自动售货机的设计

1引言

自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。它又被称为24小时营业的微型超市。在日本，70%的罐装饮料是通过自动售货机售出的。全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。在售货机的显示屏幕上进行操作，输入商品号码和购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和米饭团。虽然日本的自动售货机总台数低于美国（据1997年的统计为689万台），但是，从人口占有数来看却是世界上最高的，美国平均35人占有一台，而日本为23人占有一台。

17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。在自动售货机历史的长河中，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。50年代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。

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。售卖的商品课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。日本的自动售货机已经有2000多种机型、6000多种商品。在美国，运营商就多大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，24小时供应，自动售货机很受特别忙碌的人欢迎。在英国，国内的银行和信用机构还专门推出了一种自动售货机卡。人们站在自动售货机前，只要把卡轻轻拉一下，省去了投币的麻烦，十分方便。到2002年，英国持有这种卡的人占全国人口的20%以上。由此可见英国自动售货机的普及性和受人们欢迎的程度。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。综上所述，自动售货机必然朝着监控管理智能化、功耗节能化和性能多样化方面发展。所以我们这次研究自动售货机。

2 EDA介绍

EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。

目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、Altium Designer、PSPICE、multisim12(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如multiSIM、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础。

科研方面主要利用电路仿真工具（multiSIM或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。

在产品设计与制造方面，包括计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的制作过程等。

从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA应用。另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领。

3 VHDL简介

VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。

1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。

VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL 语言主要具有以下优点：

（1）VHDL 语言功能强大，设计方式多样

VHDL 语言具有强大的语言结构，只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时，它还具有多层次的电路设计描述功能。此外，VHDL 语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL 语言设计方法灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法；既支持模块化设计方法，也支持层次化设计方法。

（2）VHDL 语言具有强大的硬件描述能力

VHDL 语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL 语言的强大描述能力还体现

在它具有丰富的数据类型。VHDL 语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。

（3）VHDL 语言具有很强的移植能力

VHDL 语言很强的移植能力主要体现在：对于同一个硬件电路的VHDL 语言描述，它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。

（4）VHDL 语言的设计描述与器件无关

采用VHDL 语言描述硬件电路时，设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后，VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。

（5）VHDL 语言程序易于共享和复用

VHDL 语言采用基于库( library) 的设计方法。在设计过程中，设计人员可以建立各种可再次利用的模块，一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计，而是一些模块的累加。这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放在库中，就可以在以后的设计中进行复用。

由于VHDL 语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享，从而减小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。

4自动售货机的设计

4．1状态图转换

图4-1状态转换图

共分为22状态，S0为初始状态，当顾客选择1元、5元或10元三种商品时分别跳转至S1、S2、S3状态，否则停留在S0状态，选择货物的钱数在数码管上显示出来；顾客投币为1元、5元或10元时，若当前为S1状态，则分别跳转至S4、S5、S6三种状态，投币钱数显示在数码管上，否则停留在S1状态；当顾客投币为1元、5元或10元时，若当前为S2状态，则分别跳转至S7、S8、S9三种状态，投币钱数显示在数码管上，否则停留在S2状态；当按下确认键时，则按状态转移图跳到相应的下一个状态，否则停留在当前状态，执行售货、找钱、警告、3秒后复位等功能。

4.2端口介绍

该程序输入端口共有9个，put1,put5,put10,代表放进售货机里的钱数分别是1元，5元，10元。Sel1,sel5,sel10,代表你选择的商品价格是1元，5元，10元。Sure代表确认输入。rst控制的整体复位控制输入。Clk代表时钟。

输出端口共有6个，jing代表警告；out1，out5，out10代表三种商品输出指示；digit1,2代表7段数码管显示顾客投币钱数和找零钱数。

4.3波形仿真界面

波形仿真界面如图：

图4-2波形转换图

4.4 自动售货机控制器设计与仿真

当用户选择1元商品时，用户给了1元钱，代码如下：

if sel1='1' and sel5='0' and sel10='0' then

ns<=s1;

elsif sel1='0' and sel5='1' and sel10='0' then

ns<=s2;

elsif sel1='0' and sel5='0' and sel10='1' then

ns<=s3;

else

ns<=s0;

end if;

when s1=>digit1<="0000110";

digit2<="0111111";

if put1='1' and put5='0' and put10='0' then

ns<=s4;

elsif put1='0' and put5='1' and put10='0' then

ns<=s5;

elsif put1='0' and put5='0' and put10='1' then

ns<=s6;

else

ns<=s1;

end if;

when s4=>digit1<="0000110"; digit2<="0111111" ;

if sure='1' then

ns<=s13;

else

ns<=s4;

end if;

when s13=>out1<='1';out5<='0';out10<='0';jing<='0';digit1<="0111111"; digit2<="0111111" ;

if b='1' then

ns<=s0;--延时控制

else

ns<=s13;

end if;

当用户选择1元商品时，用户给了1元钱，仿真图如下：

图4-3波形转换图

当用户选择10元商品时，用户给了5元钱，代码如下：

if sel1='1' and sel5='0' and sel10='0' then

ns<=s1;

elsif sel1='0' and sel5='1' and sel10='0' then

ns<=s2;

elsif sel1='0' and sel5='0' and sel10='1' then

ns<=s3;

else

ns<=s0;

end if;

when s3=>digit1<="0111111"; digit2<="0000110" ;

if put1='1' and put5='0' and put10='0' then

ns<=s10;

elsif put1='0' and put5='1' and put10='0' then

ns<=s11;

elsif put1='0' and put5='0' and put10='1' then

ns<=s12;

else

ns<=s3;

end if;

when s20=>out1<='0';out5<='0';out10<='0';jing<='1';digit1<="1101101"; digit2<="0111111" ;

if b='1' then

ns<=s0;

else ns<=s20;

end if;

when s21=>out1<='0';out5<='0';out10<='1';jing<='0';digit1<="0111111"; digit2<="0111111" ;

if b='1' then

ns<=s0;

else ns<=s21;

end if;

当用户选择10元商品时，用户给了5元钱，发出警报，仿真图如下：

图4-4波形转换图

当用户选择5元商品时，用户给了10元钱，代码如下：

if sel1='1' and sel5='0' and sel10='0' then

ns<=s1;

elsif sel1='0' and sel5='1' and sel10='0' then

ns<=s2;

elsif sel1='0' and sel5='0' and sel10='1' then

ns<=s3;

else

ns<=s0;

end if;

when s2=>digit1<="1101101";

digit2<="0111111" ;

if put1='1' and put5='0' and put10='0' then

ns<=s7;

elsif put1='0' and put5='1' and put10='0' then

ns<=s8;

elsif put1='0' and put5='0' and put10='1' then

ns<=s9;

else

ns<=s2;

end if;

when s18=>out1<='0';out5<='1';out10<='0';jing<='0';digit1<="1101101"; digit2<="0111111" ;

if b='1' then

ns<=s0;

else

ns<=s18;

end if;

当用户选择5元商品时，用户给了10元钱,仿真图如下：

图4-5波形转换图

4.6硬件调试

图4-6硬件调试图图4-6为下载完成后的结果

图4-7硬件调试图图4-7为选择10元商品时数码管显示。

图4-8为用户给了5元时数码管显示。

图4-9为因用户给的钱不够，所以发出警报。

5设计总结

这次的课程设计算起来在实验室的时间只有一周，但是学到的知识却是特别的多。

当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意打错程序，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次EDA课程实习，我的第一大心得体会就是作为一名学生，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。

在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设计程序的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在程序的编译和管脚设置的选择上，培养了我们综合应用的能力,对自动售货机功能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。并且我们熟练掌握了自动售货机的性能及测试方法。

再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是她让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关eda的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!

参考文献

[1].Voknei A.Pedroni.《VHDL数字电路设计教程》.电子工业出版社，2008.5

[2].潘松，黄继业.《EDA技术实用教程》（第二版）.科学出版社，2005.2

[3].曹昕燕，周凤臣.《EDA技术实验与课程设计》.清华大学出版社，2006.1

[4].张昌凡等.可编程逻辑器件及VHDL设计技术[M].广州:华南理工大学出版社,2001

[5].曾繁泰,陈美金.VHDL程序设计[M].北京:清华大学出版社,2001