【文章內(nèi)容簡介】 3。 58 謝辭 59 參 考 文獻(xiàn) 60 附圖 61 備注：另附程序單（見附件） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 1 引言 自動售貨機成就了一種全新的商業(yè)零售形式，解放了一部分勞動力。自20世紀(jì) 70 年代于日本和歐美發(fā)展起來，它又被稱為 24 小時營業(yè)的微型超市。據(jù)統(tǒng)計，日本 70％的罐裝飲料是通過自動售貨機銷售出去的；全球著名飲料商可口可樂公司在全世界就布置有 50 萬臺飲料自動售貨機。自動售貨機 1999年開始進(jìn)人中國市場。如今，在機場、地鐵、商場、公園等客流較大的場所，自動售貨機的身影已不難被發(fā)現(xiàn)。 從自動售貨機的發(fā)展目的和趨勢來看，它是勞動密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。批量生產(chǎn)、大量消費以及消費者對消費 模式和銷售環(huán)境改革的需求，要求流通渠道有所更新；而超市、百貨購物中心等流通渠道相對不夠人性化，人工費用也相對更高；再加上場地的局限性以及購物的便利性等這些因素的制約，無人自動售貨機作為一種需求便應(yīng)運而生。 它的售貨領(lǐng)域非常廣泛，已成為發(fā)達(dá)國家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動售貨機逐漸被越來越多的消費者所接受。但由于售貨機分布范圍廣闊和布置零散，自動售貨機在為消費者帶來便利的同時，也為經(jīng)營者在監(jiān)控、管理、維護(hù)等方面帶來很大的不便。目前售貨機運行的各種情況諸如缺貨、缺零錢、幣箱已滿、售貨機機械故障等都 需要由人工判斷。經(jīng)營者普遍采用的人工定時巡回視察的管理辦法，既費時費力，又無法及時準(zhǔn)確獲取自動售貨機狀態(tài)報告，給經(jīng)營者增加了管理成本和難度，也有可能給消費者的正常消費造成不便。 由于現(xiàn)在市場上投放的自動售貨機不夠人性化，針對的商品不是灌裝就是盒裝的，不能讓消費者按量消費飲料，本人設(shè)計了可滿足消費者這項需求的自動飲料售貨機。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 2 1 緒論 自動售貨機設(shè)計的主要內(nèi)容 1. 此自動售貨機可以識別五角、一元的硬幣并累計，但一次只能出 元、 1元和 元幣量的飲料； 2. 如果顧客投入硬幣在 限定的時間內(nèi)（ 2 分鐘）不按任何按鍵，自動售貨機將退還所投硬幣； 3. 當(dāng)顧客按下出紙杯按鈕時，根據(jù)顧客所投硬幣總數(shù)送出一個相應(yīng)的紙杯（這里只提供 元、 1 元紙杯和 元紙杯）； 4. 當(dāng)顧客用紙杯對準(zhǔn)了飲料出口并按下出飲料按鈕后便按量出飲料。 飲料售賣機機械框架圖 圖 11 售貨機機構(gòu)框架圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 3 自動售貨機控制設(shè)計的基本思路 本次大學(xué)畢業(yè)設(shè)計題目是飲料自動售賣機的設(shè)計，主要是應(yīng)用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機通過 C語言或者匯編程序。實現(xiàn)對貨幣的識別、累計、按累計幣值選擇送出不同大 小的紙杯、按累計幣值送出定量的飲料等控制，其中會涉及到光機電一體化學(xué)科中的光電耦合、液位控制開關(guān)以及數(shù)字邏輯電路等知識。在真正進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計之前會對 AT89S51 單片機、光電耦合技術(shù)及其在本設(shè)計中用到的一些器件進(jìn)行簡單的論述。本設(shè)計的工作流程圖如下所示： 等待按抽飲料按鈕 出相應(yīng)紙杯 投 幣 硬幣識別 硬 幣 累 計 真 幣 否 ？ 退 幣 等待了 2 分鐘？ NO YES 按下出紙杯按鈕 NO 繼續(xù)等待 YES 開 始 驅(qū)動水泵按累計幣值往容器中抽飲料 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 4 圖 12 售貨機控制流程策劃圖 出相應(yīng)紙杯 結(jié) 束 電磁閥關(guān)閉 等待按抽飲料按鈕 按下抽飲料按鈕 按出飲料按鈕 出 飲 料 飲料流盡否 NO 繼續(xù) 開 始 等待下一次交易 等飲料抽到指定位置才能到下一步 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 5 自動售貨機設(shè)計中涉及的部分器件概述 AT89S51 單片機概述 AT89S51 是美 國 ATMEL 公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的 CMOS8 位單片機，片內(nèi)的 Flash 只讀程序存儲器容量為 4bytes，器件采用 ATMEL 公司高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，能夠兼容 8051 指令系統(tǒng)和引腳。它匯集 Flash 程序存儲器既可在線編程又能用傳統(tǒng)的方式編程及通用 8 位微處理器于單片機芯片中。 ATMEL 公司功能強大、價格低廉的 AT89S51 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令完全兼容 ? 4K字節(jié)在線系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃存 ? 1000 次擦寫周期 ? 的工作電壓范圍 ? 全靜態(tài)工作模式： 0HZ33MHZ ? 三級程序加密鎖 ? 128 x 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32個可編程 I/O 接口 ? 2個 16位置定時 /計數(shù)器 ? 6個中斷源 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 低功耗空閑和掉電模式 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) ? 看門狗（ WRT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 掉電標(biāo)識和快速編輯特性 ? 靈活的在線系統(tǒng)編程 圖 13 AT89S51 單片機 欲知更多可以參閱本次畢業(yè)設(shè)計翻譯部分《 AT89S51 單片機》。 步進(jìn)電動機概述 步進(jìn)電動機通常應(yīng)用于需要運動控制的設(shè)備。這類電動機尤其適合應(yīng) 用在低速或者恒負(fù)載的設(shè)備中。步進(jìn)電動機采用多極設(shè)計，目的時為了精確控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，甚至在 RPM 為 0 的時候也可以。它們的這種特性深受運動控制工程師的歡迎；絕大多數(shù)的計算機設(shè)備，如硬盤驅(qū)動器以及打印機等采用的都是步進(jìn)電機。 如下圖所示為步進(jìn)電動機的原理圖。電動機具有 6對作用力相反定子線圈，各對線圈相互能夠獨立地進(jìn)行控制。當(dāng)一對異性磁極（磁極 5）被激活時，則產(chǎn)生了一個磁場，轉(zhuǎn)子會根據(jù)磁場的作用力發(fā)生旋轉(zhuǎn)；若磁極 5 關(guān)閉，磁極 4被激活，則轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)到一個新的位置。因此，只要精確控制這些磁極對，就可 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 6 以精確控制轉(zhuǎn)子的位 置及其 RPM 下的步進(jìn)電機。 為了提供更加精確的分辨率，步進(jìn)電動機可以工作在半步模式下。在這個模式當(dāng)中，由 4個磁極被激活，因此，轉(zhuǎn)子可以處于兩對磁極之間的位置上，這樣就使得步進(jìn)電機的運行分辨率提高了一倍。如下圖所示為工作于半步模式 圖 14 步進(jìn)電機工作模式圖 把半步模式的思路進(jìn)一步延伸，就產(chǎn)生了微步控制模式。只要精確控制兩個磁極的磁場強度就可以讓轉(zhuǎn)子處于兩對磁極之間的任何位置。 步進(jìn)電機的特點如下： 1） 脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)角成準(zhǔn)確的比例。 2） 每一步所對應(yīng)的角度誤差很小。 3） 電動機的正反轉(zhuǎn) 、停止響應(yīng)快。 4） 能用數(shù)字信號的輸出脈沖來控制（能開環(huán)控制）。 5） 只要施加電壓，步進(jìn)電機就有自鎖（制動）力，因此能保持在停止位置。 螺線管概述 螺線管是一種相當(dāng)重要的電磁元件，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，遍及世界各地，確切地說，有成千上萬種不同的應(yīng)用場合。當(dāng)螺線管通電時，空氣中將會產(chǎn)生電磁場。如下圖所示，螺線管的磁力線同條形磁鐵的很相似，在沒有任何外部影響的情況下，磁場保持平衡。 將鐵芯穿過線圈就形成了電磁鐵，磁力線與鐵芯耦合。如果鐵芯不在線圈的中間位置，將產(chǎn)生如上圖所示的不對 稱磁場。不對稱磁場將使鐵芯向線圈的中心位置運動以使磁場達(dá)到平衡狀態(tài)。利用這個原理可以在按鈕的按鍵上產(chǎn)生機械驅(qū)動力。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 7 圖 15 螺線管工作圖 如下圖所示的是一個葉片式的螺線管。其中“ L”形的鐵芯和葉片組成磁路。當(dāng)線圈通電時，葉片被拉到鐵芯上?！?C”形的螺線管跟葉片式螺線管相比，可以提供更大的移動距離。磁路通過固定在中央的線圈做成“ C”形，鐵制的導(dǎo)桿和定位器組成磁路。 圖 16 葉片式螺線管和 C 形螺線管 渦流概述 運動的導(dǎo)體通過磁場時會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。任何導(dǎo)體都會產(chǎn)生渦流。如下左圖所示，渦流是完全寄生于導(dǎo)體內(nèi)部的電路。由于電流存在于導(dǎo)體內(nèi)部，它們表現(xiàn)為短路電路。渦流的存在會引發(fā)兩種結(jié)果： 1）導(dǎo)體的發(fā)熱量與電源的消耗量直接成正比； 2）進(jìn)入渦流的能量意味著能量的損失。雖然在導(dǎo)線中渦流引發(fā)的損失并不大，但是在電磁元件中如變壓器、螺線管、電動機等，這種損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。為了減少渦流造成的損失，大多數(shù)交流電磁元件都采用疊片鐵芯。疊層板是一種在電氣上隔離的獨立磁性物質(zhì)。薄薄的疊層板減小了渦 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 8 流的有效路徑，從而使渦流最小。 如下右圖所示的是一個有趣的渦流效應(yīng)試驗。把一個非磁性的導(dǎo)電板（ 鋁制或銅制的）放在桌上，再將蹄形磁鐵放在導(dǎo)電板的中央，慢慢地前后滑動磁鐵。你會發(fā)現(xiàn)磁鐵的移動沒有什么阻力。然后快速移動磁鐵，你就會注意到，此時產(chǎn)生了很大的運動阻力。實際上，你甚至還需要將向下導(dǎo)電板夾住，以防它隨著磁鐵一起運動。隨著磁鐵的運動，導(dǎo)電板內(nèi)產(chǎn)生渦流。電流出現(xiàn)時，它將阻礙磁場，此時導(dǎo)電板被磁化。一旦磁鐵停止運動，渦流消失，導(dǎo)電板消磁。 圖 17 渦流實驗圖 光電耦合概述 在論述光電耦合知識之前，不可回避地要談到傳感器。傳感器在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中傳感器被定義為“實現(xiàn)感覺功能的檢測器件 ”。這里所謂的感覺功能即人的視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等感覺。為了使機器人之類的計算機控制裝置工作，相當(dāng)于人類感覺功能的檢測器件是必須的，這種器件就是傳感器。 光電耦合器件中最常用的就屬光傳感器了。半導(dǎo)體元件中有光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（ LED）、 CDS 等。使用這些元器件或者其組合就可以制成檢測光的光傳感器。光傳感器是把光信號轉(zhuǎn)換為能被接收的電信號的元件。從原理上可分為： 1）接收光后使電阻改變的元件，如硫化鎘（ CDS）光導(dǎo)管； 2）接收光后產(chǎn)生電勢的元件，如光電二極管、光敏三極管、光電池 等； 3）接收光后產(chǎn)生熱量的元件，如熱電傳感器等。 這里只對光電二極管及其應(yīng)用進(jìn)行概述。在普通二極管上施加反向電壓、光照，則會使二極管上流過反向電流。其特性如下圖及說明所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 9 圖 18 光電二極管工作原理圖 1） 反向流動的輸出電流?。? 2） 敏感波長為 400— 2021nm，從紫外線到紅外線的光譜范圍都能檢測，最高靈敏度在 850nm； 3） 響應(yīng)速度在 us 級，具有告訴響應(yīng)的特性； 4） 發(fā)光量與檢測電路成正比，線性范圍大，可用于發(fā)光量的檢測和顏色的識別。 如下圖所示，發(fā)光二極管的輸出電流小，要用晶體管等器件來 放大。把光電二極管和晶體管做成一體的元件就是光敏三極管。 圖 19 光電三極管工作原理圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 10 發(fā)光二極管和光電三極管可組合成一種常用的光電耦合器件光電開關(guān)。光電開關(guān)可用于檢測物體是否接近。它有透射型和反射型兩類。如下圖左圖所示為透射型光電開關(guān)。發(fā)光管為 LED，用于發(fā)光。發(fā)出的光由作為接收器的光電三極管接收。一旦物體靠近遮斷了光三極管即可檢測出這種狀態(tài)。如下圖右圖所示的是反射型光電開關(guān)?？拷矬w時，發(fā)光器件發(fā)出的光從物體上反射，射入光接收元件，從而檢測出有無物體靠近。當(dāng)然，發(fā)光管可以由單片機控制通斷 時間以控制接收器件的通斷。 圖 110 投射式和反射式光電耦合 電磁閥概述 追溯電磁閥的發(fā)展史，到目前為止國內(nèi)外的電磁閥從原理上分為三類（即直動式、分布式、先導(dǎo)式），而從閥瓣結(jié)構(gòu)和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類（直動膜片結(jié)構(gòu)、分布重片結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)膜式結(jié)構(gòu)、直動活塞結(jié)構(gòu)、分布直動活塞結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)活塞結(jié)構(gòu)）。對于除直動式外的電磁閥在此不作贅述。 直動式電磁閥的原理：通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門 關(guān)閉。特點：在真空、負(fù)壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過 25mm。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 共 61 頁 11 圖 111 電磁開關(guān)閥 數(shù)字電路概述 數(shù)字電子