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自动售货机的设计论文
自动售货系统
摘要:
提出并实现一套基于单片机控制步进电机的自动售货系统。
其主要目的是为当前的自动售货机系统提出一种可行的改进方案，扩展其功能，系统主要是由三部分组成：
步进电机、51单片机、以及中间的接口电路，可以使自动售货机的功能更加完善，更加有利于自动售货机的多样化发展。
关键词：
驱动电路，单片机，步进电机,OCS
Abstract:
Putforwardandrealizeasetofautosellingmachinesystemaccordingtothesingle-chipmicrocomputercontrolsteppermotors.Itsmainpurposeistoputforwardakindofviableimprovementproject,expandingitsfunctionforcurrentautosellingmachinesystem.thesystemprimarilyiscomposedofthreeparts:
steppermotors,single-chipmicrocomputer,andconnectingcircuitinthemwhichcanmakethefunctionofautosellingmachinemoreperfect,isbenefittohavemorediverseusesofautosellingmachine.
Keyword:
thedrivingcircuit,single-chipmicrocomputer,OfficeCoffeeService
引言…………………………………………………………………………………………1
第一章设计题目概述……………………………………………………………………3
1.1自动售货机产业的现状………………………………………………………......3
1.2我国自动售货机技术的现状……………………………………………………..3
1.3单片机控制步进电机的自动售货机系统………………………………………..4
第二章系统总体方案设计………………………………………………………………..5
2.1系统方案总述……………………………………………………………………..5
2.2功能要求…………………………………………………………………………..6
第三章系统硬件设计……………………………………………………………………..7
3.1单片机硬件设计…………………………………………………………………..7
3.11复位电路………………………………………………………………….8
3.1274LS373…………………………………………………………………..8
3.13单片机引脚介绍……………………………………………………………9
3.2电机选择及介绍…………………………………………………………………10
3.21电机方案比较……………………………………………………………..10
3.22步进电机的工作原理……………………………………………………..10
3.3步进电机驱动电路设计…………………………………………………………12
3.4单片机与步进电机的接口电路设计……………………………………………15
第四章系统软件设计…………………………………………………………………..19
4.1程序流程图………………………………………………………………………19
4.2程序设计…………………………………………………………………………20
致谢………………………………………………………………………………………..22
参考文献…………………………………………………………………………………..22
引言
随着经济发展，传统的固定地点人员售货方式暴露出许多弊端：
人力资源需求大；受所需服务地点，地理条件的限制；而且在服务时间上不能最大限度的服务于消费者。
自动售货机的出现解决了这些难题。
品种繁多，对生活的覆盖面广，自动售货，效率高，可24小时不间断运营；选址容易，且方便改换场地；适合全职经营，也可兼职（副业）经营；作为广告载体，可赚高额外块。
投资风险低，收益高。
工作人员唯一所需要做的就是添加商品取走货币。
如此多的优点使得自动售货机在世界范围内得到广泛的应用。
本次设计我们小组做的是一种功能增强的自动售货机，同现在通用的自动售货机，它增加了一些找零，显示余额，报警等功能，使之功能更为强大，本文着重介绍的是用单片机控制步进电机，通过各种方案比较得出的一个较优方案。
第一章是设计题目概述关于本产业的介绍以及技术现状，第二章是系统总体方案介绍
第三章是硬件设计，包括单片机，驱动电路，接口电路设计，第四章是软件设计．
第一章设计题目概述
1.1自动售货机产业的现状
1.发达国家现状
日本：
各种自动售货机保有量超过600万台，平均20人一台，世界普及率第一。
1990年通过自动售货机实现的销售额即已达到5兆日元（约3000亿人民币）。
美国：
总的机器保有量大致和日本相当，2000年通过自动售货机实现的销售额达到250亿美元，其中OCS（OfficeCoffeeService）的销售额排第六位。
韩国：
自动售货机的使用历史要远短于其它发达国家，仅有25年，但据2001年的统计，总保有量已超过80万台。
在2001年韩国生产的自动售货机中OCS占32.7%，排第一位，咖啡自动售货机占18.1%，排第三位，仅次于18.6%的充电自动售货机。
瓶罐饮料自动售货机和复合型自动售货机（同机销售瓶罐饮料和热咖啡）都仅占8.6%，并列第四位。
2.国内现状
保有量约2万台，且品种单一，主要以瓶饮料售货机为主，技术质量还未完全过关，生产和运营成本较高，收益也不高。
导致此现状的主要原因是中国有关的自动售货机企业未能有效解决成本，质量，运营等诸多问题。
但由于随中国经济的快速发展和社会的巨大进步，自动售货机的实际需求已相当大。
1.2我国自动售货机技术的现状
过去的步进电机控制系统组成如图一所示：
其工作原理是：
时钟脉冲产生电路给环形分配器提供输入脉冲，环形分配器将输入时钟脉冲信号转换A，B，C三相绕组所需的顺序控制信号，经各自的功率放大电路放大后，加到电机的三相绕组上，驱动电机转动，每输入一个时钟脉冲，步进电机就前进一步，时钟脉冲产生电路一般由多谐振荡器有“自动”和“手动”两种工作状态环形分配器一般选用中规模集成电路CH250（步进电机专用的环形脉冲分配器），也可以用中，小规模数字集成电路组成，还可以用GAL器件组成。
所设计的环形分配器电路具备“自启动”功能，即当环形分配器输出在全“0”或全“1”。
1.3单片机控制步进电机的自动售货机系统
采用单片机控制，主要取代脉冲分配器，而给步进电机提供电源的驱动电路必不可省，同时用单片机可以实现对步进电机的走步数，转向以及速度控制等。
步进电机控制，用单片机同时控制x轴和y轴两台三相步进电机，控制接口如图二所示。
此接口电路可选用可编程并行接口芯片8255，8255的PA口的PA0，PA1，PA2，控制x轴的三相步进电机，8255的PB0，PB1，PB2控制y轴三相步进电机。
只要确定了步进电机的工作方式，就可以控制各相绕组的通电顺序，实现步进电机正转或者反转。
图二，两台步进电机控制接口示意图
第二章系统总体方案设计
2.1系统方案总述
自动售货机系统以8051单片机为中心，需要一系列如电源电路、复位电路、振荡电路保证其工作。
先通过键盘采集消费者所需商品信息，然后以电信号的形式传给单片机。
经过运算分析处理后单片机一边将数据传给数码管进行显示，一边通过8255控制电机的转动，从而推出顾客所需商品，达到售货目的。
另外，余额不足时可以通过LED报警。
当受到外界撞击时，由传感器接收信号转换为电信号，直接启动报警装置。
系统设计分为三部分：
即单片机信息检测以及显示部分，步进电机控制部分，遇到外界撞击报警部分
图三系统设计框图
我做的是第二部分，是在接受到单片机传送来的商品信息后，通过控制A步进电机的转动的方向以及圈数来选择商品然后通过步进电机B来推动商品。
即A电机控制X方向选择B电机控制Y方向的推动。
如图四所示
图四方案显示
如：
若要推动商品E需要先转动步进电机向右3个单位，然后步进电机A推动商品，推动结束后，步进电机A向左移动三个单位，返回原来的位置，等待下次的推动，则依次推动结束。
同样推动商品B需要先左移动一个单位，然后步进电机A工作。
其他都是同样的工作原理。
2.2功能要求
1、自动售货机能销售五种商品：
A，B，C，D，E假设每种商品数量无限。
2、自动售货机允许投入1元、2元、5元硬币：
若总币值等于顾客需要的商品单价时，机器送出需要的商品；
若总币值大于顾客需要的商品单价时，机器除提供所需商品外，显示余额等待继续输入或者找回余额;
若总币值小于顾客需要的商品单价时，报警显示总额，机器提示“余额不足”等待继续输入或者取消交易。
机器内1元和2元的找零硬币无限。
3、如果投入的硬币达到或大于所要购买商品的价格，就不必再投入硬币了，自动售货机会发出一个指示信号使接受硬币的装置不再接收新的硬币。
4、每次投币时间有限制，设定每次投币时间不超过30秒，在时间到时，总币值不足顾客购买的商品单价时，自动售货机按钱数不足处理，退还全部硬币。
或者在设定时间内，总投币值不足顾客购买的商品单价时，若需要取消交易则可按取消键，售货机按不足钱数处理，退还全部硬币。
5、当顾客完成一次购买后或按错按钮后，显示余额等待继续输入或者找回余额;
6、顾客一次只能购买一种商品的一个，若需要更多商品，需要重复操作。
第三章系统硬件设计
3.1单片机硬件设计
本次设计采用89C51单片机，其引脚如图所示
图五8051引脚图
3.11复位电路
在每个用户使用单片机之前，我们都得使单片机复位，使中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，以消除上一个用户的操作对本次用户操作运行的影响。
51的RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。
例如：
若MCS-51单片机的时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应为2us。
通常，8051的复位有自动上电复位和人工按纽复位两种，图六、图七分别显示出了它们的电路
图六自动上电复位电路图七人工按钮复位电路
自动上电复位电路的工作原理是：
通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始正常工作。
人工按钮复位的工作原理是：
按钮按下后，电容两端被短路，RST端电压上为高电平，单片机进入复位状态，按钮断开后，电源通过电阻R1对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始正常工作。
本次单片机采用自动上电复位电路。
3.1274LS373
74LS373是一种带输出三态门的8D锁存器。
1D~8D为8个输入端，
1Q~8Q为8个输出端。
G为数据锁存控制端：
当G为“1”时锁存器输出端同输入端：
当G由“1”变“0”时，数据输入锁存器中
为输出允许端：
当
为“0”时，三态门打开：
当
为“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。
在51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法为：
输出端1D~8D接至单片机的PO口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信ALE。
输出允许端
接地，表示输出三态门一直打开。
图八74LS373引脚图
74LS373的工作方式为：
3.13单片机引脚介绍
8051单片机是40引脚双列直插式的芯片，由左到右按U字形依次编号，则20引脚接地，40引脚接Vcc高电频。
1~8引脚为单片机P1口的8根引脚，10~17引脚为单片机P3口的8根引脚，21~28引脚为单片机P2口的8根引脚，32~39引脚为单片机P3口的8根引脚，这三个口是单片机的基本输入输出口。
其中P0口在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。
在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
P1口可作为准双向I/O口使用。
P2口一般可以用作准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址线。
P3口处作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入或第二功能。
P3口的第二功能定义如下：
引脚
第二功能
P3.0
RXD
串行口输入端
P3.1
TXD
串行口输出端
P3.2
INT0
外部终端0请求输入端,低电平有效
P3.3
INT1
外部终端1请求输入端,低电平有效
P3.4
T0
定时器/计数器0技术脉冲输入端
P3.5
T1
定时器/计数器1技术脉冲输入端
P3.6
WR
外部数据存储器写选通信号输入端,低电平有效
P3.7
RD
外部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效
9引脚（RST）是单片机的复位信号线。
上电复位和手动复位，当该引脚上持续两个机器周期的高电平后，就可以实现复位操作，使单片机回复到初始状态。
18引脚是单片机的XTAL2端口，接外部晶振的另一端。
在单片机内部，它是片内振荡器的反向放大器的输出端。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。
19引脚是单片机的XTAL1端口，接外部晶振的一端。
在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
29引脚（PSEN）是单片机的片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。
每个机器周期该信号有两次有效，低电平有效的时候，单片机通过数据总线从P0口读取指令或常数。
在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不会出现。
30引脚（ALE/PROG）是单片机的地址锁存有效信号输出端。
在接片外程序存储器的时候，单片机的ALE端和锁存器的CE端，用来选中该芯片。
31引脚（EA）为单片机片外程序存储器选用端。
该引脚低电平有效时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。
3.2电机选择及介绍
3.21电机方案比较
方案一采用步进电动机控制。
步进电动机的精度很高，可实现精确的步距角运动，由其组成的位置控制系统定位准确，稳定时间短，采用单片机控制步进电动机，控制信号为熟悉信号，不再需要数/摸转换，具有快速起停功能，延时短、定位准确、精度高和可操作性强。
与驱动控制器匹配使用时，控制起来也十分方便，很容易构成数字位置控制系统。
但步进电动机的控制系统相对复杂，价格比直流电动机高。
方案二采用直流电动机控制。
直流电动机精度较低，不易实现精确的位置控制。
用单片机和A/D转换构成系统，控制普通电动机的步数和旋转方向，可以考虑达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速，减小因惯性、速度和步距角过大而引起的调整误差。
其控制信号为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制时间，将难以控制其精确位置，系统稳定性也比较差。
但使用方便，价格便宜。
但是本次设计是由单片机直接控制，步进电机可以直接接受的数字信号不需要数/模转换，具有快速起停功能，延时短、定位准确、精度高和可操作性强。
与驱动控制器匹配使用时控制起来方便，在销售移动距离较小的商品的时候不会产生误差。
步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转化为角位移的机电数模（D/A）转换器。
在开环数字程序控制系统中，输出控制部分常用步进电机作为驱动元器件。
步进电机的控制电路接受计算机发来的指令脉冲，控制步进电机作相应的转动。
很明显脉冲的总数决定了移动量，指令的频率决定了移动的速度。
因此，指令脉冲可否被可靠的执行，基本上取决于步进电机的性能。
3.22步进电机的工作原理
图九三相步进电机结构示意图
步进电机的工作就是步进转动。
在一般的步进电机工作中，其电源都是单极性的直流电源。
要使步进电机转动，就必须对步进电机的定子的各项绕组以适当的时序进行通电。
步进电机的步进过程表示为，其定子的每相都有一对磁极，每个磁极都只有一个齿，即磁极本身，故三相步进电机有三对磁极一共是6个齿；其转子有4个齿，分别称为0.1.2.3齿直流电源U通过开关A，B，C，分别对步进电机的A，B，C，相绕组通电。
初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0，2号齿对齐，同时转子的1，3号齿和B，C相磁极形成错齿状态。
当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1，3号齿之间的磁力线作用，使得转子的1，3号齿和B相磁极对齐，则转子的0，2号齿就和A，C，相绕组形成错齿状态。
此后，开关的B断开，C接通，由于C相绕组和转子的0，2之间的磁力线的作用，使得转子0，2号齿和C相磁极相对齐，这时转子的1，3号齿和A，B相绕组磁极产生错齿。
当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1，3号之间的磁力线的专用使转子1，3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0，2号齿和B，C相绕组磁极产生错齿。
很明显，这时转子转动了一个齿距角。
如果对一相绕组的操作称为一拍，那么对A，B，C三相绕组的轮流通电需要三拍。
对A，B，C，三相轮流通电一次成为一个周期。
从上面分析看出，该三相步进电机转子转动一个齿距需要三拍操作。
由于按A———B———C———A相轮流通电，则磁场沿A，B，C方向转动了360度空间角，而这时转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。
在图一中，转子的齿数为4，故齿距角为90度，转动了一个齿距就是转动了90度．
本次设计采用的是三相步进电机型号是36BF003（属于三相步进电机），工作电压的标称值是27V相电流的标称值是1.5A，保持转矩是78Mn.m（豪牛顿。
米），步距角为1.5度/3度，矩频特性:
Pulse-torqueCharacteristics
图十36bf003矩频特性
3.12，步进电机控制的输出字表。
在图二中，选定由PA口的PA0，PA1，PA2，控制x轴的三相步进电机，PB0，PB1，PB2通过驱动电路控制y轴三相步进电机，并假设数据输出为“1”时，相应的绕组通电;当“0”时，相应的绕组断电。
下面介绍三相六拍控制方式确定步进电机的输出的控制字.当步进电机的相数和控制方式确定之后，PA0~PA2和PB0~PB2输出变化规律就确定了。
这种输出变化规律可以用输出字来描述。
为了寻找，输出字以表的形式存放在计算机指定的存储区域，下表一给出了三相六拍的控制方式的输出字表。
X轴步进电机输出字表
Y轴步进电机输出字表
存储地址标号
PA口输出字
存储地址标号
PB口输出字
ADX1
00000001=01H
ADY1
00000001=01H
ADX2
00000011=03H
ADY2
00000011=03H
ADX3
00000010=02H
ADY3
00000010=02H
ADX4
00000110=06H
ADY4
00000110=06H
ADX5
00000100=04H
ADY5
00000100=04H
ADX6
00000101=05H
ADY6
00000101=05H
表一三相六拍的控制方式的输出字表
显然，若要控制步进电机正转。
则按ADX1——ADX2——。
。
。
ADX6和ADY1——ADY2——。
。
ADY6顺序向PA口和PB口送输出字即可：
若要控制步进电机反转，则要按相反的顺序送输出字
3.3步进电机驱动电路设计
方案一使用功率场效应管的单电压功放电路
单电压功率放大电路是步进电机控制中最简单的一种驱动电路，图十一是一相绕组驱动电路的原理图（其他各相绕组的驱动电路与此相同）。
图中，T是功率场效应管，L1是步进电机一相绕组电感，RD为场效应管的漏极限流电阻，D为续流二极管，为绕组提供放电回路，工作原理是：
当环形分配器输出的信号v01为高电平时，T为饱和导通，绕组L1中产生电流v01为低电平时，T截至，L1中的电流消失。
所以场效应管工作在开关状态。
功放电路的负载是电机绕组，属于感性负载，当功放管T从饱和变截至时，由于绕组中的电流不会改变，从而会在绕组中产生一个很强的反电势，这个反电势和电源Vcc一起叠加在功放管T的漏极上，很容易将功放管击穿，故将二极管D接在T的漏极D和电源Vcc之间，使得T在截至瞬间，电机绕组产生的反电势能通过续流二极管D泻放，从而保护功放管不受损害。
同时，功放管应该选用反向耐压高的管子。
IRF640是VMOS功率场效应晶体管，它的典型参数是：
Vds=200v，Rds（on）=0.18欧姆，Id=18A，作为普通电机的功放管是非常理想的。
方案二使用集成功率放大开关器件构成的斩波型功放电路
集成功率电子开关TWH8751可直接由TTL，CMOS等数字电路直接驱动，该器件开关速度快，工作频率高（可以达到1.5MHZ），控制功率比较大，内部开关管反向击穿电压为100v，加上散热器后，通过的灌电流可以达到3A，其输出管采用集电极开路方式，可以根据负载的要求选择合适的电源电压，片内还没有热减流保护电路。
TWH8751的引脚如图十二所示，
图十二TWH8751引脚图
Vi,Vo分别为信号的输入端和输出端，V+为正电源的输入端，GND为接地端，St为选通控制端，该器件为数字逻辑开关，不是模拟开关。
当Sr为高电平“1”（大于1.6V）时，不论Vi端的电平为多少其输出级的达林顿管总是截至。
当St端为低电平（不超过1.2V）时，输出V0受Vi的控制，当Vi为高电平输出级的达林顿管截止：
当Vi为高电平“1”时应加限流电阻Rs，因片内电源与地之间设有一个6.8V的稳压管，Rs的值可以按照
进行估算。
由于输出级的达林顿管的反向击穿电压可以达到100V，所以输出级可以不与V+共电源，而是根据需要加80V~~~~100V的高压于负载上。
图十三斩波型功放电路
图中只给出了驱动A相绕组的功放电路，B，C相的驱动电路与之相同，该电路的工作原理是：
环形分配器的输出信号A送到TWH8751的输入端Vi，NE555振荡器产生频率较高的载频脉冲信号，送到选通控制端St，因此，TWH8751处于高频开关斩波工作状态，其输出端Vo为间歇脉冲序列，故称为斩波型驱动电路，各点的波型如图十四所示
图十四A相波型，
绕组中电流il的大小与电流Vcc和高频脉冲序列的脉宽Ton有关，当Vcc较大的时候，I较大，当Ton较宽的时候i会增大。
载频脉冲频率fc的选取是比较重要的。
当fc比较小的时候，电机会发出很大的噪声，一般选取fc〉=15MHZ为适宜的。
比较斩波功放电路与普通单电压功放电路相比较，前者的工作效率可以提高百分之三十左右，力矩可以提高百分之十到百分之二十五左右。
效率提高也非常显著。
在输出功率相同的条件下，斩波电路的输入功率大约为单电压功放电路输入功率的一半
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