《基于单片机的自动售货机控制系统设计（附录实物图）》9000字（论文）

目录毕业设计论文目录PAGEPAGEIIPAGEPAGE5基于单片机的自动售货机控制系统设计（附录实物图）摘要随着互联网时代的到来，人工智能化的普及，自动售货机因其无需人力，且不受场地限制，方便快捷，而越来越普及。本文以STC89C51单片机为核心设计一款自动售货机。该设计以单片机STC89C51作为CPU处理单元来连接LCD1602显示模块，独立按键模块，投币器模块，LED模块，电机模块；以LCD1602液晶作为显示模块来显示当前的购物状态以及货币状态；在通过6个独立按键作为输入控制模块对货物进行种类和数量的选择，利用外部连接投币器实现投币功能；以LED的显示来表示当前选择货物以及提醒商品的状态，出货功能的实现是借助电机转动来完成；然后在通过Protues7.8和KeiluVision4专业软件来对设计电路原理图进行布线连接完成源程序编译和调试，最后根据电路图做出实物完成设计。该设计可实现自动售货机的系统的初始化待机、等待顾客选择货物并确认、投币购买货物、自动出货功能、自动跳转到初始化待机界面等功能。这简约了购物流程，方便顾客节约其时间，也为商家节约成本，达成共赢。关键词：STC89C51单片机；自动控制；自动售货机；目录TOC\o"1-2"\h\u5872摘要 I14891引言 1195461.1自动售货机研究现状 1245361.2设计目的及意义 2238721.3自动售货机设计内容 239032设计方案 3293642.1自动售货机的硬件设计原理 3175902.2自动售货机的软件设计思路 4182403自动售货机硬件设计 5196813.1STC89C51单片机模块 6285343.2按键模块 671013.3LCD1602显示模板 739743.4电机模块 8277093.5LED模块 820683.6投币器 9204884自动售货机软件设计 10208534.1按键模块程序设定 10323194.2LCD1602液晶模块的程序设定 12281294.3出货系统与投币系统设定 13249435测试与结论 1346315.1实物测试 1397555.2结论 1424648参考文献 1512108附录 17PAGEPAGE4PAGEPAGE51引言1.1自动售货机研究现状在全球科技发展的浪潮下，自动售收货机做为一种便利快捷的商务工具兴起上世纪五六十年代,是全球经济结构上由相对劳动知识密集型经济与人力资源的密集型逐渐向信息技术服务密集型产业转变发展的一个产物。自动售货机目前主要遍布于发达国家地区,由于在这些发达国家地区人口密度过大，对各种商品的销售需求量多。但其地区商店和铺位的租金偏贵,劳动力投入成本高，加大了商家成本,降低了其商业销售带来的利润。面对此种情况自动售货机应运而生。它既可以保证二十四个小时不间断的为人们的服务,安装比较方便,售货十分便利,不需要雇佣专人日夜看守,节省许多店铺费用和人工成本,而且可售货范围比较的广泛如车站、校园办公楼、地铁、市中心的街道都可以安装自动售货机,销售的商品各种类型都有,如日常生活中常见的饮料、零食,香烟及现在疫情期间最需要的口罩等,只要是标准化的商品都可以进行售卖[1-2]。此外自动售货机还可以为广告媒体提供传播途径，为商家增加收入和加快信息传播。随着中国经济的不断向前发展，人们生活水平不断的提高，它将会在人们活动的各个方面都有所渗透，比如现在有些小区里安装了自动取纯净水设备，不用在像以前打电话叫人送纯净水，现在可以直接在楼下扫码取水这方便了小区住户同时也响应了时代需求。在此情况下它掀起第三次零售业革命取代实体经济成为我国新零售市场的重要组成部分也是大势所趋。现在自动售货机并非单一而是可以根据不同功能分为不同种类，根据程序控制方式不同可分为PLC程序控制和单片机控制，根据支付方式不同可分为投币支付，和现在最流行的刷脸支付和移动支付，可根据是否具有找零功能来划分有找零功能和无找零功能，如某些公交车上就需自己筹备零钱，它并无找零功能。还可根据储存方式来划分为常温储存，制冷储存，加热储存，常温-制冷可相互转换的储存方式，现在街面上的自动售货机一般都是常温-制冷储存方式在夏天时为制冷储存，冬天天气变冷转换为常温储存，人性化十足。因此想要一台功能满足要求的自动售货机，其价格是比较昂贵的，目前市场价格维持在4千至3万元不等。但与PLC程序控制方式相比而言，单片机的价格相对较低，而STC系列芯片的价格更是远低于国内外研发的其他单片机芯片，正常一块芯片的市场价格在5-10元上下波动。为此本次设计了一款基于STC89C51单片机的投币式自动售货机，可以显著地帮助商家降低成本[3]。1.2设计目的及意义由于人力、铺位租金等经营成本的上升，需要有人值班的店铺出售物品，成本投入太高，因此既需要有一套无人售货系统来代替这种模式。这种模式的投入成本低，便利，可以满足顾客的要求，不需要人力，也不占店铺的空间。自从自动贩卖机被发明后，它就风靡世界，并被各国快速的推广[4]。本文通过单片机来设计一款小型自动售货机，以降低商家成本和加深对电子电路设计的学习和思考。21世纪，我国的自动贩卖机应该进一步向方便、资源节约、技术含量高的方向发展。符合时代需求，满足顾客商家两者需要，让两者在时间观念越来越重的快速商品社会的环境，能够更快地购买到自己所需的商品，远离被迫选择掌握主动。随着时代发展科技技术不断更新与提升，自动售货机顺应时代潮流向多元化和满足人们需求的个性化的发展，会变得越来越体贴照顾顾客。比如现在可以在街道可以看见的自动售卖热水机来满足有些不喜冷饮的顾客。现在的人们通过自动售货机进行自助消费和在购物网上购物消费的购物的模式正逐渐演变成为我们普通的市民眼中的另一种时尚消费新概念，满足了当今的人们在这样一个日新月异的社会科技水平和高速信息化的现代经济社会中追求一种更高品质的生活理念的需要。自动售货机因为本身占地的空间很小，所以能够适应如全国各主要城市商业区、写字楼大厅、繁华的购物区街道广场公园等一些重要公共场所。在其安装与布置后,不仅进一步方便居民群众经济生活，还能大大地美化市容和亮化周围一些重要城市环境,,让其逐渐成为一道靓丽的城市亮丽风景[5]。自动售货机已在国内普及，并成为城市现代文明程度的一种象征性标志。它是我国生产技术机械化、智能自动化和科技化的体现。自动售货机的发展可以调节人力资源把有限的人力物力集中到有需要的建设上，还可以很好地解决人工费用和铺位租金上升的问题[6-7]。自动售货机的诞生完善了市政的建设，符合现代化建设的需要，提高了经济活动效率，节约劳动力，加快社会主义现代化建设。1.3自动售货机设计内容自动售货机是集光、机、电一体化的自动售货装置，能够独立完成自动售货这一功能的机械[8]。一般的投币类自动售货机的工作原理是：保持初始化的界面等待顾客唤醒，唤醒后顾客通过按键来选择心仪商品种类与数量。无误后按下确定购买键，等待售货机系统自动计算所购商品的总价。若取消购买自动售货机显示界面返回到初始页面等待顾客下一步操作。若顾客继续确认购买系统则跳转到下一步骤，自动售货机显示屏显示商品价格，顾客应该投入对应硬币，自动售货机系统等待顾客投入硬币等待时间30秒左右，若超过时间返回到初始界面。顾客所投的硬币经过投币器传感器检测硬币真假后在累加计数，达到商品总价，传递信号给CPU。中央处理器根据程序运作只需等待缓慢时间，自动售货机主动推出商品，最后顾客取走，完成售货。其找零原理为通过货币的总价与和所购商品的总价的差值来进行退币找零。总体工作原理如图1所示。本次设计的自动售货机控制系统原理大致相同。取消退出货币拿出取消退出货币拿出按键确认商品初始化界面按键选择商品计算货物金额投入对应货币确认，推出货物并找零图1.自动售货机工作原理图2设计方案2.1自动售货机的硬件设计原理该设计是以单片机STC89C51为核心控制的自动售货机。具体涉及到用keilUvision3专业编程软件来进行C语言程序的编译调试，然后在通过protues7.5专业仿真软件来设计系统电路进行布线连接，仿真成功后再根据电路图正确焊接实物。具体为通过STC89C51与独立按键输入模块、投币器货币投入模块，LCD1602显示模块、LED使用模块、电机出货模块相连接来设计一款根据自己意愿购买商品的投币式自动售货机。其中用独立按键来选择商品种类以及数量，再利用投币机行使投币功能，通过投入硬币，投币器内部传感器检测真假后累加计数满足商品总价传递信号给投币机中央处理器，中央处理器在传递给自动售货机系统信号使其按照已写程序运行。用LCD1602作为输出显示模块，通过液晶显示商品的价格和数量提醒顾客进行下一步操作以及顾客全程购货状态等。用LED灯来表示货物的种类和商品出货灯用来提醒商品出货状态。最后电机模块是通过电机联合大弹簧组合成电机出货模块，把商品放在弹簧相间的缝隙中在通过电机转动来带动弹簧旋转把商品就行出货。其自动售货机系统原理概图为图2所示。STC89C51STC89C51独立按键模块商品出货灯模块LED商品LCD1062显示模块电机模块单片机硬币投入模块图2.自动售货机系统原理图2.2自动售货机的软件设计思路自动售货机的使用具有完整逻辑性的，要想设计出自动售货机控制系统，首先要预设其工作流程，能达到自己预期的自动售货目的。一个好的设计思想，是设计成功的开始，该设计的工作流程图如图3所示。启动系统，系统开始待机，进入初始界面；通过‘选择+’‘数量+’‘OK’‘NO’按键来选择选择商品的种类以及数量并确认是否购买；若确认购买，自动售货机系统计算商品总价并通过液晶显示屏显示，然后提示顾客投币，若不购买则返回初始界面；顾客通过投币器投入货币，投币器检测硬币真假并核算金额是否足够；若金额满足要求，投币器CPU传递信号给自动售货机系统，自动售货机系统接收到后，根据书写的程序运行。此时电机带动弹簧一起转动进行出货行为，与此同时出货灯亮来提醒顾客正在出货。顾客取出商品，完成售货过程，系统自动复位返回初始界面；初始化状态初始化状态选择与确认商品种类与数量系统计算货物金额投入足够硬币系统接受信号，电机转动出货取出货物图3.使用自动售货机流程图3自动售货机硬件设计本次设计主要硬件有单片机STC89C51，独立按键，LCD1602液晶显示屏，12V直流电机，LED灯，5V继电器，上拉电阻，电容，投币器，弹簧，普通电阻和12V直流电源，具体元件型号及数量如表1所示。主要分为以下几个部分：STC89C51单片机模块、按键模块、LCD1602显示模块、电机出货模块、LED灯光模块和投币器模块。表1元件表名称型号数量面包板9*15cm1电容30pf*2+1uf3液晶LCD16021电阻100-2k6按键SW-PB7电源开关sw1直流电机DC12V4电机驱动芯片ULN20034单片机STC89C521晶振12M1电源直流12V1LED灯2W5继电器直流5V4投币器GD-0071弹簧45CM43.1STC89C51单片机模块本次设计选用的单片机的STC89C51。这种单片机具有4k字节Flash，32位I/O口线，高性能CMOS8位微控制器与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，三个16位定时器/计数器[9]。本次设计之所以选择STC89C51单片机是因为它是一种低功耗，速度高，性能稳定，书本资料多能方便查阅，价格便宜能方便购买，与自己熟悉的AT89C51单片机功能相似，性能、IO、flash在本次设计中已经够用，拥有8位CPU和在系统可编程Flash使得STC89C51能满足自己的设计要求，不必在找其他更复杂的单片机。单片机作为本次设计中的基石的存在，其各个接口都有非常重要的作用，XTAL1，XTAL2接口分别与晶振电路，复位电路连接为系统提供稳定时钟信号。P1.0口到P1.6口连接独立按键接口。为按键模块行使商品数量选择功能提供保障。P0.0口到P0.3口接LED商品模块。保证顾客能正确识别商品种类，为顾客提供方便。P2.0口到P2.7口，P3.2口到P3.4口接LCD1602液晶显示模块。保证顾客能看见商品种类与数量，为顾客购买提供指示。P3.1口,P3.5口,P3.6口,P3.7口接电机模块。电机模块是自动售货机最重要的模块，它直接关系到出货。这是自动售货机功能实行的最后一步，也是最为关键的一步。若出货失败则代表着设计的失败，没有达到预期自动售货的功能。P1.7口与出货灯相连，提醒顾客商品正在出货，请等待。与各个模块准确连接，保证其各模块的功能实现是作为CPU的单片机最重要之处。其引脚图如下图4所示。图4.单片机STC89C51的引脚图3.2按键模块本次设计选择独立按键作为按键模块主体。与矩形按键相比其优点为使用简单，编程简单，可以直接读取编程内容，检察占用时间相比较少，不受其外因素影响。本次设计中的按键模块主要由6个独立按键组成并且与单片机P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.5，P1.6接口相连接。其对应作用分别为“商品数量加一”“商品数量减一”“购买数量加一”“购买数量减一”“取消购买NO”“确认购买OK”能让顾客可以通过这几个功能按键任意购买某种商品和数量。其仿真图如图5所示（图中“投入1元”实际代表投币机，按一次相当于投入一元，在仿真中为更确切的体现其功能特性，顺将其加入按键）。图5.按键模块仿真图3.3LCD1602显示模板本次设计选用LCD1602液晶显示屏。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块且在其显示屏内最多可以显示两行，每行最多16个字符的液晶模块即为16X2[10]。且每一行都有其对应的的地址符，其第一行的地址符从0x80开始，其第二行地址符依次从0xC0依次开始。本次选中它作为显示模块是因为其微功耗体积小、价格便宜方便购买，显示内容丰富、超薄轻巧，在本次设计中能实现自己的要求[11]。在设计中它与单片机的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，P2.4，P2.5，P2.6，P2.7，P3.0，P3.1，P3.2口相连接，它的作用是能让顾客直接观察商品的价格与数量实时显示购物动态，方便顾客的同时还能让顾客体验整个购物过程，其仿真图如图6所示。在制作实物的时候，LCD1602往往会搭配上拉电阻来提高信号传输稳定性。图6.液晶显示屏LCD1602在本次设计中的仿真图3.4电机模块电机模块由直流电机，继电器，弹簧，12V直流电源组成。其结构图如图7所示。其中继电器作用为控制电机开关，电机加弹簧组成出货装置，进行出货。直流电机选用的是4个12V直流电机。优点为相对于交流比较节能环保，起动和调速性能好，价格便宜便于购买，过载能力较强，受电磁干扰影响小[12-13]。在系统中分别与单片机P3.5，P3.6，P3.7，P3.1口连接，P3.5口对应的是一元商品电机，P3.6对应的是两元商品电机，P3.7对应的是三元商品电机，P3.1口连接对应的是四元商品电机。通过商品对应电机转动来完成出货。12V直流电源12V直流电源电机模块弹簧直流电机继电器图7.电机模块结构图电机模块是整个设计极其重要的一环，它关乎设计最后一步出货。若出货失败没有达到预其目的，则代表设计失败。其工作流程为确定购买某一商品，投币达到要求后，投币器控制单元发送信号给CPU，CPU按照写定程序运作，商品对应电机转动，电机同步带动弹簧一起转动，而货物在弹簧两缝隙之间，由此顺利出货，完成设计目的。在制作实物时为保护电机需要在电机前加电阻进行保护，和PNP三极管放大电路，对电路电流放大以便继电器大电流控制电机。3.5LED模块在本次设计中共用了5个LED灯，其优点为工作寿命长，耗电低，响应时间快，体积小、重量轻、价格低。把其中四个作为商品模块，一个灯分别代表一件商品，其仿真图如图8所示。其中D1LED代表一元商品，D2LED代表两元商品，D3LE代表三元商品，D4LED代表四元商品。它与单片机P0口连接，选择1元商品用P0.0控制D1LED灯亮；选择2元商品用P0.1控制D2LED灯亮；选择3元商品用P0.2控制D3LED灯亮；选择4元商品用P0.3控制D4LED灯亮。通过LED灯的亮与灭来提醒顾客的选择商品位置。图8.商品模块仿真图而第五个LED灯作为商品出货灯使用，与单片机P3.1口连接，提醒顾客商品正在出货，需等待片刻，马上出货。但在实际电路连接中为保护出货灯，需在前面加一个电阻，其仿真图如图9所示。图9.出货灯仿真图3.6投币器本次投币端口选用12V直流电源投币器，它一种能有效检测到硬币表面结构中所蕴含的磁铁量数的正负偏差多少，从而能够达到快速区分和识别出真假电子硬币目的的一款高精度电子硬币测量的专用测试仪器。具有产品结构设计简单，成本低，安全性高，抗破坏和干扰等特点。其主要功能包括四个部分:一是用于产生高频方波的振荡电路，二是用于控制真假币流向的电磁闸门，三是用于检测硬币投入过程的各个位置的光电传感器，最后就是控制所有检测和控制的电路的集中控制单元[14]。通过四者配合来完成检测真假币，是否堵塞造成硬币不能正常投入和通过电磁闸门来控制硬币的流入方向。来完成投币器在应该发挥的功能。本次所使用的投币器型号外表如图10所示。图10.投币器正面图其工作原理为：当投入硬币后，当硬币经过样币时，比较线圈感应出比较电压，送入到运放4558运放电路进行比较放大，当所投之币和样币一样大时，4558运放电路产生一个控制信号，送到CPU。CPU根据书写的程序运作达到目的[15]。4自动售货机软件设计自动售货机软件设计主要靠Protues7.8仿真和keil4专业编程软件进行编程，来实现各板块的功能。硬件软件相互配合共同完成功能，缺一不可。4.1按键模块程序设定为满足按键模块具有选择商品种类数量和确认与否购买商品的功能，必须用专业编程软件keil4对每个按键赋予相应的数值以达成功能与按键相对应，其赋值如下：按键‘选择+’按钮与单片机P1.0口相连，且其按键设定值为0Xfe；按键‘选择-’按钮与单片机P1.1口相连，且其按键设定值为0Xfd；按键‘数量+’按钮与单片机P1.2口相连，且其按键设定值为0Xfb；按键‘数量-’按钮与单片机P1.3口相连，且其按键设定值为0Xf7；按键‘NO’按钮与单片机P1.5口相连，且其按键设定值为0Xdf；按键‘OK’按钮与单片机P1.6口相连，且其按键设定值为0Xbf；为让程序更简便，设定一个中间变量e，将按键值赋予为e，在对e进行赋值来行使其作用。其部分程序如下所示if(P1!=0xff){key=P1;switch(key){case0xfe:e=0x00;break;case0xfd:e=0x01;break;case0xfb:e=0x02;break;case0xf7:e=0x03;break;case0xdf:e=0x0e;break;case0xbf:e=0x0f;break;}为保证按键功能能正常行使需对其各功能进行程序设定，按键‘选择+’与按键‘选择-’程序编写相似，本次就以‘选择+’为例其程序设置如下所示，没次按一次‘选择+’按键进行一次选择，从一号商品跳到二号商品，本次设计共四个商品，若跳到第四号商品后在按一次‘选择+’按键则直接在此跳为1号商品做出选择依次循环。case(0x00):water_type++;water_is_choose=1;if(water_type==4){ater_type=0;}P0=water_change(0xff,water_type);break; 按键‘数量+’按键‘数量-’程序编写相似以按键‘数量+’为例程序编写如下所示。case(0x02):if(water_is_choose==1){water_count++;if(water_count>water_total[water_type]){water_count=water_total[water_type]; }}break;按键‘NO’键设置程序如下所示，按一次‘NO’键直接返回初始界面case(0x0e): gotoagain;break;按键‘OK’键设置程序如下，表示对选择的确认。case(0x0f):if(water_is_choose==1){ ok=1;} break;按键所用的开关为机械弹性开关，当任何一个机械触点突然断开、闭合时，由于机械触点自身特有的弹性作用，按键开关在闭合时不会马上稳定接通，在断开时也不会一下子彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动[16]。因此为达到更好效果，必须进行消抖处理。本设计所采用的方法为程序消抖，程序如为：while(P1==0xff);delay1(10);return1；4.2LCD1602液晶模块的程序设定因LCD1602硬件的特殊性，要开启其对应功能，需按照其对应指令码书写，才能实现其功能，其指令码如下：指令1：清除显示，指令码为00000001；指令2：光标归位，指令码0000001*（*可为0或1）；指令3：限制开关，指令码00001DCB（D=1显示开，C=1开光标，C=0关光标，B=1光标闪，B=0光标不闪）一般设置为0x0f；指令4：功能设置。指令码001dlnf**（dl=1，N=1显示两行，N=0显示一行，F=0）。一般设置为0x38；指令5：输入方式设置。000001I/DS(I/D=1S=1画面平移，S=0画面不动)。一般设置为0x06；即可书写LCD1602程序设定部分如下所示。voidwritecom(unsignedcharm){RS=0;RW=0;E=0;delay();P1=m;E=1;delay();E=0;RS=1;}voidwritedat(unsignedcharn){RS=1;RW=0;E=0;delay();P1=n;E=1;delay();E=0;RS=0;}voidinit(){writecom(0x38);writecom(0x0c);writecom(0x06);writecom(0x02);writecom(0x01);}4.3出货系统与投币系统设定本次设计中商品的自动出货系统是依靠电机的转速与转动时间来完成。因此电机转动的时间长短，速度快慢是商品能否顺利出货的关键因素。在本次设计中利用delay1(10000);P0=0xff;延时程序来对电机转动时间进行控制，从而完成商品出货功能。本次设计中的投币系统与出货系统相关联。若投币数量等于对应商品价格。则出货系统中对应电机转动完成自动出货。即在此条件下设置投入的硬币数量要等于商品的价格自动出货且投入硬币数必须大于零，投币系统书写为：if(money>0){if(money>=need_money){switch(water_type){case0:M1=0;break;case1:M2=0;break;case2:M3=0;break;case3:M4=0;break;}}}5测试与结论5.1实物测试制作完实物后，需进行测试，实验看是否能完成自动售货。即测试步骤为：把正确无误程序通过普中自动下载软件APP导入单片机内。2.对投币器，与自动售货机系统进行通电。3.通电后此时自动售货机系统显示模块初始化状态如图6所示，满足设计要求。4.通过按键模块，用选择+按键随机选择某一商品，本次测试就以以3元商品为例。选择到3元商品时，其对应LED明亮，满足要求，通过按键模块中的数量+确认商品数量，本次测试选择数量为一，然后再通过ok键确认购买进入投币阶段，相对应此时显示模块同步显示商品价格为三元与数量为一件如图11所示，需投入三元才能购买，满足要求。图11.购买三元商品，显示屏显示对投币器进行投三次一元硬币，3元商品对应三号电机立即转动，电机带动弹簧装置能顺利出货满足要求。出货后，能够自动返回系统初始化阶段如图5所示满足要求。为避免误差，对一元，两元，四元商品重复步骤三，按商品+按键选择商品，对应LED灯亮满足要求。在通过数量+和OK键确认商品数量和购买还是选择一件商品。进入下一阶段投币阶段。在投币器投入相应硬币，对应电机能转动能顺利出货。满足要求。能够返回初始化阶段如图5所示，满足要求。通过多次测试实验，发现本次设计的自动售货机，能够满足用按键随机选择商品，通过投币能够满足顺利出货，满足自动售货机系统的初始化待机、等待顾客选择货物并确认、投币购买货物、自动出货功能、最后自动跳转到初始化待机界面功能。5.2结论通过单片机STC89C51作为中央处理原件在Protues7.8中连接输入模块6个独立按键、输出模块LCD1602液晶显示，LED和电机来进行系统调试仿真。再利用keil4专业编程软件来实现程序的编译和调试，最终得到能实现设计要求功能的结果，然后根据各个模块原理应用，整合制作出实物。本次设计实现了所有自动售货功能，包括系统的初始化待机、顾客通过独立按键选择商品数量和种类并确认、投入对应货币购买商品、自动出货功能、购买完成后自动跳转到初始化待机界面等待下一次购物。通过6个独立按键来实现顾客选择自己想要的的商品、然后在通过LED灯的亮与灭表示在购物过程中提醒自己所选择的商品位置及对应的商品、以及作为出货灯进行出