基于EDA的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)

新疆石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院 宋雨桐 瞿 誼 佘賽波

引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，商業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，自動(dòng)售貨作為商業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的典型應(yīng)用，給大眾生活帶來(lái)的巨大的便利，同時(shí)給商家節(jié)省了銷售成本。在中國(guó)，自動(dòng)售貨機(jī)將成為一個(gè)潛在的巨大產(chǎn)業(yè)，繼百貨商店、超市之后掀起第三次零售業(yè)革命，其前景非常廣闊[1-3]。

自動(dòng)售貨機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠其內(nèi)部控制系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的控制主要有PLC控制程序、CPLD芯片控制、VHDL語(yǔ)言控制等。文獻(xiàn)[4]采用可編程序控制器(PLC)控制自動(dòng)售貨機(jī)，文獻(xiàn)[5]采用單片CPLD芯片使自動(dòng)售貨機(jī)實(shí)現(xiàn)其基本功能，文獻(xiàn)[6]通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)售貨功能。文獻(xiàn)[4-6]都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)售貨的功能，但所需的專業(yè)編程知識(shí)較多，對(duì)電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)具有一定入門(mén)條件。現(xiàn)代自動(dòng)售貨機(jī)的內(nèi)部控制系統(tǒng)大多采用VHDL描述語(yǔ)言，用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)描述，通電復(fù)位后系統(tǒng)自動(dòng)初始化，根據(jù)外界輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成投幣狀態(tài)、銷售狀態(tài)、顯示狀態(tài)、找零狀態(tài)[7]。

基于QuartusII模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)邏輯電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能，簡(jiǎn)化了自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)難度，利用程序的編寫(xiě)，完成控制電路的設(shè)計(jì)。各電路模塊互不干擾、具有良好的兼容性，且使得電路模塊具有一定的可移植性。

1.性能指標(biāo)及功能設(shè)計(jì)

1）商品選擇電路

商品選擇電路是一個(gè)雙選擇5-8組合優(yōu)先編碼器，即選擇商品的種類A，B，再選擇對(duì)應(yīng)種類下的商品，相當(dāng)于輸入對(duì)應(yīng)的BCD碼，會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的輸出rst_n，再將rst_n接到分線器的reset_n，即完成了商品選擇過(guò)程。

2）投幣找零電路

投幣找零電路是由多個(gè)狀態(tài)機(jī)組成，在選擇不同的商品，列出其選擇商品可能性，對(duì)應(yīng)不同的投幣找零電路所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)，

3）計(jì)數(shù)電路

根據(jù)不同的投幣找零電路的狀態(tài)機(jī)，對(duì)應(yīng)不同的計(jì)數(shù)電路的狀態(tài)機(jī)，根據(jù)其所投幣的多少，不同價(jià)位對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值找零。

2.各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 商品選擇電路

1）商品選擇電路基本工作原理

實(shí)現(xiàn)自主選擇功能，當(dāng)顧客按下想要買(mǎi)的商品對(duì)應(yīng)的按鈕時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)編號(hào)的輸入，從而通過(guò)商品選擇電路得到對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)，這些輸出將會(huì)傳遞給后面的投幣與找零電路即狀態(tài)機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)商品的選擇。本自動(dòng)售貨機(jī)提供以下商品：

商品 方便面 小熊餅干 奧利奧 德芙 冰紅茶 脈動(dòng) 紅牛 咖啡價(jià)格 2 4 6 8 3 4 5 6編號(hào)（AB） 10001 10010 10011 10100 00001 00010 00011 00100

給定輸入變量AB以表示不同商品，A=1代表選擇零食，A=0代表選擇飲料，B則是不同商品對(duì)應(yīng)的特定編號(hào)。由于后面希望不同商品即不同價(jià)位應(yīng)對(duì)于不同的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的找零，而狀態(tài)機(jī)是否功能取決于復(fù)位信號(hào)是否有效，所以當(dāng)顧客選擇物品后，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)能使對(duì)應(yīng)價(jià)位的狀態(tài)機(jī)的復(fù)位信號(hào)為1即無(wú)效，實(shí)現(xiàn)選擇物品后能自動(dòng)對(duì)應(yīng)找零的效果。

2）時(shí)序仿真

圖2.1 商品選擇模塊的仿真波形

2.2 投幣與找零電路

1）投幣與找零電路基本工作原理

投幣信號(hào)作為輸入信號(hào)，由售貨機(jī)的投幣口的傳感器提供，故本設(shè)計(jì)中只將其抽象為兩位二進(jìn)制數(shù)。售貨機(jī)默認(rèn)只收5元和10元紙幣。售貨機(jī)內(nèi)的錢(qián)數(shù)只有0元、5元和10元三種狀態(tài)。在這三種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的動(dòng)作即是對(duì)投幣、出貨與找零的任務(wù)的執(zhí)行。

圖2.2 小于五元、等于五元、大于五元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

驅(qū)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)是clk時(shí)鐘信號(hào)，確保狀態(tài)機(jī)能隨時(shí)間的推移而自動(dòng)運(yùn)行，還有一個(gè)是現(xiàn)態(tài)c_st，現(xiàn)態(tài)c_st的改變也將作為啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)工作的條件之一。輸入信號(hào)兩位，第一位代表是否輸入了紙幣10元，第二位代表是否輸入了紙幣5元，輸入信號(hào)決定了狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向。每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)三位二進(jìn)制的輸出，分別代表出貨信號(hào)、找5元信號(hào)和找1元信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能（圖2.2）。

2）部分時(shí)序仿真

圖2.3 三元商品狀態(tài)機(jī)仿真波形圖

2.3 計(jì)數(shù)電路

1）計(jì)數(shù)電路基本工作原理

計(jì)數(shù)電路的基本工作原理就是當(dāng)達(dá)到CLK的上升沿時(shí)候，并且此時(shí)EN端為高電平時(shí)，此時(shí)計(jì)數(shù)電路工作，當(dāng)達(dá)到下一個(gè)CLK的上升沿的時(shí)候，判斷EN是否為有限信號(hào)，有則計(jì)數(shù)，否則不工作。根據(jù)投幣找零電路來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)的多少。

計(jì)數(shù)電路中的狀態(tài)機(jī)程序編寫(xiě)是通過(guò)找零1元和5元的個(gè)數(shù)，分別編寫(xiě)其對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的找零，即找零幾個(gè)1元就從幾倒計(jì)時(shí)到0，即找零倒數(shù)到0，如果需要找零4元，其計(jì)數(shù)電路救贖從4開(kāi)始倒數(shù)到0，倒數(shù)結(jié)束即找零結(jié)束。 利用if-else語(yǔ)句對(duì)一元的出幣數(shù)進(jìn)行判斷，針對(duì)不同的狀態(tài)機(jī)和輸入，進(jìn)行不同數(shù)量的計(jì)數(shù)。

2）部分時(shí)序仿真

圖2.4 找四個(gè)一元的計(jì)數(shù)電路仿真波形圖

2.4 分頻電路

將20MHZ高頻電路分頻成1HZ的頻率，使其便于板級(jí)驗(yàn)證。利用if-else語(yǔ)句對(duì)高頻的clk進(jìn)行降頻，分成不同頻率的clk模塊，此模塊無(wú)仿真，綜合代碼見(jiàn)附錄4.1

3.總設(shè)計(jì)

3.1 總設(shè)計(jì)圖

各個(gè)模塊的連接狀態(tài)，首先是商品選擇電路連接的輸出連接到一個(gè)8線分線器，將對(duì)應(yīng)8線分線器輸出分別對(duì)應(yīng)接到相應(yīng)的rst_n,將clk連接到分頻模塊，接到每個(gè)狀態(tài)機(jī)的en，將投幣找零電路的輸出com_output分別接到3線分線器的輸入，再將對(duì)應(yīng)的3線分線器的輸出out1接或門(mén)接到輸出管腳，將對(duì)應(yīng)的out2輸出接到或門(mén)接到輸出管腳，將每個(gè)out3輸出管腳接到分別接到計(jì)數(shù)電路的en，再將clk輸入到接到板上自帶的clk信號(hào)，輸出在分配到對(duì)應(yīng)的管腳。

3.2 仿真驗(yàn)證

以投10元買(mǎi)8元商品為例，簡(jiǎn)要介紹對(duì)售貨機(jī)原理的仿真過(guò)程和驗(yàn)證結(jié)果。

首先，設(shè)置clk的頻率為50HZ，每隔0.02s自動(dòng)翻轉(zhuǎn)一次信號(hào)的高低電平。接著，給定狀態(tài)機(jī)的輸入信號(hào)的變化規(guī)律。其中，輸入信號(hào)A和B組合起來(lái)共同決定選擇的貨物的價(jià)格，輸入信號(hào)input設(shè)置投入錢(qián)數(shù)。這里A取低電平，B取1，表示選定的是價(jià)格為8元的商品，投錢(qián)信號(hào)在前10個(gè)clk周期內(nèi)先清零，后給一個(gè)數(shù)值為10的信號(hào)，代表投入10元。

接下來(lái)，運(yùn)行狀態(tài)機(jī)仿真，根據(jù)之前的各模塊的內(nèi)部連接圖，可知在input信號(hào)為0時(shí)，所以輸出模塊保持最初的零狀態(tài)。但當(dāng)input信號(hào)變?yōu)?0時(shí)，在接下來(lái)的第一個(gè)clk到來(lái)后，商品選擇電路將會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的rsn信號(hào)，以推動(dòng)其后模塊執(zhí)行售貨機(jī)的下一流程。這里，只有rsn4輸出低電平，激活其后的fsm8狀態(tài)機(jī)，該模塊立即根據(jù)輸入input的10，將狀態(tài)從0狀態(tài)變?yōu)?0狀態(tài)，并使輸出出貨信號(hào)OUT持續(xù)一段高電平，控制找五元的輸出信號(hào)OUT3繼續(xù)為0，以及使找一元的輸出信號(hào)置一。它會(huì)繼續(xù)激活后續(xù)的change2模塊，用以實(shí)現(xiàn)找出2元零錢(qián)的功能。

在找一元的輸出信號(hào)置一后的第一個(gè)clk上升沿到來(lái)后，啟動(dòng)change2的狀態(tài)機(jī)，使?fàn)顟B(tài)機(jī)的狀態(tài)從2逐漸減一到0后保持0不在變化，這樣模擬了實(shí)際的找零時(shí)一元一元找零時(shí)的計(jì)數(shù)倒數(shù)過(guò)程。通過(guò)以上的仿真過(guò)程分析以及仿真結(jié)果的波形圖可以看出，售貨機(jī)的狀態(tài)流程圖基本得以實(shí)現(xiàn)。

圖2.5 投10元買(mǎi)8元商品

4.總結(jié)與展望

本文利用EDA實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)售貨機(jī)的內(nèi)部設(shè)計(jì)，針對(duì)它的各個(gè)功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析和程序設(shè)計(jì)，最后封裝并進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了它的有效性。將這種簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)應(yīng)用于自動(dòng)售貨機(jī)內(nèi)，可以為人們帶來(lái)生活的便捷并提高銷售的速度并帶來(lái)一定的社會(huì)價(jià)值。在本文中用EDA實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)售貨機(jī)可以結(jié)合人臉識(shí)別功能、虹膜識(shí)別功能和語(yǔ)言識(shí)別功能，使其更加智能化，能夠更加適應(yīng)于現(xiàn)代化生活。

[1]王穎,陳小嬌,柳雨婷,米思雨.基于FPGA的自動(dòng)售貨機(jī)控制電路設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料,2017,18(08):86-87.

[2]俞寧,梅杰,陳智.基于人因工程學(xué)的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2017,31(03):43-51.

[3]邵元浩.散裝飲料自動(dòng)售貨機(jī)關(guān)鍵部分的分析與研究[D].青島科技大學(xué),2016.

[4]陳齊平,張文俊,王鋼林,李鶴賢,闞清享.基于Multisim的簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,32(06):88-92.

[5]徐龍飛,李永紅,程秀芹,岳掌寬.自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2014(02):120.

[6]林若波,廖興展,方宋杰.基于PLC控制的自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,27(01):20-23.

[7]余世明,晁岳磊,繆仁將.自動(dòng)售貨機(jī)研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)工程科學(xué),2008,10(07):51-56.