【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3。 58 謝辭 59 參 考 文獻(xiàn) 60 附圖 61 備注：另附程序單（見(jiàn)附件） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 1 引言 自動(dòng)售貨機(jī)成就了一種全新的商業(yè)零售形式，解放了一部分勞動(dòng)力。自20世紀(jì) 70 年代于日本和歐美發(fā)展起來(lái)，它又被稱為 24 小時(shí)營(yíng)業(yè)的微型超市。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本 70％的罐裝飲料是通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)銷售出去的；全球著名飲料商可口可樂(lè)公司在全世界就布置有 50 萬(wàn)臺(tái)飲料自動(dòng)售貨機(jī)。自動(dòng)售貨機(jī) 1999年開(kāi)始進(jìn)人中國(guó)市場(chǎng)。如今，在機(jī)場(chǎng)、地鐵、商場(chǎng)、公園等客流較大的場(chǎng)所，自動(dòng)售貨機(jī)的身影已不難被發(fā)現(xiàn)。 從自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展目的和趨勢(shì)來(lái)看，它是勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會(huì)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。批量生產(chǎn)、大量消費(fèi)以及消費(fèi)者對(duì)消費(fèi) 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(gòu)物中心等流通渠道相對(duì)不夠人性化，人工費(fèi)用也相對(duì)更高；再加上場(chǎng)地的局限性以及購(gòu)物的便利性等這些因素的制約，無(wú)人自動(dòng)售貨機(jī)作為一種需求便應(yīng)運(yùn)而生。 它的售貨領(lǐng)域非常廣泛，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動(dòng)售貨機(jī)逐漸被越來(lái)越多的消費(fèi)者所接受。但由于售貨機(jī)分布范圍廣闊和布置零散，自動(dòng)售貨機(jī)在為消費(fèi)者帶來(lái)便利的同時(shí)，也為經(jīng)營(yíng)者在監(jiān)控、管理、維護(hù)等方面帶來(lái)很大的不便。目前售貨機(jī)運(yùn)行的各種情況諸如缺貨、缺零錢(qián)、幣箱已滿、售貨機(jī)機(jī)械故障等都 需要由人工判斷。經(jīng)營(yíng)者普遍采用的人工定時(shí)巡回視察的管理辦法，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確獲取自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)報(bào)告，給經(jīng)營(yíng)者增加了管理成本和難度，也有可能給消費(fèi)者的正常消費(fèi)造成不便。 由于現(xiàn)在市場(chǎng)上投放的自動(dòng)售貨機(jī)不夠人性化，針對(duì)的商品不是灌裝就是盒裝的，不能讓消費(fèi)者按量消費(fèi)飲料，本人設(shè)計(jì)了可滿足消費(fèi)者這項(xiàng)需求的自動(dòng)飲料售貨機(jī)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 2 1 緒論 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1. 此自動(dòng)售貨機(jī)可以識(shí)別五角、一元的硬幣并累計(jì)，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(shí)間內(nèi)（ 2 分鐘）不按任何按鍵，自動(dòng)售貨機(jī)將退還所投硬幣； 3. 當(dāng)顧客按下出紙杯按鈕時(shí)，根據(jù)顧客所投硬幣總數(shù)送出一個(gè)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(duì)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(jī)機(jī)械框架圖 圖 11 售貨機(jī)機(jī)構(gòu)框架圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 3 自動(dòng)售貨機(jī)控制設(shè)計(jì)的基本思路 本次大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是飲料自動(dòng)售賣機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是應(yīng)用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)通過(guò) C語(yǔ)言或者匯編程序。實(shí)現(xiàn)對(duì)貨幣的識(shí)別、累計(jì)、按累計(jì)幣值選擇送出不同大 小的紙杯、按累計(jì)幣值送出定量的飲料等控制，其中會(huì)涉及到光機(jī)電一體化學(xué)科中的光電耦合、液位控制開(kāi)關(guān)以及數(shù)字邏輯電路等知識(shí)。在真正進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)之前會(huì)對(duì) AT89S51 單片機(jī)、光電耦合技術(shù)及其在本設(shè)計(jì)中用到的一些器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。本設(shè)計(jì)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(shí)別 硬 幣 累 計(jì) 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(kāi) 始 驅(qū)動(dòng)水泵按累計(jì)幣值往容器中抽飲料 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 4 圖 12 售貨機(jī)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(kāi) 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(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 5 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)中涉及的部分器件概述 AT89S51 單片機(jī)概述 AT89S51 是美 國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器容量為 4bytes，器件采用 ATMEL 公司高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)芯片中。 ATMEL 公司功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的 AT89S51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)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(xiě)周期 ? 的工作電壓范圍 ? 全靜態(tài)工作模式： 0HZ33MHZ ? 三級(jí)程序加密鎖 ? 128 x 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32個(gè)可編程 I/O 接口 ? 2個(gè) 16位置定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ? 6個(gè)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(mén)狗（ WRT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 掉電標(biāo)識(shí)和快速編輯特性 ? 靈活的在線系統(tǒng)編程 圖 13 AT89S51 單片機(jī) 欲知更多可以參閱本次畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯部分《 AT89S51 單片機(jī)》。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常應(yīng)用于需要運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備。這類電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)采用多極設(shè)計(jì)，目的時(shí)為了精確控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，甚至在 RPM 為 0 的時(shí)候也可以。它們的這種特性深受運(yùn)動(dòng)控制工程師的歡迎；絕大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備，如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及打印機(jī)等采用的都是步進(jìn)電機(jī)。 如下圖所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖。電動(dòng)機(jī)具有 6對(duì)作用力相反定子線圈，各對(duì)線圈相互能夠獨(dú)立地進(jìn)行控制。當(dāng)一對(duì)異性磁極（磁極 5）被激活時(shí)，則產(chǎn)生了一個(gè)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子會(huì)根據(jù)磁場(chǎng)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(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置。因此，只要精確控制這些磁極對(duì)，就可 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 6 以精確控制轉(zhuǎn)子的位 置及其 RPM 下的步進(jìn)電機(jī)。 為了提供更加精確的分辨率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以工作在半步模式下。在這個(gè)模式當(dāng)中，由 4個(gè)磁極被激活，因此，轉(zhuǎn)子可以處于兩對(duì)磁極之間的位置上，這樣就使得步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(jī)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(gè)磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度就可以讓轉(zhuǎn)子處于兩對(duì)磁極之間的任何位置。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)如下： 1） 脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)角成準(zhǔn)確的比例。 2） 每一步所對(duì)應(yīng)的角度誤差很小。 3） 電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn) 、停止響應(yīng)快。 4） 能用數(shù)字信號(hào)的輸出脈沖來(lái)控制（能開(kāi)環(huán)控制）。 5） 只要施加電壓，步進(jìn)電機(jī)就有自鎖（制動(dòng)）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(shuō)，有成千上萬(wàn)種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)螺線管通電時(shí)，空氣中將會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。如下圖所示，螺線管的磁力線同條形磁鐵的很相似，在沒(méi)有任何外部影響的情況下，磁場(chǎng)保持平衡。 將鐵芯穿過(guò)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(duì) 稱磁場(chǎng)。不對(duì)稱磁場(chǎng)將使鐵芯向線圈的中心位置運(yùn)動(dòng)以使磁場(chǎng)達(dá)到平衡狀態(tài)。利用這個(gè)原理可以在按鈕的按鍵上產(chǎn)生機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 7 圖 15 螺線管工作圖 如下圖所示的是一個(gè)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(shí)，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(dòng)距離。磁路通過(guò)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(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。任何導(dǎo)體都會(huì)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(huì)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(dòng)機(jī)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(dú)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(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 8 流的有效路徑，從而使渦流最小。 如下右圖所示的是一個(gè)有趣的渦流效應(yīng)試驗(yàn)。把一個(gè)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(dòng)磁鐵。你會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵的移動(dòng)沒(méi)有什么阻力。然后快速移動(dòng)磁鐵，你就會(huì)注意到，此時(shí)產(chǎn)生了很大的運(yùn)動(dòng)阻力。實(shí)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(yùn)動(dòng)。隨著磁鐵的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電板內(nèi)產(chǎn)生渦流。電流出現(xiàn)時(shí)，它將阻礙磁場(chǎng)，此時(shí)導(dǎo)電板被磁化。一旦磁鐵停止運(yùn)動(dòng)，渦流消失，導(dǎo)電板消磁。 圖 17 渦流實(shí)驗(yàn)圖 光電耦合概述 在論述光電耦合知識(shí)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(shí)現(xiàn)感覺(jué)功能的檢測(cè)器件 ”。這里所謂的感覺(jué)功能即人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)。為了使機(jī)器人之類的計(jì)算機(jī)控制裝置工作，相當(dāng)于人類感覺(jué)功能的檢測(cè)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(cè)光的光傳感器。光傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被接收的電信號(hào)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(shì)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(duì)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(huì)使二極管上流過(guò)反向電流。其特性如下圖及說(shuō)明所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 9 圖 18 光電二極管工作原理圖 1） 反向流動(dòng)的輸出電流??； 2） 敏感波長(zhǎng)為 400— 2021nm，從紫外線到紅外線的光譜范圍都能檢測(cè)，最高靈敏度在 850nm； 3） 響應(yīng)速度在 us 級(jí)，具有告訴響應(yīng)的特性； 4） 發(fā)光量與檢測(cè)電路成正比，線性范圍大，可用于發(fā)光量的檢測(cè)和顏色的識(shí)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(lái) 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(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 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(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)可用于檢測(cè)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(kāi)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(cè)出這種狀態(tài)。如下圖右圖所示的是反射型光電開(kāi)關(guān)?？拷矬w時(shí)，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(cè)出有無(wú)物體靠近。當(dāng)然，發(fā)光管可以由單片機(jī)控制通斷 時(shí)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(guó)內(nèi)外的電磁閥從原理上分為三類（即直動(dòng)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(gè)分支小類（直動(dòng)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(dòng)活塞結(jié)構(gòu)、分布直動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)活塞結(jié)構(gòu)）。對(duì)于除直動(dòng)式外的電磁閥在此不作贅述。 直動(dòng)式電磁閥的原理：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門(mén)打開(kāi)；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門(mén) 關(guān)閉。特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但通徑一般不超過(guò) 25mm。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 共 61 頁(yè) 11 圖 111 電磁開(kāi)關(guān)閥 數(shù)字電路概述 數(shù)字電子