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

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