基于Multisim的簡易自動售貨機控制系統設計與仿真

陳齊平，張文俊，王鋼林，李鶴賢，闞清享

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌330013）

基于Multisim的簡易自動售貨機控制系統設計與仿真

陳齊平，張文俊，王鋼林，李鶴賢，闞清享

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌330013）

為了提高簡易自動售貨的便捷性和可靠性，設計開發出一套簡易自動售貨機控制系統。根據數字集成電路和模擬集成電路的特點，采用模塊化設計思路，設計了模擬投幣模塊、顯示模塊、模擬出貨和找零狀態模塊，提高了電路的可讀性和可移植性。基于Multisim平臺對其動態特性進行了分析研究，建立了電路仿真模型，并對其功能進行了仿真分析。仿真結果與實驗結果基本一致，所設計的控制系統能準確、便捷的實現簡易自動售貨機的功能。

Multisim；可移植性；模塊化；狀態

隨著科學技術發展和社會進步，商業機械的自動化得到越來越廣泛的應用，自動售貨作為商業機械自動化的典型應用，給大眾生活帶來的巨大的方便，同時給商家節省了銷售成本。在中國，自動售貨機將成為一個潛在的巨大產業，繼百貨商店、超市之后掀起第三次零售業革命，其前景非常廣闊[1-3]。

自動售貨機功能的實現主要依靠其內部控制系統，目前國內外對自動售貨機的控制主要有PLC控制程序、CPLD芯片控制、VHDL語言控制等。文獻[4]采用可編程序控制器（PLC）控制自動售貨機，文獻[5]采用單片CPLD芯片使自動售貨機實現其基本功能，文獻[6]通過單片機實現了自動售貨功能。文獻[4-6]都實現了自動售貨的功能，但所需的專業編程知識較多，對電子愛好者來說具有一定入門條件。現代自動售貨機的內部控制系統大多采用VHDL描述語言，用有限狀態機進行系統狀態描述，通電復位后系統自動初始化，根據外界輸入的信號轉換成投幣狀態、銷售狀態、找零狀態[7]。

基于Multisim模塊化設計，通過邏輯電路實現自動售貨機的基本功能，簡化自動售貨機的設計難度，利用74系列數字電路芯片，功能完成基本控制電路的設計。各電路模塊具有一定的相對獨立性、互換性及通用性，方便組裝及問題的排查，且使得電路模塊具有一定的可移植性。

1 設計原理及功能實現

根據實際實際情況假定所售商品為2.0元，且只有0.5元及1.0元2種貨幣情況，共有5種投幣情況，如表1所示。

通過簡化模型實現自動售貨機的基本功能，能夠更方便的實現電路的連接及其原理的理解。通過計數器和加法器累計所投金額，根據自動售貨機的基本功能設計出原理框圖，如圖1所示。

按鈕開和關2種狀態分別表示1和0，產生的信號由計數器與加法器累加，相應模塊接收到信號后，相應的顯示模塊顯示投入金額的總數，且有余額不足提示或出貨找零提示。通過延時清零模塊自動清除機器的投幣金額記錄，方便下一次的購買，同時能夠使購買者有足夠的反應時間來了解自己的購買情況。

2 主電路的設計

2.1 防抖動開關

防抖動開關是由兩個或非門交叉耦合構成的基本R-S觸發器（復位-置位觸發器），高電平觸發，如圖2所示。利用這種鎖存器具有的記憶功能消除抖動信號[8]，使得電路在運行過程中能夠保持相對較為平穩的狀態。

表1 投幣情況Tab.1 Representation of inserting coins

圖1 原理框圖Fig.1 Block diagram of principle

圖2 防抖開關原理圖Fig.2 Schematic diagram of shake-proof switch

2.2 貨幣輸入電路

利用防抖動開關產生的高低電平，模擬0.5元及1.0元貨幣的輸入，將0變化成1的上升沿信號輸入到74LS161芯片的CLK端，上升沿脈沖使其計數。0.5元及1.0元貨幣的輸入經74LS161芯片處理后，將信號統一傳送到74LS283芯片中，得出投入的金額總數。設計貨幣模擬輸出電路，如圖3所示。查閱文獻[9]知，74LS161要執行計數功能，ET，EP，～LOAD端接高電平，～CLR端也接高電平，實現低電平清零的功能。

圖3 貨幣輸入電路Fig.3 Coins input circuit

2.3 出貨、找零、金額不足提示電路

當投幣金額達到2.0元時，74LS283N的輸出端SUM_4～SUM_1的電平用二進制表示為0100，此時SUM_3高電平，蜂鳴器BUZZER LS3發出響聲，且LED5發光，提示購買者完成交易，請取貨；當投幣金額達到2.5元時，74LS283N的輸出端SUM_4～SUM_1的電平用二進制表示為0101，此時SUM_1和SUM_3高電平，蜂鳴器BUZZER LS3和LS4同時發出響聲，且LED4和LED5同時發光，提示購買者完成交易，請取貨，并且通過LS4和LED4提示購買者別忘了將找零取走。出貨、找零電路連線圖，如圖4所示。查閱文獻[10]，得出74LS283N的輸出端SUM_1～SUM_4的電平情況，0表示低電平，1表示高電平，如表2所示。

表2 74LS283N輸出端SUM_1～SUM_4電平情況Tab.2 Electrical level situation of SUM_1～SUM_4 of 74LS283N output port

圖4 出貨、找零電路Fig.4 Circuit of delivering goods and giving change

2.4 延時電路

完成交易后，通過延時電路自動清零，方便下一次交易，延時電路原理圖如圖5所示。借助單穩態555延時器，延時清零，在交易成功之后延時幾秒，OUT端輸出高電平，通過反相器，轉換成低電平，輸入到圖3所示的74LS161N（U3和U5）的～CLR端，使其清零，機器重新開始計數[11-12]。

貨幣輸入電路中74LS283N引腳SUM_3經并聯的非門和電容C3輸入到延時器TRI端，輸入總金額為2.0和2.5元時，有表2可知，此時SUN_3高電位，經反相器轉化為低電平；由文獻[9]可知TRI為出發端，當此引腳電壓降至Ucc（或由控制端決定的閾值電壓）時輸出端給出高電平；反相器U4A并聯了一個1 000 μF的電容，當電容充滿電時反相器U4A被短路，因此TRI端輸入高電平，OUT端輸出低電平，反向器處理后，計數器的～CLR輸入高電平，計數器處于計數狀態，完成延時清零工作。設計延時電路連線圖，如圖5所示。

2.5 價格顯示電路

所售商品價格顯示部分，采用固定式的價格顯示模塊，這樣顯示方便且易實現。本文假定商品售價為2.0元，因此直接用高低電位控制即可。自動售貨機所售商品一般都是固定的種類，因此這種簡單方法有一定的可行性。

投幣總額顯示用的是2個共陰極數碼管，投幣總額顯示電路，如圖6所示。U11顯示元和小數點，U12顯示角，由表2可知BCD七段譯碼器（驅動共陰）U13和U14各引腳的輸入。

圖5 延時電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of delayed circuit

3 實驗驗證

利用線路仿真軟件Multisim完成電路設計，借助其虛擬仿真功能檢驗原理的可行性，并對電路進行優化[13-14]。用面包板連出的實物圖，實現了仿真的結果，自動售貨機的基本功能都得到實現，模塊化設計使得電路連接與檢查更方便，使得各模塊有一定的可移植性。實踐證明這個設計有一定的可行性，實驗電路圖如圖7所示。

圖6 投幣總額顯示電路Fig.6 Display circuit of the total amount of coins

圖7 實驗電路圖Fig.7 Experimental circuit diagram

4 結論

設計研究簡易自動售貨機的主要功能模塊，如投幣、出貨、找零、金額不足提醒、顯示模塊等。通過模塊化設計，使得原理圖在實驗驗證時能更方便，電路檢測也有很大的便捷性，同時可見相應模塊移植到其他電路實現同樣的功能。利用74系列數字電路芯片實現了自動售貨機的基本功能，結合Multisim和邏輯電路的特點，很大程度上降低了設計的難度，有很強的推廣性。

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Control System Design and Simulation of Simple Vending Machine Based on Multisim

Chen Qiping,Zhang Wenjun,Wang Ganglin,Li Hexian,Kan Qingxiang
(School of Mechatronics Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

In order to improve the convenience and reliability of simple vending machines,this study designed and developed a control system of simple vending machine.According to the characteristics of digital integrated circuit and analog integrated circuit,by use of modular design method,it designed the simulated coins selector module,display module,simulated module of delivering goods and giving change,and improved the circuit’s readability and portability.Based on the analysis and research of its dynamic characteristics by Multisim platform,the circuit simulation model was built up and its function was analyzed.The simulation results were in conformity with experimental results,indicating that the control system can accurately and conveniently realize the function of simple vending machine with an efficient and convenient method.

Multisim;portability;modularization;condition

TM133

A

1005-0523（2015）06-0088-05

(責任編輯 姜紅貴)

2015－07-27

國家自然科學基金（51565011）；江西省自然科學基金資助項目（20151BAB206037）

陳齊平（1984—），男，講師，博士，主要研究方向為機電一體化技術，電動汽車技術，車輛CAE技術。