郝卓楠

(華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院　武漢　430074)

一種自動(dòng)飲料機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郝卓楠

(華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院武漢430074)

摘要利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)飲料機(jī),采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)飲料選擇功能,采用3-8譯碼器實(shí)現(xiàn)飲料選擇指示燈的狀態(tài)變化,運(yùn)用四路選擇器實(shí)現(xiàn)加糖或不加糖的自動(dòng)判斷,并將結(jié)果輸出至糖輸出電路,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加糖或不加糖的功能。該自動(dòng)飲料機(jī)可供使用者根據(jù)喜好選擇相應(yīng)的飲料,并選擇加糖與否,選擇情況及飲料輸出情況由指示燈狀態(tài)顯示,設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單實(shí)用貼近生活。

關(guān)鍵詞數(shù)字電路; 計(jì)數(shù)器; 選擇器; 譯碼器

Class NumberTP391

1引言

以二進(jìn)制邏輯代數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的數(shù)字電路是電子電路中重要的一種,由于具有穩(wěn)定性好,可靠性高,信息可長(zhǎng)期儲(chǔ)存及便于高度集成化的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、航天等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以及日常生活中。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件。隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件;20世紀(jì)70年代末,微處理器的出現(xiàn),使數(shù)字集成電路的性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。近年來(lái),可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的飛速進(jìn)步,使數(shù)字電子技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了新局面,不僅規(guī)模大,而且將硬件與軟件相結(jié)合,使器件的功能更加完善,使用更靈活。同時(shí),在半導(dǎo)體工藝、平版印刷、金屬化和封裝等技術(shù)進(jìn)步的支持下,數(shù)字技術(shù)也迅猛發(fā)展,比以往更快、更復(fù)雜的數(shù)字電路正在成為現(xiàn)實(shí)[1～5]。本文利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)飲料機(jī),它是數(shù)字電路應(yīng)用于日常生活的一個(gè)典例,其中采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)飲料選擇功能,采用3-8譯碼器使指示燈的狀態(tài)根據(jù)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)正確變化;自動(dòng)加糖電路則是運(yùn)用四路選擇器,實(shí)現(xiàn)加糖或不加糖的自動(dòng)判斷,并將結(jié)果輸至糖輸出電路,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加糖或不加糖的功能。

2功能描述

根據(jù)需求,本自動(dòng)飲料機(jī)需具有如下功能:機(jī)內(nèi)預(yù)先裝有咖啡和果汁,可自動(dòng)根據(jù)用戶的選擇提供相應(yīng)飲料。兩種飲料根據(jù)加糖與否可有四種選擇:咖啡(加糖),咖啡(不加糖),果汁(加糖),果汁(不加糖)。飲料機(jī)外殼上有2個(gè)按鈕,一個(gè)為“選擇”鍵,另外一個(gè)為“確定”鍵;此外還有四個(gè)指示燈,分別對(duì)應(yīng)四種飲料的選擇結(jié)果。每按一次“選擇”鍵,機(jī)器上對(duì)應(yīng)的飲料指示燈點(diǎn)亮,再按一次,原先的指示燈熄滅,下一種飲料對(duì)應(yīng)的指示燈亮起,直到最后一種飲料,之后循環(huán)從第一種飲料開(kāi)始。“確定”鍵未按下時(shí),指示燈閃爍,按下“確定”鍵后,指示燈不再閃爍而是持續(xù)發(fā)光,此時(shí)飲料機(jī)流出相應(yīng)飲料,并自動(dòng)根據(jù)選擇判斷是否加糖,加糖電路是否工作。飲料接完后,若想停止出飲料,再按一次“確定”鍵即可,然后便可重新選擇飲料,此時(shí)指示燈也重新變?yōu)殚W爍。

設(shè)Y1、Y0為選擇不同飲料代表的不同狀態(tài),狀態(tài)共有四種,分別為:00,01,10,11,它們對(duì)應(yīng)不同的指示燈及加糖電路不同的輸出,對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　飲料狀態(tài)及對(duì)應(yīng)指示燈狀態(tài)、加糖電路輸出結(jié)果

使用者的使用流程及機(jī)器的運(yùn)行流程如圖1所示(左側(cè)為使用流程,右側(cè)為機(jī)器運(yùn)行流程)。

圖1　使用者的使用流程及機(jī)器運(yùn)行流程

3結(jié)構(gòu)描述

本飲料機(jī)的電路結(jié)構(gòu)分為四個(gè)模塊:模式控制電路,譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路,自動(dòng)加糖電路,飲料/糖輸出電路。各模塊之間的聯(lián)系如圖2所示。

各模塊功能及原理如下:

1) 模式控制電路:用來(lái)選擇所需飲料

原理:同步時(shí)序邏輯電路(計(jì)數(shù)器)

注:CP1:選擇是哪種飲料,哪個(gè)燈泡發(fā)光;CP2:令燈泡閃爍;K:令燈泡持續(xù)發(fā)光圖2　飲料機(jī)結(jié)構(gòu)描述

2) 譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路:令相應(yīng)指示燈閃爍或持續(xù)發(fā)光

原理:譯碼器組合邏輯電路

3) 自動(dòng)加糖電路:根據(jù)選擇提供/不提供糖

原理:四路選擇器

4) 飲料/糖輸出電路:輸出飲料/糖

以下分別描述各模塊的電路設(shè)計(jì)。

4電路設(shè)計(jì)

4.1模式控制電路

本模塊采用模四計(jì)數(shù)器[6～7],它們由兩個(gè)J-K觸發(fā)器組成,實(shí)現(xiàn)了“選擇”鍵按下時(shí)選擇不同飲料的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)表見(jiàn)表2,狀態(tài)圖如圖3所示。

表2　模式控制電路狀態(tài)表

圖3　模式控制電路狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

由狀態(tài)表及狀態(tài)圖可得:J1=Q0,K1=Q0,J0=1,K0=1。由此得到模式控制電路圖(見(jiàn)圖4)。

4.2譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路

本模塊采用3-8譯碼器[8～10],實(shí)現(xiàn)對(duì)指示燈明滅情況的控制。在模式控制電路的作用下(提供Q1、Q0),提供四個(gè)發(fā)光二極管的控制信號(hào),當(dāng)某電路輸出的控制信號(hào)為低電平時(shí),根據(jù)確定鍵“K”是否按下,相應(yīng)的指示燈將閃爍或持續(xù)發(fā)光。狀態(tài)表如表3所示。

圖4　模式控制電路圖

CP2KYnCCP2KYnC00000011100010111100111101000110

注:K為“確定”鍵;a為飲料出水裝置(出咖啡);b為飲料出水裝置(出果汁);CP2為自動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)圖5　譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路

譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路工作原理如下:當(dāng)K=1時(shí):相當(dāng)于未按下“確定”建,此時(shí)相應(yīng)指示燈左側(cè)為高電平,燈泡閃爍,不出水;當(dāng)K=0時(shí):相當(dāng)于按下了“確定”鍵,此時(shí)相應(yīng)指示燈左側(cè)恒為低電平,指示燈持續(xù)發(fā)光,出水。

4.3自動(dòng)加糖電路

本模塊采用如圖6所示的四路選擇器,由譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路提供Q1Q0,實(shí)現(xiàn)根據(jù)加糖與否產(chǎn)生不同輸出的功能。當(dāng)Q1Q0=00或10時(shí),分別對(duì)應(yīng)咖啡加糖和果汁加糖,此時(shí)輸出Y=0(低電平),否則Y=1(高電平)。即Y=1:糖輸出電路不工作;Y=0:糖輸出電路工作,輸出糖。

圖6　自動(dòng)加糖四路選擇器

4.4飲料/糖輸出電路

本部分采用電磁繼電器裝置,圖7為飲料/糖輸出電路示意圖。

圖7　飲料/糖輸出電路示意圖

5結(jié)語(yǔ)

本文利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)飲料機(jī),使用者可根據(jù)喜好選擇相應(yīng)的飲料,選擇情況及飲料輸出情況由指示燈的不同明滅狀態(tài)顯示,且可自動(dòng)根據(jù)選擇加糖或不加糖,既滿足了不同人群對(duì)不同口味的需求,又靈活方便,設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單但實(shí)用,貼近生活。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)飲料機(jī)基本原理可擴(kuò)展至多種飲料。

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Design and Realization for An Automatic Drink Machine

HAO Zhuonan

(School of Computer Science & Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

AbstractAn automatic drink machine is designed using the digital circuit. It realizes drink choice function by using counter, and drink choice indicator light state change by using 3 to 8 decoder. It automatically judges with sugar or without sugar by using four-way selector and enables the result output to sugar output circuit, which can realize the function of automatically with sugar or without sugar. The automatic drink machine enables the users choose their fond drink, and choose to add sugar or not. The choice situation and drink output displays on the state indicator light. The design principle is simple and practical, and close to life.

Key Wordsdigital circuit, counter, selector, encoder

收稿日期:2015年12月18日,修回日期:2016年1月25日

作者簡(jiǎn)介:郝卓楠,女,研究方向:信息安全。

中圖分類號(hào)TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.044