基于单片机的自动售货机毕业论文Word文档下载推荐.doc
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4.1其他单元电路 22
4.2总原理图 23
4.3元器件清单 23
4.4PCB板 23
5软件方案整合 25
5.1选择系统程序 25
5.2投币系统程序 25
5.3出货系统程序 34
5.4找零系统程序 35
6外观设计 36
7生产工艺文件 36
8总结 40
致谢 42
参考文献 43
附录1电路中主要集成芯片引脚图及引脚功能说明 44
附录2软件系统程序代码 47
1报警系统 47
2选择系统 47
3投币系统 56
4出货系统 56
5找零系统 57
附录3总原理图 59
附录4元器件清单及封装形式 60
附录5工艺文件 62
摘要本文设计了一种以AT89C51单片机为核心的自动售货机装置的控制系统。
详细介绍了自动售货机系统的方案设计、硬件选择、软件编写，并重点描述了自动售货机系统的工作原理、系统设计、软件编程的原则和技巧。
该系统以单片机AT89C51芯片为核心，采用集中控制方式实现了对自动售货机全过程的自动控制。
系统程序采用汇编及C语言软件进行程序的编写和编译，该软件具有编程简单、查错方便、阅读容易等特点。
汇编语言是程序的基本语言，具有容易理解，便于记忆和使用等特点。
关键词智能自动售货机AT89C51单片机LCD液晶控制系统
-1-
0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。
智能自动售货机是以单片机为核心的自动化控制装置，它集按键选择技术、单片机技术和显示技术于一体，有功能强大、可靠性高、使用方便、维护简单等特点。
因此，在商业、生活中得到了广泛的应用。
有些智能自动售货机不仅能够自动识别1元、5角硬币，而且能够自动识别20元、10元、5元纸币，还会自动找零，人机对话的应用性提高使自动售货机在国内大面积普及成为可能。
智能自动售货机越来越人性化的设计将会很快的占领中国市场。
1总体设计方案
1.1设计要求
设计一台销售袋装小零食的自动售货机，具有硬币识别、币值累加、自动售货等功能。
基本要求：
①可识别5角、1元的硬币。
并进行累加。
②有货物选择按键，根据选择自动出售对应货物。
③具有防盗报警功能。
1.2设计目标
从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。
大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；
而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；
再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。
从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。
从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
（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。
1.3课题分析
广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。
1.4功能框图
智能自动售货机的功能框图，如图1所示，该框完整的表现出智能自动售货机的每一个功能模块，从框图中也可以看出我们的整体思路，在此思路中，我主要负责储存货物模块的制作与设计，其中包括了储存箱体、物品支架、推进系统、检空装置以及报警系统。
同时也和同组人员一起负责出货模块与外观的设计以及控制核心的编程与设计。
在我负责储存货物模块的同时，也和同组人员积极配合，及时反馈各自的信息与进度，保证我们各模块之间的衔接，使我们的项目顺利完成。
-70-
储存货物
投币
出货
储存箱体
物品支架
推进系统
硬币存储箱
检测识别硬币
自动累加
自动返还
投入
存储
硬币找零
假币返还
选择装置
显示装置
选择按钮
出货口
出货箱
显示币值
显示余额
检空装置
报警系统
外观
自主设计
广告植入
步进装置
自动售货
控制核心
供电系统
图1智能自动售货机的功能框图
2硬件设计
在此次设计中，我主要负责储存货物模块中的检空装置、推进装置和报警装置的设计。
2.1检空装置
2.1.1方案一：
安装接触行程开关
售完检测系统，在自动售货机商品存储存道下方安装有接触行程开关，当存储存道有商品时，压下行程开关，自动售货机正常工作；
当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出无货信号，经过检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身“售完”指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币金额达到该道商品预设价格数值，可售按钮仍然无法启动信号，金额累计存储器也不清零。
2.1.2方案二：
红外线对射
在自动售货机内最后一个商品的两侧，放置红外线。
当有商品时，商品挡住红外线使其无法对射，自动售货机正常工作；
当商品出售完毕时，红外线对射，向CPU发出无货信号，经过检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身“售完”指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币金额达到该道商品预设价格数值，可售按钮仍然无法启动信号，金额累计存储器也不清零。
2.1.3方案三：
眼观法
售货机的正面橱窗采用有机板窗，机玻璃板有极佳透明度：
无色透明有机玻璃板材，透光率达92%以上，有优良的耐候性：
对自然环境适应性很强，即使长时间在日光照射、风吹雨淋也不会使其性能发生改变，抗老化性能好，在室外也能安心使用。
加工性能良好：
既适合机械加工又易热成型，压克力板可以染色，表面可以喷漆、丝印或真空镀膜。
优异的综合性能：
压克力板品种繁多、色彩丰富，并具有极其优异的综合性能，为设计者提供了多样化的选择，压克力板可以染色，表面可以喷漆、丝印或真空镀膜。
无毒，即使与人长期接触也无害，还有燃烧时产生的气体不产生有毒气体。
自动售货机前体的透明有机板窗相当于商店橱窗或者柜台，商品展示、明码标价以及商品有无都可以清晰明了的展示出来，无论是对管理人员还是消费者都是简洁方便的，如图2所示。
图2自动售货机正面橱窗
2.1.4检空装置方案选择
三种方案放在一起比较，综合考虑，选用方案三作为检空装置。
既一目了然，又在设计的过程中简单方便。
2.2推进装置
2.2.1方案一：
步进电机推进
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。
本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。
三相步进电机结构图，如图3所示。
图3三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。
36bf003矩频特性，如图4所示。
图436bf003矩频特性
步进电机与单片机接口，如图5所示。
图5步进电机与单片机接口
8051
PA0
PA1
PA2
PB2
PB0
PB1
驱动电路
X轴步进电机
Y轴步进电机
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。
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的引脚及外观如图6所示，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（VCC-6.8V）/10mA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6TWH8751引脚及外观图
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，如图7所示。
各点的波型如图8所示。
图7斩波型功放电路图8A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。
单片机与步进电机的接口电路设计：
8255是单片机应用系统中广泛被采用的可编程外部I/O扩展芯片。
它有3个8位并行I/O口，每个口有三种工作方式。
三个并行I/O端口：
A口可编程为8位输入，或者8位输出，或者双向输出：
B口可编程为8位输入，或者8位输出，但是不可以双向传输；
C口分为两个4位口，用于输入或者输出，也可以用作A口，B口的状态控制信号。
图9步进电机外观图
这个三相步进电机的市场价格约为650元，步进电机的外观图如图9所示。
2.2.2方案二：
直流电机推进
直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。
近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。
本设计是要利用89C51单片机控制PWM调速电路实现小功率直流电机的转速调节。
而本系统必须符合以下几点要求：
（1）在（1000—5500）转/分内对直流电机进行任意调速，最小调速级差为1转/分。
（2）所设速度下稳定运转，运转速度与设定速度之差小于±
20转/分。
（3）启动和加减80%额定负载时,其转速能迅速回到设定值，转速超调±
5%内。
本设计在硬件电路上共分3个部分，单片机部分、调速驱动电路、检测电路。
1.单片机部分及其接口电路,如图10所示。
图10单片机部分原理图
在第9脚-RST，复位脚外，加了一个复位按键和复位电路，复位原理为：
第一次上电时，+5V通过给电容充电，于是此时电容相当于短路，+5V直接加到RST脚上，单片机自动复位。
过了极短的时间，电容充电完毕，此时电容则相当于开路，于是RST脚被电阻拉为低，单片机开始正常工作。
当RESET键按下时，+5V通过按键加到RST脚上，单片机复位，RESET键弹起之后，RST脚重新被电阻拉为低，单片机开始正常工作。
单片机供电方面，采用的是12V直流通过7805三端稳压器稳压到5V，给单片机和显示部分供电。
2.调速驱动电路
电机调速控制模块有三种方法可供选择：
方法一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；
分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方法二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方法三：
采用由达林顿管组成的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。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；
H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；
电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方法三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方法三。
①PWM调速工作方式：
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小。
②PWM调脉宽方式：
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；
并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
③PWM软件实现方式：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
调速驱动电路，如图11所示。
图11调速驱动电路电路图
3.检测电路
检测电路原理图，如图12所示。
图12检测电路电路图
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，价格便宜市场价格约为500元，直流电机外观图，如图13所示。
图13直流电机外观图
2.2.3方案三：
采用软件控制
在本设计中，设置了价格分别为2元、3元、4元不等的货物，一共3种。
在通过按键选择物品后，将会把产生的信号输入给89C51的P1的引脚上，89C51接收信号后，经过处理后，将会在货物输出端产生与其相对应的信号输出，控制利用商品的自重将其推出。
本次设计用P1.0～P1.2作为货物的输出端,在货物的输出端采用光电隔离技术,对于光电隔离技术这里不做介绍,在这里用一个LED指示灯代替货物的掉出情况,若有货物掉出则对应输出口为高电平,则指示灯亮，反之指示灯不亮。
由于这里P0口作通用的I/O口输出，所以必须接上拉电阻。
采用软件编程方便简单、成本低，易于控制。
2.2.4推进装置方案选择
推进装置的三种方案，从成本、功能实现、效率、操作难易、以及精度等方面，综合考虑，我选择方案三软件控制作为该设计的推进装置。
2.3报警装置
2.3.1方案一：
振动报警
设计一种利用振动传感器检测环境变化，进而完成报警功能的系统，该系统方便、稳定。
振动报警框图，如图14所示。
遭到破坏
振动
声音报警
手动复位
图14振动报警框图
系统由人为启动，接通电源后，进入警戒状态，检测到有破坏时，立即发出报警声，声响延迟一段时间后，再次进入警戒状态。
为达到良好的实际使用效果，系统还应具备开机延时功能：
用来防止主人在接通电源后，由于操作过程中的某些振动引起误报。
振动系统原理图，如图15所示。
Xi
图15振动报警原理图
该电路由电阻、PNP三极管和一个扬声器组成。
把Xi端和单片机的输出端P0.7相连。
单片机工作时低电平有效，利用PNP三极管作为开关，当三极管处于截止状态时，相当于开关断开状态。
当三极管处于深饱和状态时，相当于开关闭合，高电平变化为低电平，单片机工作，三极管驱动扬声器发出报警声音，只有人为的复位，才结束报警。
如图16振动报警器外观图
该报警器的使用特性：
无源分布、电缆形状。
本系统可以适应于各种复杂地形，不受地形的高低、曲折、转角等限制，不留死角，打破了红外线、微波墙等只适用于视距和平坦区域使用的局限性。
振动报警器的市场价格约为50元，其外观图如图16所示。
2.2.3方案三：
红外探测报警器
红外探测报警器主要由红外线传感器，信号放大电路，电压比较器，延时电路和报警电路组成。
当红外探测器检测到前方人体辐射的红外信号后，探测器将输出微弱的电信号，然后经过放大、比较、延时，发出报警声音。
红外线探测器即将检测到的红外信号转化成电信号，然后转化成声音信号发出报警声。
因而可以用简单的放大电路就可实现此功能，采用红外线传感器，信号放大电路和报警电路组成。
即只要红外探测器检测到红外信号就发出报警声，否则不发出报警声。
此方案具有立即响应的功能，设计简单，易于实现。
但该报警器离开了红外信号源就无法发出声音，因而起不到真正的报警作用。
但在此方案的基础上增加了报警延
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