陳齊平，張文俊，王鋼林，李鶴賢，闞清享

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌330013）

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

陳齊平，張文俊，王鋼林，李鶴賢，闞清享

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌330013）

為了提高簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨的便捷性和可靠性，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路和模擬集成電路的特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了模擬投幣模塊、顯示模塊、模擬出貨和找零狀態(tài)模塊，提高了電路的可讀性和可移植性。基于Multisim平臺(tái)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究，建立了電路仿真模型，并對(duì)其功能進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確、便捷的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)的功能。

Multisim；可移植性；模塊化；狀態(tài)

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)的巨大的方便，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)電子愛好者來(lái)說(shuō)具有一定入門條件?，F(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)、找零狀態(tài)[7]。

基于Multisim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)化自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)難度，利用74系列數(shù)字電路芯片，功能完成基本控制電路的設(shè)計(jì)。各電路模塊具有一定的相對(duì)獨(dú)立性、互換性及通用性，方便組裝及問(wèn)題的排查，且使得電路模塊具有一定的可移植性。

1 設(shè)計(jì)原理及功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)際實(shí)際情況假定所售商品為2.0元，且只有0.5元及1.0元2種貨幣情況，共有5種投幣情況，如表1所示。

通過(guò)簡(jiǎn)化模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能，能夠更方便的實(shí)現(xiàn)電路的連接及其原理的理解。通過(guò)計(jì)數(shù)器和加法器累計(jì)所投金額，根據(jù)自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能設(shè)計(jì)出原理框圖，如圖1所示。

按鈕開和關(guān)2種狀態(tài)分別表示1和0，產(chǎn)生的信號(hào)由計(jì)數(shù)器與加法器累加，相應(yīng)模塊接收到信號(hào)后，相應(yīng)的顯示模塊顯示投入金額的總數(shù)，且有余額不足提示或出貨找零提示。通過(guò)延時(shí)清零模塊自動(dòng)清除機(jī)器的投幣金額記錄，方便下一次的購(gòu)買，同時(shí)能夠使購(gòu)買者有足夠的反應(yīng)時(shí)間來(lái)了解自己的購(gòu)買情況。

2 主電路的設(shè)計(jì)

2.1 防抖動(dòng)開關(guān)

防抖動(dòng)開關(guān)是由兩個(gè)或非門交叉耦合構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器（復(fù)位-置位觸發(fā)器），高電平觸發(fā)，如圖2所示。利用這種鎖存器具有的記憶功能消除抖動(dòng)信號(hào)[8]，使得電路在運(yùn)行過(guò)程中能夠保持相對(duì)較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

表1 投幣情況Tab.1 Representation of inserting coins

圖1 原理框圖Fig.1 Block diagram of principle

圖2 防抖開關(guān)原理圖Fig.2 Schematic diagram of shake-proof switch

2.2 貨幣輸入電路

利用防抖動(dòng)開關(guān)產(chǎn)生的高低電平，模擬0.5元及1.0元貨幣的輸入，將0變化成1的上升沿信號(hào)輸入到74LS161芯片的CLK端，上升沿脈沖使其計(jì)數(shù)。0.5元及1.0元貨幣的輸入經(jīng)74LS161芯片處理后，將信號(hào)統(tǒng)一傳送到74LS283芯片中，得出投入的金額總數(shù)。設(shè)計(jì)貨幣模擬輸出電路，如圖3所示。查閱文獻(xiàn)[9]知，74LS161要執(zhí)行計(jì)數(shù)功能，ET，EP，～LOAD端接高電平，～CLR端也接高電平，實(shí)現(xiàn)低電平清零的功能。

圖3 貨幣輸入電路Fig.3 Coins input circuit

2.3 出貨、找零、金額不足提示電路

當(dāng)投幣金額達(dá)到2.0元時(shí)，74LS283N的輸出端SUM_4～SUM_1的電平用二進(jìn)制表示為0100，此時(shí)SUM_3高電平，蜂鳴器BUZZER LS3發(fā)出響聲，且LED5發(fā)光，提示購(gòu)買者完成交易，請(qǐng)取貨；當(dāng)投幣金額達(dá)到2.5元時(shí)，74LS283N的輸出端SUM_4～SUM_1的電平用二進(jìn)制表示為0101，此時(shí)SUM_1和SUM_3高電平，蜂鳴器BUZZER LS3和LS4同時(shí)發(fā)出響聲，且LED4和LED5同時(shí)發(fā)光，提示購(gòu)買者完成交易，請(qǐng)取貨，并且通過(guò)LS4和LED4提示購(gòu)買者別忘了將找零取走。出貨、找零電路連線圖，如圖4所示。查閱文獻(xiàn)[10]，得出74LS283N的輸出端SUM_1～SUM_4的電平情況，0表示低電平，1表示高電平，如表2所示。

表2 74LS283N輸出端SUM_1～SUM_4電平情況Tab.2 Electrical level situation of SUM_1～SUM_4 of 74LS283N output port

圖4 出貨、找零電路Fig.4 Circuit of delivering goods and giving change

2.4 延時(shí)電路

完成交易后，通過(guò)延時(shí)電路自動(dòng)清零，方便下一次交易，延時(shí)電路原理圖如圖5所示。借助單穩(wěn)態(tài)555延時(shí)器，延時(shí)清零，在交易成功之后延時(shí)幾秒，OUT端輸出高電平，通過(guò)反相器，轉(zhuǎn)換成低電平，輸入到圖3所示的74LS161N（U3和U5）的～CLR端，使其清零，機(jī)器重新開始計(jì)數(shù)[11-12]。

貨幣輸入電路中74LS283N引腳SUM_3經(jīng)并聯(lián)的非門和電容C3輸入到延時(shí)器TRI端，輸入總金額為2.0和2.5元時(shí)，有表2可知，此時(shí)SUN_3高電位，經(jīng)反相器轉(zhuǎn)化為低電平；由文獻(xiàn)[9]可知TRI為出發(fā)端，當(dāng)此引腳電壓降至Ucc（或由控制端決定的閾值電壓）時(shí)輸出端給出高電平；反相器U4A并聯(lián)了一個(gè)1 000 μF的電容，當(dāng)電容充滿電時(shí)反相器U4A被短路，因此TRI端輸入高電平，OUT端輸出低電平，反向器處理后，計(jì)數(shù)器的～CLR輸入高電平，計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，完成延時(shí)清零工作。設(shè)計(jì)延時(shí)電路連線圖，如圖5所示。

2.5 價(jià)格顯示電路

所售商品價(jià)格顯示部分，采用固定式的價(jià)格顯示模塊，這樣顯示方便且易實(shí)現(xiàn)。本文假定商品售價(jià)為2.0元，因此直接用高低電位控制即可。自動(dòng)售貨機(jī)所售商品一般都是固定的種類，因此這種簡(jiǎn)單方法有一定的可行性。

投幣總額顯示用的是2個(gè)共陰極數(shù)碼管，投幣總額顯示電路，如圖6所示。U11顯示元和小數(shù)點(diǎn)，U12顯示角，由表2可知BCD七段譯碼器（驅(qū)動(dòng)共陰）U13和U14各引腳的輸入。

圖5 延時(shí)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of delayed circuit

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用線路仿真軟件Multisim完成電路設(shè)計(jì)，借助其虛擬仿真功能檢驗(yàn)原理的可行性，并對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化[13-14]。用面包板連出的實(shí)物圖，實(shí)現(xiàn)了仿真的結(jié)果，自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能都得到實(shí)現(xiàn)，模塊化設(shè)計(jì)使得電路連接與檢查更方便，使得各模塊有一定的可移植性。實(shí)踐證明這個(gè)設(shè)計(jì)有一定的可行性，實(shí)驗(yàn)電路圖如圖7所示。

圖6 投幣總額顯示電路Fig.6 Display circuit of the total amount of coins

圖7 實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.7 Experimental circuit diagram

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)研究簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)的主要功能模塊，如投幣、出貨、找零、金額不足提醒、顯示模塊等。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，使得原理圖在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)能更方便，電路檢測(cè)也有很大的便捷性，同時(shí)可見相應(yīng)模塊移植到其他電路實(shí)現(xiàn)同樣的功能。利用74系列數(shù)字電路芯片實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能，結(jié)合Multisim和邏輯電路的特點(diǎn)，很大程度上降低了設(shè)計(jì)的難度，有很強(qiáng)的推廣性。

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Control System Design and Simulation of Simple Vending Machine Based on Multisim

Chen Qiping,Zhang Wenjun,Wang Ganglin,Li Hexian,Kan Qingxiang
(School of Mechatronics Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

In order to improve the convenience and reliability of simple vending machines,this study designed and developed a control system of simple vending machine.According to the characteristics of digital integrated circuit and analog integrated circuit,by use of modular design method,it designed the simulated coins selector module,display module,simulated module of delivering goods and giving change,and improved the circuit’s readability and portability.Based on the analysis and research of its dynamic characteristics by Multisim platform,the circuit simulation model was built up and its function was analyzed.The simulation results were in conformity with experimental results,indicating that the control system can accurately and conveniently realize the function of simple vending machine with an efficient and convenient method.

Multisim;portability;modularization;condition

TM133

A

1005-0523（2015）06-0088-05

(責(zé)任編輯 姜紅貴)

2015－07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51565011）；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20151BAB206037）

陳齊平（1984—），男，講師，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)，電動(dòng)汽車技術(shù)，車輛CAE技術(shù)。