基于STM32的散裝食品自動售貨機設計

邵華梅，汪志成，徐麗琴，沈博韜

(東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 南昌 33000)

0 引言

隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，自動售貨機進入到人們生活中。目前，國內(nèi)自動售貨機的市場尚處于發(fā)展的初期階段，沒有達到規(guī)模化、秩序化的程度，并且銷售的商品種類有限[1-2]。目前，楊秀芝等[3]設計了一種投幣式水果自動售貨機，以電機控制傳送帶輸送水果。自新冠疫情爆發(fā)以來，人們對于“無接觸”式商業(yè)的需求急速增加。針對國內(nèi)現(xiàn)在散裝食品，如豆類、開心果等仍是傳統(tǒng)的人工購買方式，本文提出一種新型散裝食品自動售貨裝置，主要用于售賣綠豆、紅豆等豆類。

1 總體方案設計

散裝食品自動售貨機是機械與電子相結(jié)合的產(chǎn)品，微控制器(MCU)是其核心部件，通過MCU實現(xiàn)散裝食品自動售貨機的智能化、自動化控制[4]。

散裝食品自動售貨機系統(tǒng)分為3個部分：裝置機械結(jié)構(gòu)部分、控制部分和支付部分。其主要功能如下：1)人機交互界面。通過觸摸屏，顧客對自動售貨機的詳情一目了然，并可實現(xiàn)購買，整個過程簡單便捷[5]；2)精確出貨。MCU控制電機轉(zhuǎn)動，精確完成顧客所選參數(shù)；3)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)開始工作時，微控制器與稱重傳感器經(jīng)AD模塊傳輸數(shù)據(jù)，并在自動售貨機出貨過程中實時上傳數(shù)據(jù)信息；4)網(wǎng)上支付。當生成支付請求時，上位機發(fā)來二維碼信息經(jīng)過MCU傳輸?shù)狡聊伙@示，掃碼支付完之后，上位機處理支付信息，反饋給MCU并作相應處理。

2 機械結(jié)構(gòu)設計

利用Solidworks三維軟件對裝置主體機構(gòu)建模設計，設計內(nèi)容包括裝置的外觀、內(nèi)部出貨結(jié)構(gòu)以及電氣元件的布局。

考慮到豆類等散裝食品一般在超市、便利店以及農(nóng)貿(mào)市場銷售，本裝置趨于小型化設計，散裝食品自動售貨機長、寬、高各為380mm、170mm、550mm，如圖1所示。上層為散裝食品儲存區(qū)，下層為顯示與操作區(qū)和出貨區(qū)，并在左側(cè)開了散熱窗[6]。其中上層主視面設有透明的商品展示窗，方便顧客看清楚內(nèi)部商品類型與優(yōu)劣。對于紅豆、綠豆等產(chǎn)品，容量約為15kg。

圖1 散裝食品自動售貨機外觀

如圖2所示，散裝食品存放在上層的貨倉內(nèi)，當外部信號輸入即顧客通過顯示與操作區(qū)購買后，經(jīng)過MCU內(nèi)部處理輸出出貨信號給電機，電機驅(qū)動螺桿，通過螺桿的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力，使散裝食品沿固定的輸送管傳遞到出貨口[7]，稱重傳感器實時監(jiān)測出貨重量并反饋給微控制器，達到顧客輸入?yún)?shù)后，電機停止轉(zhuǎn)動，購買完成。

圖2 散裝食品自動售貨機剖視圖

本裝置核心部分是出貨機構(gòu)，如圖3所示。電機通過主動齒輪與從動齒輪帶動螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿與輸送管通過滾動軸承連接，降低螺桿運動時的摩擦力。輸送管設計成圓筒形，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)密封，出貨相對穩(wěn)定[8]。

圖3 出貨機構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

1)STM32模塊

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為MCU，是32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器，具有豐富的增強I/O端口和強大的外設資源。相比傳統(tǒng)的8位單片機，其處理速度更快，性能更高，具有PWM高級控制定時器，全調(diào)制能力，能夠高效地控制電機精準出貨。

STM32控制直流電機帶動螺桿的轉(zhuǎn)動，同時控制稱重傳感器完成信號轉(zhuǎn)換，采集貨物輸出重量以及機器內(nèi)剩余重量，并將數(shù)據(jù)分析處理后顯示在觸摸屏對應的地址上，無線通信模塊用于網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)控制模塊與支付模塊以及數(shù)據(jù)管理平臺數(shù)據(jù)互通。

2)電源模塊

電源模塊采用LM2596開關電壓調(diào)節(jié)器，它輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)。本設計中主要電源分為5個模塊供電：STM32F103微控制器、電機控制模塊、稱重模塊、液晶顯示模塊、無線通信模塊。為了滿足不同模塊的供電要求，整個系統(tǒng)的電源設計均由24V接入，經(jīng)過LM2596降壓成12V以及5V。圖4是系統(tǒng)電源原理。

圖4 系統(tǒng)電源原理

3)電機控制模塊

電機選用ZGB37RH型直流電機，它具有全金屬、大轉(zhuǎn)矩、低噪聲的特點，并以L298N驅(qū)動芯片控制。L298N內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙全式驅(qū)動器，接受標準TTL邏輯電平信號。當使能信號為0時，電機處于自由停止狀態(tài)；當使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀態(tài)，阻止電機轉(zhuǎn)動；當使能信號為1，且IN1和IN2互異時，電機處于運行狀態(tài)。控制器將物品的每次重量誤差通過PID算法調(diào)節(jié)后，進而更新TIM3中寄存器CCRx的比較值，輸出不同占空比的PWM波形來驅(qū)動電機頻率，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的變化。

4)稱重模塊

稱重模塊主要由電阻應變式壓力傳感器和HX711芯片構(gòu)成。傳感器的彈性元件在外力的作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在內(nèi)部的電阻應變片隨之產(chǎn)生形變。電阻應變片的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡輸出一個模擬量電壓，從而完成將外力轉(zhuǎn)換為電信號的過程。HX711是專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高、響應速度快和抗干擾性強等優(yōu)點[9]。

如圖5所示，E+、E-管腳接入稱重傳感器電源+(Sensor_Power)和電源-(AGND)。HX711 芯片內(nèi)的穩(wěn)壓電路可同時向 A/D 轉(zhuǎn)換器和外部傳感器提供模擬電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓值(VAVDD/E+)由外部分壓電阻R1、R2 和芯片的輸出參考電壓VBG 決定。稱重傳感器接通后，當感應到物體重量時，傳感器便會輸出電壓：滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度，靈敏度取1.0mV/V。

圖5 稱重模塊電路設計圖

5)Air720D模塊

Air720D模塊是一款帶分集接收功能的4G移動三模無線通信模塊，支持LTE-TDD/TDSCDMA/GPRS，幾乎能夠滿足所有M2M的需求，具有強大的芯片處理能力和存儲運算能力。Air720D具有豐富的硬件接口及GPIO，支持二次開發(fā)模式，可以直接調(diào)用API接口對外設或GPIO進行編程設計，極大地減少了開發(fā)周期和成本。

SIM卡由模塊內(nèi)部供電，在電路設計中卡座與模塊距離越近越好，并且SIM卡信號線布線遠離RF線和VBAT電源線，這樣可以確保SIM卡良好的性能，且不被損壞。

3.2 軟件設計

1)軟件總體設計

該自動售貨機軟件設計按照前后順序執(zhí)行的原理可分為：首先進行微控制器的系統(tǒng)時鐘、定時器、各個模塊引腳以及無線通信模塊初始化，同時進行設備網(wǎng)絡連接；從Flash中讀取去皮參數(shù)，判斷讀取方案參數(shù)是否存入；如果是，則讀取保存的參數(shù)，并接收串口指令即顧客輸入購買金額或重量；判斷是否購買，如果購買則微控制器驅(qū)動電機工作，通過稱重傳感器采集剩余重量，并將剩余重量發(fā)送到觸摸屏對應的地址。總體的軟件流程框圖如圖6所示。

圖6 總體軟件流程圖

2)電機控制程序

根據(jù)顧客購買的物品重量或金額來選擇電機輸出的頻率，從而精準地控制物品的輸出，電機控制程序如圖7所示。

圖7 電機控制程序

4 支付系統(tǒng)

支付系統(tǒng)整體使用Tornado進行編寫，通過調(diào)用支付寶和微信API進行下單及支付狀態(tài)檢測，并最終處理為易于顧客處理的數(shù)據(jù)反饋給設備，訂單創(chuàng)建過程如圖8所示。

圖8 訂單創(chuàng)建

當顧客在售貨機上創(chuàng)建訂單后，設備將創(chuàng)建訂單的請求發(fā)送給服務器，服務器通過當前系統(tǒng)時間生成1個訂單號，存儲至數(shù)據(jù)庫中。同時為了防止訂單串單，設置為1個設備只允許同時開啟1個待支付訂單。如需創(chuàng)建新訂單必須由設備取消舊訂單，否則無法創(chuàng)建新訂單。支付系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建訂單后，分別向支付寶和微信發(fā)送下單請求，成功后支付寶和微信將分別返回二維碼鏈接。支付系統(tǒng)記錄當前支付狀態(tài)后，發(fā)送結(jié)果和二維碼到設備，設備通過串口屏輸出二維碼展示給顧客進行支付。

在展示二維碼后，設備將不斷詢問服務器是否完成訂單支付，支付系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫，若訂單狀態(tài)為未完成時，將詢問支付平臺的支付狀態(tài)，并將結(jié)果返回給設備。同時支付平臺也會在顧客支付成功后將支付結(jié)果異步傳輸給支付系統(tǒng)服務器，支付系統(tǒng)服務器會處理這些數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫中。

5 實驗分析

散裝食品自動售貨機完成后，分別以紅豆、綠豆和瓜子為實驗對象對該自動售貨機進行測試。每個實驗對象以重量250g、500g、1 000g、1 500g、2 000g、2 500g做5組實驗，并計算平均誤差。從表1中，可以看出隨著購買重量的增加，3個實驗對象的平均誤差基本在降低，且滿足零售商品規(guī)定的負偏差[10]。

表1 不同重量出貨的平均誤差

6 結(jié)語

通過分析自動售貨機的研究現(xiàn)狀以及今后智能化發(fā)展趨勢，設計一種基于STM32的散裝食品自動售貨機。該自動售貨機上層儲存商品，下層通過控制系統(tǒng)配合出貨機構(gòu)完成精準出貨，運用無線通信技術實現(xiàn)自動售貨機的網(wǎng)絡通信以及網(wǎng)上支付。該產(chǎn)品為小型化設計，所占空間小且便于運輸轉(zhuǎn)移，適用于無人超市、便利店等場所。實驗證明該自動售貨機穩(wěn)定、誤差小，為散裝食品的購買方式及未來銷售模式提供了參考。