电子元件自动售货机设计实现

　　电子测量技术电子元件自动售货机设计实现张晨亮王文凌云峰毕涛（海军航空工程学院基础的设备和模块。

　　中，人机交互设备包括输入键盘和液晶显示器，输入键盘用于学生输入所需的元件编号和数量，液晶显示器根据学生的操作显示提示信息并引导学生完成投币、取元件和找零等操作；单片机（MCU）用于对从各种外设获取的信息进行处理，根据内置各种算法控制执行机构动作，从而完成整个元件售卖流程；状态采集模块用于监视和获取自动售货机的工作情况，主要有：执行机构运行是否正常，元件是否正常掉落到取件区等；执行机构主要包括货道电机阵列及其驱动板。CPU可以根据键盘输入的元件编号，控制驱动板使直流减速电机旋转，将元件输送至取件区。作为售货机的*终执行机构，电机阵列及其驱动板的可靠性直接关系到元件的可靠售卖；此外，连接单片机与各类外设需要一种可靠的通信协议，MDB（Multi-DropBus）通信协议是欧洲售货机制造者协会制定的用于协调自动售卖机的主控制器（VMC）与多个外设之间通信的协议，由于其简洁明了，功能强大，可扩展性强，并且对外设数目没有限制，成为理想的自动售卖系统内部总线协议。由于电子元件自动售货机也属于自动售卖系统，因此本系统采用MDB通信协议。MDB通信总线联接了硬币器、刷卡器等单元，通过MDB通信口可以获知学生的投币金额并控制外设进行找零等操作。

　　3执行机构设计执行机构包括直流减速电机、电机驱动板、光电检测电路以及机械货道。执行机构接收单片机指令后，直流电机应精确动作，把元件正确地送到取货区。由于电子元件种类繁多，本设计共有128个货物通道，每个通道都配备一个直流减速电机。此外，电子元件大小不一，形状各异，机械货道在机械结构上应具有良好的兼容性，下面首先给出机械货道的设计方案。

　　3.1机械货道结构设计由于机械货道必须兼容不同大小和形状的电子元件，因此，机械货道可采用由直流减速电机驱动的带式货道，如所示。

　　元件按型号分为若干类别，每类配备相应尺寸的带式货道，带式货道上设有隔断，并在每个隔断旁开有圆孔，圆孔用于光电检测和带式货道转动定位。隔断中间放置元件，在光电传感器的检测下，传送带每转动一个隔断，即可送出一个元件。采用此设计的机械货道具有工作可靠、元件形状兼容性好、装载元件数量多等优点。

　　3.2直流电机驱动板设计电机驱动板在设计上要能驱动128个24V的直流减速电机，而且还要有异常状态检测及停机报警功能。考虑到直流电机数量多，单片机不能给每个电机单独分配一个控制I/O，因此，本设计采用16X8的矩阵式电机控制方式，如所示。

　　行驱动采用2片74HC595级联，构成个16位的移位寄存器，由于直流电机的正常工作电流为50400mA，74HC595芯片无法直接驱动此电机，因此74HC595只用作逻辑输出，功率驱动由东芝出品的8入8出的高电压大电流达林顿阵列ULN2803外加大功率三极管丁IP127实现。由于ULN2803的灌电流*高可达500mA，因此，列驱动可直接采用一片ULN2803.行驱动控制信号由单片机产生，由于74HC595的接口为标准串行接口（SPI），因此，可以利用单片机模拟SPI时序w，其中，SI为数据线，SCK为数据输入时钟线，当其为上升沿时，可把SI上的数据输入74HC595.RCK为输出存储器锁存时钟线，当其为上升沿时，可把存储寄存器的数据输出到总线。

　　直流电机是感性元件，并且数量众多，当电机断电后，为了能够有效释放电机中残存的电能，以防对驱动电路造成损坏，必须在电机输入端并联一个续流二极管，本设计采用1N4007，中二极管未画出。

　　3.3光电传感器电路设计光电传感器用于带式货道的精确定位。带式货道上开有圆孔，如所示，光电传感器发射的红外光可透过小孔，孔外不透光。当带式货道转动时，光电传感器交替导通与截止，该信号可被单片机检测并计数，从而控制带式货道精确转动格，并送出个元件。光电传感器电路如所示。

　　在中，光电传感器电路主要由红外发光二极管、光敏三极管以及电压比较器LM339组成。红外发光二极管正向导通后不断发射出红外线，红外线可透过带式货道上的小孔被光敏三极管接收，三极管由截止状态变为饱和状态，因此，LM339正端由高电平变为低电平。当LM339负端电压小于正端电压时，其输出高电平，当LM339负端电压大于正端电压时，其输出低电平，此电平信号送给单片机的I/O口进行检测。

　　3.4电机堵转检测电路设计电机堵转检测电路主要用于发生堵转时保护电机及驱动电路。在中，电机的列驱动电路中分别串接了个3fl的电阻，电机正常工作的电流为50400mA，3n电阻上的电压约为1551200mV，此电压输入由LM339组成的电压比较器，如所示。

　　中电压比较器的工作原理与相同，这里不再赘述。当电机发生堵转时其工作电流会大大超过400mA，相应其输出的电压也会超过1200mV，此时电压比较器会输出低电平，同样用单片机的I/O口检测此电平即可判断电机的工作状态是否正常。

　　4售货机控制器程序设计控制器是电子元件自动售货机的神经中枢，控制器软件分为主程序和驱动子程序，主程序负责自动售货机所有业务流程的生成，如所示，包括人机界面、元件选择、支付、找零、出件等功能，其中所有流程都设有异常检测功能，当售货机出现异常时，主程序马上会进入异常处理子程序。

　　驱动子程序包括液晶显示屏驱动、键盘驱动、电机驱动、MDB总线驱动、E2PROM驱动等子程序。下面以电机驱动子程序为例进行程序设计，不失一般性，其他子程序的设计可本方法。

　　由上文可知，电机采用阵列式驱动，行驱动采用单片机模拟SPI协议，列驱动采用单片机的8位I/O口直接控制ULN2803实现。为了方便实现电机控制，可把电机位置编号作为电机地址，比如第1行第1列电机的编号为1，第16行第8列电机的编号为128，此地址编号可作为电机驱动子程序的入口参数进行传递，当电机驱动子程序接收到电机编号参数后，根据编号数分别给相应电机驱动电路的行列输入选通数据，其中列驱动可由单片机的I/O口直接控制ULN2803实现，行驱动需要单片机通过SPI协议传输选通数据到74HC595实现。电机驱动子程序的流程如所示。

　　5实例验证将该售货机用于我院电工电子实验中心电子创新实验室以验证系统的有效性。该实验室每年承担大学生电子设计竞赛和我院“创新之路”活动的培训工作，是学生主要的实践场所，学生人数每年可达300多人。由于学生人数众多，实践项目类型多样，电子元件的管理一直以来是该室的难题。售货机从2013年5月开始投入工作，共设计了128个货道，分别放置常用集成电路和价值较贵重的电子元件，要求元件的体积不大于6cm（长）X3cm（宽）X5cm（高），每个货道设有20个元件存位，对于用量较多的元件，可以分多个货道存放。售货机的支付系统采用投币模式，按照我院学生实践活动经费资助标准，给每个学生免费资助一定金额的硬币，超出的部分由学生自费。

　　自启用以来，电子元件自动售货机无故障运行时间累计达到6000h，共服务学生人数328人，售出各类元件共计2321只，未出现售错元件的问题，学生取元件的时间比传统手工时间平均缩短了3min，元件浪费的数量比以前明显降低，共节约元件费用达到3 000多元。

　　从以上测试结果可以看出，该电子元件自动售货机性能稳定，售货可靠，不但提高了实验室的管理水平，而且产生了明显的经济效益，其各项性能指标达到了设计要求。

　　6结论研究了电子元件自动售货机的原理，给出了电子元件自动售货机的总体设计方案，对机械货道、直流电机驱动板、光电传感器电路、电机堵转检测电路等主要部件进行了设计。以此为基础，研究了电子元件自动售货机控制器程序总流程并以电机驱动子程序的设计方法为例进行了子程序的设计。经过运行测试，电子元件自动售货机工作可靠，操作方便，其有效促进了实验室的开放管理，提高了学生创新能力的培养质量。