自动售货饮料机控制电路的设计与实现-数电课程设计报告

武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信1302班 指导教师： 付琴 工作单位： 信息工程学院 题 目: 自动售货饮料机控制电路的设计与实现 初始条件：本设计既可以使用计数器、比较器、脉冲发生器等和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建。用数码管、LED灯显示结果。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周。2、技术要求：1）售货机只接受5角和1元的硬币，可以用按钮代替硬币的投入。投入硬币的总金额用两位数码管显示，最大投入金额为9.5元。2）售货机可以自动出售3种饮料，售价分别是0.5元，1元和1.5元。当顾客完成投币后，根据投入金额，各饮料对应的LED将亮起（如投入1元硬币，0.5元和1元饮料的LED亮起，表示可以购买0.5元或1元饮料）。3）顾客根据自身需要按下各饮料对应的按钮，每按一次掉出一瓶饮料，两位数码管显示剩余金额，LED继续指示可购饮料的种类；4）顾客按下“找零”按钮将使机器发出找零信号，两位数码管清零。5）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：序号阶段内容所需时间1方案选择和电路设计1天2硬件设计、软件仿真2天3系统优化2天4设计报告撰写1天5答辩1天合 计7天指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要本文主要介绍了通过使用单片机系统构建自动售货饮料机控制电路，并且用数码管、LED灯显示相应的结果的相关程序和步骤。所使用的单片机以INTEL 公司的AT89C52单片机。该系统以单片机AT89C52芯片为核心，实现对自动饮料售货机投币以及收货找零全过程的自动控制。本系统选择6个独立按键分别作为硬币投入端，饮料购买端和找零端，实现了投币，饮料购买以及找零功能，用两个7段共阳极数码管显示剩余钱数，用三个LED灯分别表示剩余钱数是否可以购买三种相应的饮料。本文详细描述了确定设计方案的分析过程，并且按照按功能模块的划分选择元器件和中小规模集成电路，设计分电路电路图，画出总体电路原理图，并针对原理图阐述基本原理。此外，系统程序采用Keil uVision 4软件进行程序的编写和编译，采用C语言编写程序，用Proteus软件进行仿真, STC_ISP_V483软件和USB转串口线驱动软件下载程序，最后外部输出显示通过外部相关显示电路显示有关结果。总体来说，通过单片机的下载，实物的焊接与安装调试，本次课程设计基本达到了设计指标要求，正确实现了投币，选择饮料，购买饮料，找零等功能，设计与实现了自动售货饮料机控制电路。关键词自动售货饮料机控制电路，单片机，C语言,数码管、LED显示ABSTRACTIn this paper,by using the Single-Chip Microcomputer is mainly introduced in this paper to build the circuit of the Automatic Beverage Vending Machine, and the corresponding results of using digital tube, LED lights display .The use of the Single-Chip Microcomputer AT89C52 is from INTEL. the Single-Chip Microcomputer AT89C52 chip as the core, the system realizes Automatic Beverage Vending Machine coin and receiving the change of the whole process of automatic control.This system choose six independent buttons respectively as coins drop, buy drinks and change functions, using two section 7 of total anode digital tube display the residual amount, present the remaining money, each in three LED lights whether can buy three drinks.Described in detail in this paper to determine the analysis of the design process, and according to the division of function modules in accordance with choice of components and small and medium scale integrated circuit, circuit diagram and design points, and draw the overall circuit principle diagram, and schematic diagram in this paper, the basic principle.In addition, the system program using Keil uVision 4 software programs to write and compile, using C language program, use Proteus simulation software, turn STC_ISP_V483 software and USB serial port driver software download program, the external output display through external related circuit according to the results.By single chip microcomputer, in general, download, physical welding and installation and debugging, the course design of basic request has reached the design target, the correct implementation a coin, choose drinks, buy drinks, change, and other functions, design and accomplish the circuit of the Automatic Beverage Vending Machine .Keywords Automatic Beverage Vending Machine, SCM, C language, digital tube, LED display目录摘要2关键词2ABSTRACT3Keywords31绪论61.1设计背景61.2 Proteus简介61.3 AT89C52简介62 结构分析及方案选择82.1 自动售货机总体系统结构82.2 方案选择92.2.1方案一92.2.2方案二92.2.3方案比较103单元电路设计113.1 硬件单元电路设计113.1.1中央控制元件AT89C52113.1.2实验用模块123.1.3投币累计、购买、清零模块143.1.4比较显示可购买模块153.1.5余额显示模块1532软件单元电路163.2.1 总体设计方案163.2.2 子程序设计方案164整体电路设计184.1整体电路图184.2整体工作原理说明185 Proteus 仿真结果及分析196实物焊接及调试226.1 实物焊接图226.2 调试过程中出现的问题237 总结及体会248参考文献25附录1：元件清单26附录2：源程序271绪论1.1设计背景随着劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变，自动售货机日趋盛行，主要用于公共场合，且种类繁多。一般的自动售货机由钱币装置、指示装置、贮藏售货装置等组成。钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。如果投入的金额达到购买物品的数值即发出售货信号，并找出余钱。指示装置用以指示顾客所选商品的品种。贮藏售货装置保存商品，接收出售指示信号，把顾客选择的商品送至付货口。一般售货机的钱币装置由投币口、选别装置、确认钱币真伪的检查装置、计算金额的计算装置和找钱装置组成。70年代以来，出现了采用微型计算机控制的各种新型自动售货机和利用信用卡代替钱币并与计算机连接的更大规模的无人售货系统，如无人自选商场、车站的自动售票和检票系统、银行的现金自动支付机等。1.2 Proteus简介Proteus 软件是由英国 Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。Proteus软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的。它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美；它的电路仿真功能可以和Multisim相媲美，且独特的单片机仿真功能是Multisim及其他任何仿真软件都不具备的；它的PCB电路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但强大，而且每种功能都毫不逊于Protel，是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件。1.3 AT89C52简介本次设计中，中央控制元件采用MCS-51系列单片机中的AT89C52芯片，其引脚图如下图2所示.图1.3 AT89C52引脚图AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央 处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。.2 结构分析及方案选择2.1 自动售货机总体系统结构 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，其工作程序如图1。顾客投币计算累计投币金额显示可以购买的饮料顾客选择购买饮料扣除饮料金额并显示余额顾客选择继续购买饮料、投币或找零结束图2.1 自动售货机工作程序售货机的工作原理是：（1） 投入货币，计算投入货币的数目和面值，将其显示在显示模块中。（2） 搜寻可供购买的饮品，显示在显示模块中。（3） 用户选择需要购买的饮品并按下对应按键，系统计算余额和搜寻可供购买的饮品并显示在显示模块中。（4）用户按下退币按键，余额清零，完成交易。2.2 方案选择2.2.1方案一 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74LS161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74LS85比较可以购买不同价格的饮料类型。另一部分通过开关闭合模拟选择饮料，选择货物后用编码器和数码管显示饮料价格，最后将投币总值和饮料价格一起通过减法器，做差值后显示。原理框图如图1-1所示。图1-1 方案一原理框图2.2.2方案二根据题目要求，可利用AT89C52单片机实现系统的搭建。将显示数码管，led灯和按键通过电阻等原件连接到单片机I/O口上，在对单片机进行编程即可实现上述功能。其系统的搭建如图2所示。图2.2.2 单片机系统搭建2.2.3方案比较由于利用门电路搭建系统芯片较多，整个系统逻辑复杂，且价格昂贵、容易出错。利用单片机搭建系统则是通过程序控制，简便快捷，易于排错且成本较低。故选用方案二。3单元电路设计3.1 硬件单元电路设计3.1.1中央控制元件AT89C521主要特性（1）兼容MCS51指令系统 （2）8k可反复擦写(1000次）Flash ROM （3）32个双向I/O口 （4） 256x8bit内部RAM （5）3个16位可编程定时/计数器中断 （6） 时钟频率0-24MHz （7） 2个串行中断 （8） 可编程UART串行通道 （9） 2个外部中断源 （10） 共6个中断源 （11） 2个读写中断口线 （12）3级加密位 （13）低功耗空闲和掉电模式 （14） 软件设置睡眠和唤醒功能 2管脚说明（1）VCC：供电电压，一般接+5V电压 （2）GND：接地。 （3）P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器或程序存储器。它可以在总线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 （5）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 （6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 （7）P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 （8）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。（9）PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 （10）EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 （11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 （12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.1.2实验用模块内部时钟电路及复位端连接如下图：图3.1.2 时钟电路及复位时钟电路：XTAL1：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2.1.3 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 40pF 之间选择（本实验套件使用30pF）。复位电路：在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。复位引脚RST（ 第9 管脚） 出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图2.1.3中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。和电阻仪器并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替。3.1.3投币累计、购买、清零模块投币模块： 用端口P1.0和P1.1作为投币输入端，分别表示投入0.5元和1.0元。选择购买模块：用端口P1.2、P1.3和P1.4作为选择购买输入端，分别表示购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料。找零模块：用端口P1.5作为找零输入端。输入与否利用按键控制图3.1.3 输入、购买、找零硬件模块图3.1.4比较显示可购买模块图3.1.4 比较显示可购买硬件模块图显示模块：用端口P0.0、P0.1和P0.2作为可购买指示输出端，分别表示可购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料。由于二极管具有具有约0.7v的压降和约20mA的限制电流，故选择220V的限流电阻。3.1.5余额显示模块图3.1.5余额显示硬件模块用端口P2.0-P2.7作为显示输出端，连接数码管显示余额。由于数码管存在一定的最大限制电压，故需要外接限流电阻。32软件单元电路3.2.1 总体设计方案当系统启动后先进行初始化，然后开始进行按键扫描，等待按钮被按下，从而进入相应的子程序处理部分，其中子程序主要包括键盘扫描程序，显示子程序等。其流程图如图3.1所示。图3.2.1 整体程序流程图3.2.2 子程序设计方案1、运算子程序运算子程序包括输入五角和输入一元，减去5角，减去一元，减去一元五角五种，以输入五角为例。由于两个数码管是分开控制的，即分十位与个位分别控制，因此，在计算加法的时候需要考虑进位问题。当个位初始值为5的时候，对其进行加5操作则需对十位进行进位并同时将各位清零。此外，由于最大不能超过9.5元，还需在程序中对十位个位的最大数值进行判断。减法程序与加法程序类似，也需注意借位问题，在此不再赘述。2、 显示子程序显示子程序包括数码管显示和led显示两种。由于数码管相当于8个led并联连接，一段接电源VCC一端接单片机I/O口。当I/O口输出低电平时，数码管对应的位置将亮起。在编写程序的时候可利用数组实现对数码管的控制，将09对应的二进制代码存入数组中，显示时输入对应数字即可完成数码管的显示。在led显示子程序中，首先对数码管中显示数值进行判断。若数值小于0.5则都不亮；等于0.5时，led1亮；等于1时，led1、led2亮；大于等于1.5时，三个灯全亮。其流程图如图11所示。 图3.2.2 led显示流程图4整体电路设计4.1整体电路图 图4.1 总体电路图4.2整体工作原理说明根据设计要求，自动售货饮料机主要由四个模块构成，即投币模块、选择购买模块、找零模块和显示模块（余额显示和可购买类型指示灯显示）。综合考虑自动售货机的功能需求和硬件设计，软件程序的编写应该包括以下几个内容：独立键盘扫描函数KeyScan，数码管显示函数Display、非精确延时Delay函数和主程序main。电源供电后，手动控制按键投币，饮料选择等，按下按键等于给相应的I/O口一个低电平，在通过程序控制，AT89C52芯片给相应的I/O口高低电平，实现LED灯的亮灭表示是否可选择饮料和数码管金额显示。具体代码见附录3。5 Proteus 仿真结果及分析1. 设置投币1.0元，未购买饮料。仿真图如下：图5-2 投1.0硬币，未购买状态仿真图仿真结果分析：此时LED_A和LED_B灯亮，表示0.5元和1.0元的饮料可以购买；LED_C处于熄灭状态，表示1.5元的饮料不能购买。数码管上显示1.0，表示投入金额为1.0元。符合设计要求。2.多次投入1.0元和0.5元硬币，未购买饮料。仿真图如下：图5-3 投币至9.5元，未购买状态仿真图 仿真结果分析：此时LED_A、LED_B和LED_C都亮，表示0.5元、1.0元和1.5元的饮料均可购买；多次投入1.0元和0.5元硬币，但最多只能投入9.5元，此时数码管上显示9.5。符合设计要求。 3.找零。仿真结果如下：图5-5找零仿真图仿真结果分析：此时LED_A、LED_B和LED_C都为熄灭状态，表示0.5元、1.0元和1.5元的饮料均不能购买；按下找零按键后，数码管显示为0.0。符合设计要求。6实物焊接及调试6.1 实物焊接图图6.1（1） 实物焊接图图6.1（2） 实物焊接图6.2 调试过程中出现的问题（1）焊接晚一个数码管后，部分管子无法显示，后来发现焊接错误，最终修改后实现正确功能。图 6.2 焊接错误图7 总结及体会这是我第二次做课程设计，较第一次课程设计来说，我对于课程设计的流程和论文格式更加了解。我这次做的题目为“自动售货饮料机控制电路的设计与实现”，看到课程设计要求后我便决定利用单片机来完成这次设计。参照网上资料的提示并结合自身的相关知识，自主设计出这个系统。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关单片机方面的知识，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。第一次使用proteus仿真软件，对其并不熟悉，在初学的时候因为误操作生成了一些不必要的文件 ，为后期的仿真造成了不小的麻烦。在这次课设中，我还锻炼了自己的编程能力。在编程的过程中，我也遇到了不小的麻烦，也曾经为了找一个很简单的错误花了将近一个小时。也因为考虑不够周全，小错误不断，但好在后来都一一解决了。这一次实物焊接比较顺利，实物焊接出来后除了数码管亮度不够之外，功能全部都实现了。在调整了电阻后，亮度也恢复了正常值。通过这次课程设计，我体会到了自主设计实物的不容易与最终实物调试成功后的喜悦感，也让我对数电这门课程有了更深层次的了解。此外，我还感受到编写程序时思路清晰的重要性。我正是由于有时候有些急于求成，在还未规划好的时候就开始编程，导致后期小错误不断。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.8参考文献1 新型集成电路的应用电子技术基础课程设计，梁宗善主编，华中科技大学出版社。2 电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教育出版社。3电子线路设计实验测试第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社。4 51单片机C语言程序设计经典实例陈忠平主编，电子工业出版社，2012年5月。5 郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009.01。 6 Proteus教程M，朱清慧、张凤蕊、翟天嵩编，清华大学出版社,2000年9月。附录1：元件清单表1元件数目89C52核心板1双USB电源线1下载线1万用板110K电阻16220欧电阻3按键6一位八段数码管2红色LED3杜邦线若干排针若干附录2：源程序/*名称：自动饮料售货机控制 *时间：2015.7.5 */#include/*宏定义*/ #define Moneyshi P2 / 数码管余额显示 十位，P2脚定义为十位#define Moneyge P3 / 数码管余额显示 个位，P3脚定义为个位/*管脚定义*/sbit key5=P10;/定义5角钱的输入按钮连接管脚P10sbit key10=P11;/定义1元钱的输入按钮连接管脚P11 sbit dekey5=P12;/定义选择饮料（0.5元）的输入按钮连接管脚P12 sbit dekey10=P13;/定义选择饮料（1.0元）的输入按钮连接管脚P13sbit dekey15=P14;/定义选择饮料（1.5元）的输入按钮连接管脚P14 sbit keyClear=P15;/定义清零按钮连接管脚P17 sbit LED5=P00;/定义饮料 （0.5元） 的LED连接管脚P02sbit LED10=P01;/定义饮料（1.0元） 的LED连接管脚P03sbit LED15=P02;/定义饮料（1.5元）的LED连接管脚P04/*变量定义*/unsigned char code display_shi10 =0x02,0x9e,0x24,0x0c, 0x98,0x48,0x40,0x1e,0x00,0x08; /共阳数码管码值 分别对应 0,1,2.9unsigned char code display_ge10=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99, 0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09; /个位比十位少一个小数点，故多一个最低位的1 unsigned int money=0; /*子函数声明*/void KeyScan(void);/独立键盘扫描函数 void Display();/显示函数void Delay