多功能茶葉自動售賣機的設計＊

焦 超 周露琴 陳德坤 單 運 羅森艷

（貴州民族大學 機械電子工程學院，貴州 貴陽 550003）

隨著時代的發展和技術的革新，自動售賣機類型日益增多，本設計在傳統售賣機基礎上新增了手機掃描二維碼了解茶葉信息的功能，可解決自動售賣銷售模式帶來的對茶葉品種與功效難以了解和抉擇的局限性，可實現多人同時查閱茶葉信息，消除了排隊等待的弊端。出貨機構在履帶式出貨裝置的基礎上增加了自動升降貨架輔助出貨，結構設計簡單，空間利用率高，避免了茶葉從高處掉落對茶葉品質和包裝帶來的損傷。

一、總體方案設計

本設計主要由電源模塊、STM32最小系統板、按鍵模塊、網絡信息查詢模塊、支付模塊、出貨機構、溫濕度監測模塊和報警模塊組成。

1．STM32最小系統板

本設計采用的控制器是STM32，計算速度快，性能穩定，具有8個16位定時器，兩個電機控制定時器，可以更好地控制多個電機，保證出貨的順利進行。

2．網絡信息查詢模塊設計

該模塊實現的功能是消費者可以通過手機掃描茶葉對應的二維碼查詢茶葉的詳細信息，如茶葉的產地、生長情況、功效等；網頁與下位機通信獲取下位機庫存信息，方便售賣機維護人員通過網頁查詢茶葉的銷量和庫存。網頁總體框架如圖1所示。

圖1 網頁總體框架

茶葉信息網頁需要進行茶葉信息采集并獲取下位機庫存并生成二維碼，方便顧客進行掃描查詢信息。

3．支付模塊設計

支付模塊有投幣支付和二維碼支付兩種支付方式，投幣支付流程見圖2。二維碼支付是調用微信和支付寶平臺完成訂單的創建，然后支付服務器將支付結果反饋給本設備。

圖2 投幣支付流程

壓力檢測模塊通過對1元硬幣、5角硬幣和1角硬幣的重量檢測實現硬幣的識別。TCS230顏色檢測模塊主要完成紙幣的面值識別，通過TCS230模塊識別紙幣的顏色，根據組成顏色的三原色不同從而分辨不同顏色（面值）的紙幣。紅外檢測模塊由紅外發射管和紅外接收管組成，該模塊實現紙幣的真偽鑒別。

4．出貨機構設計

出貨機構主要包括紅外檢測傳感器、測距傳感器、履帶貨道和自動升降貨架。

出貨機構采用的傳感器有兩種。一是紅外光電對射管，用來檢測貨物是否從貨道落入自動升降貨架和是否進入取貨窗口，并通過紅外光電對射管檢測到信號的次數進行貨物儲量與銷量的數據采集。二是GY-53 VL53L0X激光測距傳感器，用來檢測自動升降貨架實時高度，實現自動升降貨架準確停在某一高度的功能。通過L298N電機驅動芯片對貨道電機和自動升降貨架電機進行正反轉、停止的驅動。

5．溫濕度模塊設計

該模塊設計如圖3，通過溫濕度檢測傳感器檢測售賣機內部環境的溫度和濕度。如果溫度或濕度偏離預設值（茶葉儲存所需的溫度和濕度），STM32最小系統板便會控制制冷器或除濕器工作，使內部環境的溫濕度穩定在預設值。

圖3 溫濕度檢測模塊框圖

6．報警模塊設計

報警模塊主要由壓力傳感器和蜂鳴器組成，當箱體受到外力破壞時，壓力傳感器檢測到的壓力大于設定值，便會發送信號給控制器，控制器控制蜂鳴器報警。

二、硬件設計

1．機械結構設計

利用CATLA三維軟件對裝置主體機構建模設計，設計內容包括裝置的外觀和出貨機構。如圖4所示。

圖4 多功能茶葉自動售賣機外觀

2．電源模塊設計

本設計采用了一塊電壓轉換模塊和一個DC12V的電源適配器將220V的交流電轉換成12V和5V的直流電，12V的直流電用于電機驅動的電源，5V的直流電用于主控芯片、紅外光電管以及測距模塊的供電。

3．按鍵設計

按鍵模塊是一個3X4的矩陣，消費者通過按鍵模塊對茶葉種類進行選擇，按鍵模塊將選擇結果通過高電平的形式發送給控制器。

4．電機驅動設計

選用L298N為電機驅動模塊，該模塊主要用來驅動本設計的6個電機。驅動芯片是L298N雙H橋直流步進電機驅動芯片，可驅動2路直流電機，使能端ENA、ENB為高電平時有效，當使能信號為0時，電機處于自由停止狀態；當使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀態，阻止電機轉動。該模塊使用大容量濾波電容，續流保護二極管，提高了該模塊的可靠性。

5．測距模塊設計

本設計用的測距模塊是GY-53 VL53L0X激光測距傳感器，該模塊通過紅外LED光發射出去到反射回來的飛行時間來計算距離，最后直接輸出距離。GY-53 VL53L0X激光測距傳感器的體積較小，測量距離長達2m，每秒可以測量50次，并且測量的速度和精度又快又高。本設計對于測距模塊與主芯片之間的通訊方式采用的是串口通信。

三、軟件設計

1．網絡信息查詢模塊的軟件設計

該模塊基于Flask框架，通過Python編程語言設計網頁，首先搭建Flask網頁框架，建立前端HTML，在前端函數中錄入茶葉基本信息，Flask框架與前端HTML交互，完成茶葉信息網頁的建立。

在茶葉庫存數據模塊，需要網頁獲取下位機庫存信息并顯示在茶葉庫存頁面。在該設計中，下位機與網頁通信主要通過STM32串口傳輸將庫存數據發送到ESP8266，ESP8266設置AP模式，令其成為服務器，利用TCP客戶端將服務器中的數據接收并連接數據庫將數據寫入，然后通過Python中調用函數讀取數據庫中的數據并顯示到HTML網頁上。

2．出貨機構的軟件設計

該部分的軟件設計主要通過C編程語言，嵌入式開發等相關知識以及keil5開發環境進行編程。如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

其中貨架電機指自動升降貨架的電機，貨道高度指所選茶葉儲存貨道的高度，高度0指取貨窗口的高度，即自動升降貨架的初始高度，履帶電機指自動升降貨架中傳送履帶的電機。

結語

本設計采用自動升降貨架輔助出貨和增加掃描二維碼查詢茶葉信息的功能。該設計在出貨機構的設計上更加智能化，也給消費者提供了更好的人機交互體驗感，對于自動售賣機行業具有重要的研究意義。