED 灯的亮灭来显示找零情况。电路框图如图1所示

图1 方案一原理框图

方案二：

电路从两部分输入，第一部分通过开关闭合模拟投币，投币后进入计数器74161和二进制全加器74LS283进行累加，通过数码管显示投币总值。再通过数值比较器7485比较可以购买的不同价格的货物类型。

另一部分通过开关闭合模拟选择货物，选择货物后通过编码器用数码管显示货物价格，最后将投币总值和货物价格一起通过减法器，做差值后显示，其值为找零钱数，用数码管显示。电路框框图如图2所示

图2 方案二原理图

投币

计数器

数码管显示

比较器比较价格并显示

选择商品

编码器编码并

用数码管显示 减

法

器

找零并显示

加法器

寄存器记录数据

投币

输出电路LED 灯亮灭

控制电路完成累加

本次设计采用方案二，很明显，方案一需要提前用人脑计算各种各样的出货以及找零情况，而且仅仅用LED灯显示非常不切实际，不方便使用。方案二采用自带的减法器，能显示各种出货以及找零情况，并且用数码管显示出来，界面干净简洁，操作方便。

三、电路设计

1.直流稳压电源电路

工作原理：变压器是这一电源电路起始部分，将220V的电网电压转变为本设计所需的较低的电压，就可以进行下一阶段的整流部分。一般规定v1为变压器的高压侧，v2为变压器的低压侧，v1侧的线圈要比v2侧的线圈要多，这样就可以将220V的电网电压降.

双相桥式整流电路，就是将交流电网电压转换为所需电压，整流电路由四只整流二极管组成。下面简单介绍一下单相桥式整流电路的工作原理，为简便起见，这里所选的二极管都是理想的二极管，二极管正向导通时电阻为零，反向导通时电阻无穷大。在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，经过二极管D1，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D4正向导通，D2、D3反向截止，产生一个极性为上正下负的输出电压。在v2的负半周，其极性正好相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，经过二极管D2，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D4反向截止，D2、D3正向导通。桥式整流电路利用了二极管的单向导电性，利用四个二极管，是它们交替导通，从而负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压.

电容两端电压升高时，电容充电，电压降低时，电容放电，让电压降低时的坡度变得平缓，从而起到滤波的作用。这里选用电解电容是因为电解电容单位体积的电容量非常大，能比其它种类的电容大几十到数百倍，并且其额定的容量可以做到非常大，价格比其它种类相比具有相当大的优势，因为其组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。电解电容并联二极管，有效防止了电压反相。

Rmax=(Umin-Uz)/(Iz+Imax)

Rmin=(Umax-Uz)/(Izm+Imin)

得出3.2k

故方案中设计选用3.5k

Uo=0.9U2

Io=0.9U2/Rl

每个二极管平均电流Id=1/2 Rl=0.45U2/Rl

图3 直流稳压电源的设计

2.投币模块

由于最高商品价格为5元，故设计电路的时候省略的了5元与10元投币时有多次投币的过程，只用开关控制。而在设计1元投币的时候考虑到有可能通过多次投入1元来购买商品的过程，故在1元控制开关后加上74161同步四位计数器，开关上端接VCC高电平，未投币时候开关在下端，是低电平，每当开关从高电平回到低电平时，给74161输入一个置0信号，使芯片记住一次输入，记为1，所以可以多次计数，直到16为止，完全满足了该自动售货机的商业需求。

之后将74161的输出与模拟5元和10元的电路一起接到四位超前进制加法器74LS283上，由于串行进位加法器的速度受到进位信号的限制，人们又设计了一种多位数超前进位加法逻辑电路，使每位的进位只由加数和被加数决定，而与低位的进位无关，各位的进位信号都只与两个加数有关，它们是可以并行产生的将所有模拟投币

的数值相加，从而得到投币总值。如图4所示

图4 投币模块

3.显示模块电路

本设计采用四段数码管显示各个商品价值，投币总值，已选择商品价格以及找零数目。分别用红色，蓝色，绿色和橙色显示。如此方便阅读，红色显示商品价格，蓝色显示投币总额，绿色表示所选商品价格，橙色表示找零数目。显示的数码管有四个接口。显示模块用来显示计时模块输出的即时计时和中途计时结果。是由七段数码管构成计时模块输出计时信号通过译码器译码由数码管显示出来。如图5所示

图5 显示模块四段数码管

4.显示商品价格及比较投币大小模块

我们知道，显示商品价格只需要在需要显示的二进制数位的输入端接入高电平即可。在比较电路方面，采用7485数值比较器，可以比较两组四位二进制数。将加法器74LS283的输出接到7485的输入A0 A1 A2 A3端，用VCC高电平接入B0 B1 B2 B3端口作为被比较的数值，同时在B端接数码管，显示被比较的数值。实际上，该被比较的数值就是商品的价格，从而一举两得，既显示了商品价格，又比较了投币总值与商品的大小。当A端输入大于B端时，输出端出现高电平，将其与LED灯相连。由此实现了，当投币总值大于或等于商品价格的时候，LED灯亮，从而模拟了投币之后显示可购买的商品。具体电路如图6所示

图6 显示商品价格以及比较投币总值与商品价格

5.选择商品模块

本设计通过开关闭合来选择商品，闭合开关后，商品对应的LED灯电路接通，LED 灯后采用200欧姆的电阻将电路电流调整到LED的工作电流5mA。LED灯亮，并且电路作为高电平输入到编码器接口，为显示商品价格作准备，截取4种1元商品的选择，其他还有4种2元商品，4种3元商品，4种4元商品，4种5元商品，共20种商品，20个开关。用或非门和与门将代表同样价格的4个开关连在一起，从而当有一种商品被选择的时候，电路就会接通，产生一个高电平到接下来要提到的编码器。如图7所示

图7 模拟选择商品模块

6.显示所选商品价格

在上个单元讲到模拟选择商品之后高电平接入编码器，本设计采用741488-3线优先编码器.74148是一八线-三线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平时，编码器处于工作状态；EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为0；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。因此，可根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制通过编码将开关的开关与闭合编译成数码，通过数码管显示，如图8所示

图8 显示所选商品价格

7.减法器电路显示找零数目

在设计减法时，要巧妙的运用74LS283加法器。由于该加法器是四位的，所以最大可计算16以内的加法，超过16的则会重新计数。通过将商品价格的输出电平用异或门电路转换成其对应的反码，再用投币总值加上这个反码，在舍弃进位的条件下，就可以表示相对应的减法，即用投币总值减掉商品价格，从而得到了找零钱数。

电路执行减法运算，异或门的输出是输出的反码最后将俩输入的16位的数据相加或相减得出结果，在做减法运算时候要注意，当a〉b时，对其输出结果CO要注意，CO=1略去，当a〈b时，对其输出结果CO=0，表示有错位，也就是说输出的结果为负数。这里用的是四位加法器，相加时每一位是带进位想加的，因而必须使用全加器，只要依次将低位全加器的进位输出端CO接到高位的全加器的进位输入端CI，就可以构成多位加法器了。开始时候考虑选用的事741LS183不过这种加法器运算速度慢，在最不利的情况下，做依次加法运算需要经过几个全加器的传输延迟时间（从输入加数

到输出状态稳定建立起来所需的时间）才能得到稳定可靠的运算结果。加减运算电路主要由加法运算电路和减法运算电路这两个功能电路组成。所以我对这两种电路进行分析和比较，以求用最简单的方式来达到我设计的目标。查阅了教材上资料后，一般构成加法运算电路主要由集成4位超前进位加法器74LS283 实现。这个芯片可以进行两个4位2进制数的全加，符合我此次课程设计的要求，所以就采用它来完成我的电路功能。为了提高运算速度，必须设计减小由于进位信号逐级传递所消耗的时间，那么就选择了74LS283通过逻辑电路事先得出每位全加器的进位输入信号，而无需再从最低位开始向高位逐位传递信号了，这就有效提高了速度。如图9所示

图9 减法电路显示找零数目

四、性能的测试

1.直流稳压电源的测试

开始仿真，在直流稳压电源两端接入万用表，测试其直流电压如图10所示

图10 直流稳压电源测试

稳压源具体数据如表1给出

表1 自动售货机电路测试数据表

R值(kΩ)C值(μF)频率（Hz）周期(s)

3.5 15 50 0.02

2.模拟投币测试

首先需要测试投币一元时可以连续投入的情况，因为购买的时候经常可能出现身上只有一元硬币的情况。所以实现该功能非常重要，能让消费者将身上的零钱都花出去。而且因为有了一元钱的连续投入，可以实现，投入6元，7元，8元，9元以及11元，12元，13元，14元的投币方式。与投币5元和投币10元合理的结合在一起。实现了1元到15元的所有投入类型。如图11、12、13所示

图11 投入一元

图12 连续投入两次一元

图13 连续投入三次一元

接下来测试五元投币的输入情况，闭合模拟五元输入的开关，此5元开关可以喝10元开关同时开启，即输入15元的情况。如图14所示

图14 模拟5元输入

接着测试模拟十元输入情况，闭合模拟十元输入的开关，如图15所示

图15 模拟10元输入

由于该芯片是16进制的，所以十进制中10对应的16进制数字是A，故在单个数码管中显示的A，即代表10。对应的，在10元基础上再输入1元的话，最终可得B,C,D,E，F如图16显示，输入14元时的状况

图16 输入14元

14元对应的十六进制数字为E，所以输入功能完全都可以实现。

3.显示所选商品价格测试

通过闭合开关模拟选择商品，并用数码管显示价格。测试分别输入4元和5元的结果，如图17、18所示

图17 选择4元商品

图18 选择5元商品4.投入钱币后显示可以购买的商品的测试

图19 输入3元后比较器的变化

如图19所示，在输入三元之后，三元商品区的LED灯变亮，表示可以购买；而四元商品区的LED灯没亮，表示投币价钱没有到达4元，故不可以购买。

找零并显示数目的测试

图20 投币5元，选择2元商品，找零3元

图21 投币10元，选择4元商品，找零6元

如图20所示，投入5元，选择2元商品，最终找零3元、如图21所示，投入10元，选择4元商品，找零6元

五、结论

该设计完成了所有课程设计的要求，收取货款，显示商品种类，选择商品，显示货款以及找零数目。可出售一元至五元商品各四种，合计共20种商品，可以收取1元、5元、10元货币，完全符合自动机快捷，方便的设计思想。