毕业设计自动售货机.doc

第1章 自动售货机的系统结构1.1自动售货机的总体系统结构 自动售货机是集光、机、电一体化的独立机构，它只需要顾客投币和按购物键选择即可自动售货及退找零钱，其工作程序如下图1.1 售货机的工作原理是：（1） 从投币口送入货币，然后通过传感器采集数据、识别器判断货币的真伪并判别面值。（2）识别器把信息数据传给通信模块。（3）通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值，启动售货机的面板键，显示出哪个货道有货，哪个货道已经售完，并等待顾客按键选择商品。（4）顾客选择商品后，售货机自动把商品送出，等待顾客取走。（5）显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择找币或者继续买商品；如果款额不够，售货机经过延时予以退币。退币分为两种情况：一种是由货币识别器完成退纸币，另一种是由硬币的通信模块完成退硬币。（6）系统复零，完成售货。自动售货机的硬件原理构成如下图1.2所示综合所述，售货机系统可以分为三部分组成，即自动售货机的控制子系统、通讯子系统、硬币器子系统以及纸币器子系统。其中控制子系统是本设计研究重点。1.2 自动售货过程的控制子系统简述 控制子系统由以下四个部分组成，分别是预设自动售货机系统、金额累计、可售指示和退币系统、售完检测系统、售出累计及自测功能系统。 1.2.1 预设自动售货机系统 自动售货机售出的同类商品可分为若干品种，其售前设定价格须预先寄存在控制系统内。售货机的价格设置由按键和存储器组成。通过按键选择被设价商品的种类及价格，并将价格写入存储器中，该存储器本身具有掉电保护功能，属于软件设置方式。此外，在简易售货机中，由于出售商品的种类少，价格变化下，使用币种单一，也可以用硬件设置价格，才用拨码开关对应方式，结构简单，操作方便。1.2.2金额累计、可售指示和退币系统 控制系统的核心cpu对识币、退币、无货检验及购货信号进行循环检查，当有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行接口使可售指示灯亮，提示购货。此时可以按下购货按钮，由于cpu检测到有购货信号后，如金额累计器中的数值与预设价格相等，则通过并行扩展接口驱动电磁阀或者微电机驱动出商品，并将金额累计存储器清零，完成一次售货过程，如累计金额大于预设价格时，驱动商品后，相减差额由信号驱动退币，实现退币和找钱功能。1.2.3售完检测系统 在自动售货机商品存储存道下方按照有接触行程开关，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。1.2.4自动售货机售出累计及自测功能系统 该机cpu在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通过自动售货机内部的按键可在金额显示窗口中读到累计结果。此外，在按下自测功能键后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品存储道的驱动商品功能。1.3 自动售货过程的通讯子系统简述自动售货系统的外围设备较为复杂，导致对主控制器的要求越来越高。为了简化设计，采用简单、稳定的内部通讯总线协议非常必要。有些公司采用欧洲售货机制造协会（evmma）制定的mdb/icp总线协议。该协议简洁明了，功能强大，可扩展性强并且对外挂设备数目没有限制，是理想的自动售卖系统内部总线协议。mdb/icp协议是欧洲售货机制造协会制定的一套用于协调自动售货机的主控制器（mmc）与多个设外之间通讯的协议。mdb接口实际上是工作于波特率9600的主从型串行总线接口，所以外围设备（例如硬币器、纸币器等）均为主控制器（传统上称为售货机控制器vmp）的从机。所有外围设备与主控制器之间的通讯方式都一致。mdb协议的串行位格式为：1个起始位，8个数据位，1个方式位和1个停止位，共11位。其中方式位根据传递的方式的不同置0或置1。在mdb总线上，vmc通过广播方式向外发送命令。第一字节为地址字节（实际上只有高5位寻址信息，低3位为对外设的指令），该字节被所有的外设读取，但只有符号地址字节所指定的外设才处理其后的数据字节，并做出反应。在vmc到外设的数据中，地址字节的方式位被置1，数据字节的方式位被置0，外设通过检验接受到的方式位确定是地址指令还是数据。当数据从外设发送到主机时，最后送出的字节方式位被置1，标志着数据发送完毕。vmc向外设发送的指令由一个字节、一些可选的数据字节一个校验和字节构成。发送指令后，外设应答vmc的通信块可以由一个数据块和一个字节组成，或者一个应答字节，或者一个无应答字节。如果外设应答数据块的话，vmc将通过一个应答字节、无应答字节或重发字节应答外设传回的数据。1.4 自动售货机的功能框图智能自动售货机的功能框图，如图1.3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，有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，和出货模块与外观的设计以及控制核心的编程与设计。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统4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1.3 智能自动售货机的功能框图第二章 自动售货机系统硬件装置方案的设计系统硬件装置方案的设计包括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2.1所示。图2.1 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/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2.2所示。图2.2 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abca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2.2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2.3所示。图2.3 36bf003矩频特性步进电机与单片机接口，如图2.4所示。图2.4步进电机与单片机接口8051pa0pa1pa2pb2pb0pb1驱动电路驱动电路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，片内还设有热减流保护电路。twh8751的引脚及外观如图2.5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st端为高电平“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80v100v的高压于负载上。图2.5 twh8751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2.6所示。各点的波型如图2.7所示。 图2.6 斩波型功放电路 图2.7 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。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2.8 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2.8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（pulse width modulation，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：a.在(10005500)转/分内对直流电机进行任意调速，最小调速级差为1转/分。b.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。c.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2.9所示。图2.9 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。pwm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。pwm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。pwm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2.10所示。图2.10 调速驱动电路图(3).检测电路检测电路原理图，如图2.11所示。图2.11 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2.12所示。 图2.12 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p1.0p1.2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2.13所示。遭到破坏振动声音报警手动复位 图2.13 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2.14所示。xi图 2.14 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2.15 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2.15所示。 2.3.2 方案二：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时电路，即当报警器检测到红外信号后发出报警声并让报警声持续约一分钟。该方案有红外传感器，信号放大电路，电压比较器，延时电路和报警电路组成。该方案的原理框图如图2.16所示。红外探测器信号放大电压比较延时报警 图2.16 红外探测报警框图(1).信号放大模块：在此单元电路中，当红外线探测传感器j1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由ic1的脚输出微弱的电信号，经三极管等组成第一级放大电路放大，再通过c2输入到运算放大器u1中进行高增益、低噪声放大，此时由运放的脚输出的信号已足够强，能够对信号进行放大。信号放大模块电路图，如图2.17所示。图2.17 信号放大模块电路图(2).电压比较模块在本单元电路中，u1b作为电压比较器，它的第脚由r10、vd1提供基准电压，当u1b脚输出的信号电压到达u1b的脚时，两个输入端的电压进行比较，查看u1b的脚是高电平还是低电平。电压比较模块电路图，如图2.18所示。 图2.18 电压比较模块电路图(3).报警延时模块当红外探测器检测到红外信号后，经过放大，比较vin将为低电平，lm393的2脚也变为低电平，1脚输出为高电平，三极管导通，蜂鸣器发出声音开始报警，同时r14和c6开始充电，当2脚的电平超过3脚的电平时，比较器1脚输出为低电平，蜂鸣器停止报警。此充电过程大约为一分钟，即让蜂鸣器持续报警一分钟。报警延时模块电路图，如图2.19所示。图2.19 报警延时模块电路图(4).开机延时模块：由vt3、r20、c8组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。开机延时模块电路图，如图2.20所示。 图2.20 开机延时模块电路图红外探测报警器的优点: 本身不发任何类型辐射，器件功耗很小，隐蔽性较好，价格低廉 。但也有一定的局限性：容易受各种热源、阳光源干扰； 红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收；易受射频辐射的干扰； 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。红外探测报警器的市场价格约为：75元。其外观图如图2.21所示。 图2.21 红外探测报警器外观图2.3.3 方案三：智能无线报警本文介绍一种采用单片机控制的基于电话线的远程报警器。其主要特点是采用mitel 公司的mt8880 集成电路收发电话双音频信号和检测呼叫信号。由于该芯片由iso2cmos技术制造,具有低功耗、高可靠性的特点,又能将其他同类芯片的单一功能集成,因此而节约了成本,提高了整体稳定性。整体电路的原理框图如图2.22所示。传感器接口dtmf信号收发中央处理单元振铃检测电话机/电话线接口电路电话机电话线语音电路电源 图2.22智能无线报警系统原理框图本报警器的工作原理:当发现警情时,探测器将警报信号通过传感器接口送入单片机,单片机的报警中断程序开始运行,调用拨号子程序按照预置号码进行拨号。此时单片机控制mt8880发送双音频信号拨号,并检测呼叫信号以判定是否可以调用语音模块进行语音报警。当没有警情时,可以通过另一部话机拨打本机,振铃检测电路将振铃音信号转换成ttl 信号传送给单片机,由单片机计数;当振铃五次无人摘机时,系统就会自动摘机,调用远程设置子程序进行远程录音、查询警情等操作。摘挂机模块：电话摘机后,电话线的回路电流突然变大为约30ma的电流,程控电话交换机检测到此变化就认为话机已经摘机。单片机通过端口p2.0控制三极管t01的导通和截止来控制电路中的电流的大小,从而模拟摘挂机的动作。当p2.0为低电平时,t01截止,电流比较小,处于挂机状态;当p2.0为高电平,t01 导通,此时t01 和t02 组成的恒流源电路将提供30ma左右的电流,相当于电话摘机,交换机就会接通话路，其电路图如图2.23所示。 图2.23 摘挂机电路原理图拨号音接收和dtmf 信号收发模块：信号的接收部分:在mt8880 的运放输出端和in - 之间接反馈电阻可调节运放增益, 增益大小为r12/ r11。实际测试到电话线上的dtmf 信号比较小,不易检测到,故选择增益为3。为减少干扰,在in2端接入100pf电容可改善mt8880 对dtmf 中高频分量的接收。信号的发送部分:从tone 引脚输出的信号经过r13、c15 滤波后经过音频放大,经过音频耦合器输出到电话线上。音频放大部分:由于构思是要使mt8880 发出的音频信号作为提示音信号,若要使它能够被电话信号另一端的人听到,就必须使信号输出的峰值达到2. 5v 以上。但是经过测试,tone脚输出的峰值不到1v ,为此,必须加一个音频放大电路，其电路图如图2.24所示。 图2.24音频放大电路电话报警模块：电话报警模块主要通过中断服务程序来实现。该程序的基本流程是:报警器摘机,自动拨叫号码簿上相应的报警号码,如,110、119 ,或一组用户的自己设置的固定电话号码、手机号码。拨叫时,报警器摘机后先对电话线上的信号进行检测,检测到拨号音就拨号,检测不到拨号音说明电话线已有问题,无法拨号,就自动挂机。拨号后等待三秒再检测有无回铃音或忙音,如果都没有,就表明已经接通,可以进行语音报警。如遇回铃音就等待三秒再检测,若等待三次后线路仍然不通,就拨叫下一个号码; 若遇忙音就先挂机再等待10s ,重新拨号,如此三次后仍然拨不通,就拨叫下一个号码,直到将电话簿上的所有号码拨完为止。本设计介绍一种采用单片机控制的基于电话线的远程报警器。其中使用目前比较新颖的多功能dtmf 收发集成电路mt8880 ,成本低,可靠度高,可广泛应用于家庭。智能无线报警器的市场价格约为：150元，其外观图如图2.25所示。图2.25 无线报警器外观图 2.3.4 报警装置方案选择报警装置的三种方案，从成本、功能实现、效率、操作难易、以及精度等，综合考虑，我选择方案一振动报警器作为设计的报警装置。第三章 自动售货机硬件设计3.1自动售货机中央控制元件8051的介绍在本次设计中，中央控制元件采用8051单片机。8051单片机内部结构:图3.1图3.1 8051内部结构8051单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。其中，中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 mcs-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40pin封装的双列直接dip结构，上图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 8751共有4组8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于对外部数据的传输。4组8位共32个i/o口，中断口线与p3口线复用。mcs-51的引脚说明如图3.2： 图3.2 8051引脚图3.2 硬币验钞系统设计 3.2.1总体结构介绍硬币验钞机构用于检测所投入的硬币的真伪。对伪币退回到硬币退还口，如果是真币则与原来的值累计，累计金额与20元相比较，如果累计值大于20元，则将此硬币从退币口退出。因为我这个设计所要求的一次性投入币值不能超过20元，如果一次性投入的币值超过20元，则系统会自动将此币作为假币处理，将其从相应的退还口退出。如果一次性投入的币值等于或者大于商品的售价，而贷物贺上又还保存有货物的话，则按相应的键可购买要求的货物。图3.3是硬币验钞机构原理简图，由硬币检测部分、运算控制部分、找零机构装置、自动售货机主体和接口部分组成。 设定价格运算控制部分（微处理机）余额显示自动售货机验钞机构1元5角找零机构退还口硬币 许可出售 选择 硬币信号 开始售货假币找零信号 有无找的零钱图3.3 硬币验秒原理简图 3.2.2 硬币真伪的判别和信号的采集 (1)硬币制造系统的原理与算法硬币制造时，不同币值的硬币含有不同的特殊合金材料。通过对现在国内广泛流通的硬币作的大量试验发现，对于每一种币值的硬币都有一特征振荡频率f与之对应，各个特征频率由硬币的电导率、磁导率、厚度、直径等因素综合决定的。首先将得到每一种币值的硬币的确定f1，在鉴别过程中，将测得的硬币振荡频率与f1相比较，比较的结果就可确定硬币的真伪。在实际过程中因为其它因素会使得得到的振荡频率在f1左右波动，对此设定一个允许误差范围f,如果f1-fff1+f,则认为测得是真币，如果不在此范围之内则当成是伪币。(2)传感器采用电涡流式传感器通常可以通过传感器对硬币的材质、厚度、直径、质量、图形图案等特征进行检测，从而识别硬币的真伪。电涡流式传感器是建立在电磁场理论基础上工作的，其原理如图3.4所示。图3.4 电涡流传感器图3.5 等效电路 为了分析方便，可将硬币中形成的电涡流等效为一个短路环中的电流，这样线圈与硬币可以等效为相互耦合的2个线圈，如图3.5所示。对空心线圈，r1为线圈的电阻，l1为线圈电感，r2为短路环的电阻，l2为短路环电感，m为线圈与短路环间的互感。与它们之间的距离、硬币运动速度有关，也与硬币的电导率、磁导率、厚度、直径等因素有关。由等效电路及基尔霍夫定律可以求得受硬币的影响后，线圈的等效电感为： 当有硬币通过线圈时，可以得到线圈电感的变化： 于非软磁材质而言，电涡流效应会使l0，因此只要检测出硬币电导率、磁导率、厚度、直径等因素对磁场的综合影响就可以达到鉴别的目的。这里采用谐振法，把线圈作为电感接入电容三点式的振荡电路中。由于本设计采用互补型算法，所以只需测量振荡频率就可以精确鉴别不同币值的硬币，从而识别伪币。可以求得当没有硬币通过时的振荡频率f0及有硬币影响时的振荡频率f1，c为振荡回路中的电容。 (3) 振荡原理图图3.6 振荡电路当中断口into产生低电平判别有东西投入的时候，检测的光敏二极管d0被硬币遮挡住，通过程序的判定可以知道d1没有被遮挡住仍然保持高电平，则表明是硬币口有硬币投入，此时调用终端服务程序，测量振荡频率。定时器计数器t0作为计数器用来计算脉冲频率。图3.6所示振荡电路所得到的5角的振荡频率为20-50khz,1元的振荡频率为62.5-100 khz；相对应的振荡周期为20-50s、10-16s；其脉冲宽度为10-25s、5-8s。此处单片机的晶振频率取12mhz,则定时计数器t0用来计算一个脉冲的宽度，从00h开始累加其值为0a-10h、05h-08h才满足是真币的条件，并且单片机的处理速度也完全满足要求，可以实现快速识别。硬币检测原理如下图3.7所示：8051p1.0保持高电平int0发生中断表示有硬币投入p1.1控制电磁铁mo开关振荡电路从p1.3输入 图3.7 硬币检测原理 （4）硬币鉴别系统系统结构主要设计包括振荡线圈结构设计和币道结构设计。a. 振荡线圈结构设计：如图3.8所示中当光敏二级管检测到有硬币通过时，以中断方式通知单片机测量频率，单片机从开始测量频率到结束测量这时间内，硬币处于线圈中心，减少动态测量误差。光敏二级管线圈硬币图3.8 振荡线圈结构 b.币道结构图设计：如图3.9所示中，m0为高灵敏度，低功耗的快速电磁铁。当单片机识别出硬币为假币时，打开电磁铁m0；设硬币从投入开始到m0这期间经历的时间为1s，当振荡频率不满足条件时，单片机控制电磁铁开1s，假币将会从退币口直接退出,如果是真币就直接送入到收币装置里。m0硬币防震片收币装置 图3.9 币道结构图3.3纸币验钞系统设计 3.3.1纸币传送机构的设计从单片机p1.4发出控制信号带动电动机的正转，经过减速机构使带轮转动，投入的纸币会随着传送带的运动将纸币往里送。投币口有一个光敏二级管d1，当有纸币投入光敏二级管会被遮挡住产生中断，电机开始正方向运转。选用直流电动机：36sz01。参数为：转距170g.cm、功率5w、电枢电压24v、转速300r/min、转动惯量不大于0.027g.cm，采用的齿轮减速传动比为50。此处带轮的半径是3cm，则速度是60r/min；带轮开始运动0.9s后单片机控制进行纸币的调整，使其与带轮的一边对齐，调整过程为0.1s（通过对电磁铁的通电和断电来实现此功能）；将用来检测真伪币和币值的磁头装在离纸币入口处18.84cm处（刚好是带轮开始运转1s到达）；而将用来检测残币的八个光电管安装到离纸币入口37.68cm(带轮开始运动2s后到达)。如图3.10所示，详细情况将在后面介绍。纸币调整机构八个磁头八个光敏二级管纸币图3.10 纸币传送示意图 说明：八个磁头和八个光敏二级管纵向排成一列3.3.2纸币真伪和面值的识别 这里设计所采用的是新版人民币5元、10元、20元,识别其真伪和面值的多少是靠金属线的磁带分布来确定的。我们对不同币值的磁带分布进行规定，经测量可知5元的宽为6.4cm ，10元、20元的宽为7cm 。20元10元5元磁头07 图3.11 拾磁原理示意图如图3.11所示中，阴影部分表示有磁，上面的黑框表示的是拾磁磁头的位置布置，左边对齐后按照以上的磁头布置法，可以测出这三种纸币的磁性分布情况。上面平均布置8个磁头，当有纸币通过磁头下方时开始拾磁，当检测到某一段有磁性分布时，对应的磁头读出的信号经整形电路输出为高电平如图3.12所示。纸币开始通过磁头到完全通过由软件完成对磁信号的读取处理，并做出真假和面值的判断。磁头0检测信号信号放大与整形磁头7检测信号信号放大与整形8255a（3）的pc0口8255a（3）的pc7口图3.12 信号转换由以上说明可知5元、10元、20元的磁信号从8255a(3)pc口读入得到的信号应该是66h、aah、bbh。因为5元、10元、20元的长度分别为13.5cm、14.0cm、14.5cm，因此带轮正转开始1s后，纸币到达磁头下方，只要在1s之内对其检测如果无上述信号之一的话,则说明此币是假币，单片机控制带轮反转将纸币从投入口直接退回给顾客，如果是真币则还需要进行下一步对其的残缺情况进行识别。如图3.13为5元纸币通过时检测的示意图：纸币上金属带5元的纸币磁头图3.13 检测过程示意图 3.3.3残币的检测原理各种纸币根据面值的不同，其大小也是不一样的，但形状都是标准的矩形。纸币的破币情况根据破损位置可以分为四角残缺、四边残缺、中间残缺、以及断截面的四种情况，如下图3.14所示的这些情形：图3.14 残币种类为了设计的方便、简单、成本低，我采用了光电检测的办法来解决以上残币的检测问题。待检测的纸币通过传送带以恒定的速度传递，传送过程如图3.15所示。纸币调整机构八个磁头八个光敏二级管纸币齿素灯凸透镜纸币上金属带10元、20元币光敏二级管d2光敏二级管d25元的纸币光敏二级管光敏二级管d2图3.15 残币检测过程示意图将检测所用的八个光敏二级管d2d9安装在离入口为37.68cm处，计算可知如果是完好无缺的纸币，则从开始到达光敏二级管下方直至完全通过时，5元、10元、20元分别经历的时间为0.7166s、0.7421s、0.7696s。 5元的纸币（好币）通过时只有最靠外的光敏二级管d2没有被遮挡住，此时8255a(3)的pa口得到的输入信号为feh。只要从开始检测到有纸币通过时此信号在0.7166s之内保持不变就说明此币不是残缺，认为这5元是有效，和先前投入的值累加，如果不超过20元则继续下面的操作。如果是累加值是超过20元的话，则将此币当成是假币，带轮反转使其从投入口退出。同理10元、20元如果不是残币从8255a(3)的pa口得到的输入信号为ffh；检测的时间分别为0.7421s、0.7696s；这里我采用的是每隔0.01s检测一次，则5元、10元、20元