焦 超 周露琴 陳德坤 單 運 羅森艷

（貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的革新，自動售賣機(jī)類型日益增多，本設(shè)計在傳統(tǒng)售賣機(jī)基礎(chǔ)上新增了手機(jī)掃描二維碼了解茶葉信息的功能，可解決自動售賣銷售模式帶來的對茶葉品種與功效難以了解和抉擇的局限性，可實現(xiàn)多人同時查閱茶葉信息，消除了排隊等待的弊端。出貨機(jī)構(gòu)在履帶式出貨裝置的基礎(chǔ)上增加了自動升降貨架輔助出貨，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，空間利用率高，避免了茶葉從高處掉落對茶葉品質(zhì)和包裝帶來的損傷。

一、總體方案設(shè)計

本設(shè)計主要由電源模塊、STM32最小系統(tǒng)板、按鍵模塊、網(wǎng)絡(luò)信息查詢模塊、支付模塊、出貨機(jī)構(gòu)、溫濕度監(jiān)測模塊和報警模塊組成。

1．STM32最小系統(tǒng)板

本設(shè)計采用的控制器是STM32，計算速度快，性能穩(wěn)定，具有8個16位定時器，兩個電機(jī)控制定時器，可以更好地控制多個電機(jī)，保證出貨的順利進(jìn)行。

2．網(wǎng)絡(luò)信息查詢模塊設(shè)計

該模塊實現(xiàn)的功能是消費者可以通過手機(jī)掃描茶葉對應(yīng)的二維碼查詢茶葉的詳細(xì)信息，如茶葉的產(chǎn)地、生長情況、功效等；網(wǎng)頁與下位機(jī)通信獲取下位機(jī)庫存信息，方便售賣機(jī)維護(hù)人員通過網(wǎng)頁查詢茶葉的銷量和庫存。網(wǎng)頁總體框架如圖1所示。

圖1 網(wǎng)頁總體框架

茶葉信息網(wǎng)頁需要進(jìn)行茶葉信息采集并獲取下位機(jī)庫存并生成二維碼，方便顧客進(jìn)行掃描查詢信息。

3．支付模塊設(shè)計

支付模塊有投幣支付和二維碼支付兩種支付方式，投幣支付流程見圖2。二維碼支付是調(diào)用微信和支付寶平臺完成訂單的創(chuàng)建，然后支付服務(wù)器將支付結(jié)果反饋給本設(shè)備。

圖2 投幣支付流程

壓力檢測模塊通過對1元硬幣、5角硬幣和1角硬幣的重量檢測實現(xiàn)硬幣的識別。TCS230顏色檢測模塊主要完成紙幣的面值識別，通過TCS230模塊識別紙幣的顏色，根據(jù)組成顏色的三原色不同從而分辨不同顏色（面值）的紙幣。紅外檢測模塊由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，該模塊實現(xiàn)紙幣的真?zhèn)舞b別。

4．出貨機(jī)構(gòu)設(shè)計

出貨機(jī)構(gòu)主要包括紅外檢測傳感器、測距傳感器、履帶貨道和自動升降貨架。

出貨機(jī)構(gòu)采用的傳感器有兩種。一是紅外光電對射管，用來檢測貨物是否從貨道落入自動升降貨架和是否進(jìn)入取貨窗口，并通過紅外光電對射管檢測到信號的次數(shù)進(jìn)行貨物儲量與銷量的數(shù)據(jù)采集。二是GY-53 VL53L0X激光測距傳感器，用來檢測自動升降貨架實時高度，實現(xiàn)自動升降貨架準(zhǔn)確停在某一高度的功能。通過L298N電機(jī)驅(qū)動芯片對貨道電機(jī)和自動升降貨架電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的驅(qū)動。

5．溫濕度模塊設(shè)計

該模塊設(shè)計如圖3，通過溫濕度檢測傳感器檢測售賣機(jī)內(nèi)部環(huán)境的溫度和濕度。如果溫度或濕度偏離預(yù)設(shè)值（茶葉儲存所需的溫度和濕度），STM32最小系統(tǒng)板便會控制制冷器或除濕器工作，使內(nèi)部環(huán)境的溫濕度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。

圖3 溫濕度檢測模塊框圖

6．報警模塊設(shè)計

報警模塊主要由壓力傳感器和蜂鳴器組成，當(dāng)箱體受到外力破壞時，壓力傳感器檢測到的壓力大于設(shè)定值，便會發(fā)送信號給控制器，控制器控制蜂鳴器報警。

二、硬件設(shè)計

1．機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用CATLA三維軟件對裝置主體機(jī)構(gòu)建模設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括裝置的外觀和出貨機(jī)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 多功能茶葉自動售賣機(jī)外觀

2．電源模塊設(shè)計

本設(shè)計采用了一塊電壓轉(zhuǎn)換模塊和一個DC12V的電源適配器將220V的交流電轉(zhuǎn)換成12V和5V的直流電，12V的直流電用于電機(jī)驅(qū)動的電源，5V的直流電用于主控芯片、紅外光電管以及測距模塊的供電。

3．按鍵設(shè)計

按鍵模塊是一個3X4的矩陣，消費者通過按鍵模塊對茶葉種類進(jìn)行選擇，按鍵模塊將選擇結(jié)果通過高電平的形式發(fā)送給控制器。

4．電機(jī)驅(qū)動設(shè)計

選用L298N為電機(jī)驅(qū)動模塊，該模塊主要用來驅(qū)動本設(shè)計的6個電機(jī)。驅(qū)動芯片是L298N雙H橋直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，可驅(qū)動2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時有效，當(dāng)使能信號為0時，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機(jī)處于制動狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動。該模塊使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，提高了該模塊的可靠性。

5．測距模塊設(shè)計

本設(shè)計用的測距模塊是GY-53 VL53L0X激光測距傳感器，該模塊通過紅外LED光發(fā)射出去到反射回來的飛行時間來計算距離，最后直接輸出距離。GY-53 VL53L0X激光測距傳感器的體積較小，測量距離長達(dá)2m，每秒可以測量50次，并且測量的速度和精度又快又高。本設(shè)計對于測距模塊與主芯片之間的通訊方式采用的是串口通信。

三、軟件設(shè)計

1．網(wǎng)絡(luò)信息查詢模塊的軟件設(shè)計

該模塊基于Flask框架，通過Python編程語言設(shè)計網(wǎng)頁，首先搭建Flask網(wǎng)頁框架，建立前端HTML，在前端函數(shù)中錄入茶葉基本信息，F(xiàn)lask框架與前端HTML交互，完成茶葉信息網(wǎng)頁的建立。

在茶葉庫存數(shù)據(jù)模塊，需要網(wǎng)頁獲取下位機(jī)庫存信息并顯示在茶葉庫存頁面。在該設(shè)計中，下位機(jī)與網(wǎng)頁通信主要通過STM32串口傳輸將庫存數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP8266，ESP8266設(shè)置AP模式，令其成為服務(wù)器，利用TCP客戶端將服務(wù)器中的數(shù)據(jù)接收并連接數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)寫入，然后通過Python中調(diào)用函數(shù)讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并顯示到HTML網(wǎng)頁上。

2．出貨機(jī)構(gòu)的軟件設(shè)計

該部分的軟件設(shè)計主要通過C編程語言，嵌入式開發(fā)等相關(guān)知識以及keil5開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程。如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

其中貨架電機(jī)指自動升降貨架的電機(jī)，貨道高度指所選茶葉儲存貨道的高度，高度0指取貨窗口的高度，即自動升降貨架的初始高度，履帶電機(jī)指自動升降貨架中傳送履帶的電機(jī)。

結(jié)語

本設(shè)計采用自動升降貨架輔助出貨和增加掃描二維碼查詢茶葉信息的功能。該設(shè)計在出貨機(jī)構(gòu)的設(shè)計上更加智能化，也給消費者提供了更好的人機(jī)交互體驗感，對于自動售賣機(jī)行業(yè)具有重要的研究意義。