北邮数电实验下 简易自动售货机 实验报告.docx

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北邮数电实验下简易自动售货机实验报告

2013~2014第一学期

数字电路与逻辑设计

实验报告

一．设计课题及任务要求

1.设计课题：

简易自动售货机

2.任务要求：

设计一个简易的自动售货机,能够完成钱数处理、找零、显示、退币等功能。

基本要求:

·用2个数码管（disp5,disp4）显示钱数,以元为单位。

用3个按键（btn0,btn1,btn2）分别表示一元、五元、十元,每按一次按键,增加一次相应的钱数,上限99元。

·再用3个按键（btn3,btn4,btn5）分别对应3种商品,其中,商品甲售价3元、商品乙售价8元、商品丙售价12元;

· 买东西时,先输入钱币,再按对应的商品键。

每按一次商品键,钱数要相应地减少,同时蜂鸣器提示购买成功。

剩余钱数大于3元可继续按商品键再次购买;当剩余钱数少于3元时,表示钱数的数码管disp5,disp4显示为零,同时用数码管disp0显示退出的钱数。

·买东西时,按下商品键,若输入的钱数少于商品的价格,表示钱数的数码管disp5,disp4显示为零,同时用数码管（disp1、disp0）显示退出的钱数,并用蜂鸣器表示购买失败。

·按下商品键时,用数码管disp2表示当前购买的商品,1代表商品甲,2代表商品乙,3代表商品丙。

·用btn7做为退出功能键,退出键可以随时按下,按下后,数码管（disp5,disp4）显示为零,同时数码管（disp1、disp0）显示退出的钱数,表示结束购买,钱款全部退出。

提高要求:

·用点阵设计显示投币动画、出货动画,购买成功/失败动画;


·允许随时输入钱币,购买时,钱款不足有声光报警并等待追加钱币或选择别的商品;

二．系统设计

1.设计思路

根据程序实现的功能，可将其分为分频、防抖、逻辑运算、数码管显示、点阵图形显示五大模块。

将其串联起来即可完成整体功能。

其中，分频模块将芯片50M的时钟信号分为各模块所需的不同频率的时钟。

防抖模块用增加按键延时以避免长按按键执行多次指令的情况，逻辑运算模块对余额进行加减计算实现要求中加钱、买东西等功能。

数码管显示模块把运算模块的结果通过数码管进行显示。

在购买失败时，使能点阵图形显示模块及蜂鸣器，令点阵显示“X”来提示错误，同时蜂鸣器响。

2.程序框图

是

是

否

否

BTN7

BTN（3~5）

BTN（0~2）

3.分块设计

以下五个模块通过敏感信号串联，实现完整功能。

·分频模块：

分频器的原理是对输入的时钟信号脉冲进行计数，（占空比为50%时），在计数达到模值一半时，输出信号翻转，从而完成输出频率比输入信号低的脉冲，即分频。

在本实验中，防抖模块需要用到200Hz时钟，数码管需要50KHz时钟，点阵需要2.5MHz时钟。

通过设置时钟翻转时temp的值来改变分频比N。

[N=2*（temp+1）]

·防抖模块：

在程序执行过程中会持续扫描按键输入，当按键持续按下时则会进行多次信号输入，但实际情况只按下按键一次。

为避免此问题，需要使按键信号输入到之后程序前通过防抖模块，即用一个模20计数器计数时钟周期，在一个周期内只输出一个有效电平。

·逻辑运算模块：

此模块是算法的核心模块。

以200Hz时钟和七个按键作为输入，设置变量sum和money0、money1（余额的各位和十位）。

当检测到btn0~btn2之一按下时，根据对应按键判断sum，若大于等于99、95、90，则余额显示99，若小于该数，sum加上1、5、10元（99元封顶）。

同理，btn3~btn5之一按下时，判断sum，若大于等于3，扣除相应钱数，若小于3，退出钱数sum赋值给disp0。

同时，购买商品种类1、2、3赋值给disp2。

当btn7按下时，disp1和disp0显示sum，同时disp2、disp4和disp5清零。

其中，数码管的赋值用sum做除法及取余后得到的money1和money0实现。

·数码管显示模块：

首先使用分频系数为1000的分频器产生50KHz的时钟。

用模5计数器产生5个计数状态，决定数码管接通的电路和二极管点亮的数字，在时钟频率很高时可以同时显示5个数字。

将逻辑运算模块中赋值过的disp0、disp1、disp2、disp4和disp5赋值给DOUT7，数码管选通信号赋值给CatL。

·点阵图形显示模块：

首先使用分频系数为20的分频器产生2.5MHz的时钟。

r为模8计数器，产生8个计数状态，决定点阵选通的行和该行中点亮的点（行低电平选通，列高电平选通）。

当扫描频率达到一定大小时，8x8点阵会同时点亮。

三．仿真波形及波形分析

由于整个程序功能较复杂，故进行分块仿真。

1.分频模块仿真

由于50M时钟频率太高，在仿真时对输入时钟频率和分频系数做了修改。

（f=500KHz，分频系数N=10）。

仿真图如下，实现了分频。

2.防抖模块仿真

在仿真时，需将endtime设置长一些，才能看到防抖的结果。

仿真图如下，延时为100ms。

持续按下btn1，仅输出一个有效脉冲。

3.逻辑运算模块仿真

可以看到当按下不同按键，sum的值会相应按键功能进行加减。

例如，按下btn0时，sum为1，再次按下btn0，sum累加为2。

4.数码管显示模块仿真

输出为0、1、2、4、5。

扫描频率高时，五个数码管循环一起显示数字。

5.点阵图形显示模块仿真

点阵模块仿真类似数码管仿真情况。

扫描频率高时，八行点阵循环一起显示。

四．源程序

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

useieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITYsIS

PORT（bn0,bn1,bn2,bn3,bn4,bn5,bn7:

INSTD_LOGIC;--按键输入信号

clk,reset:

INSTD_LOGIC;--50M时钟输入信号

DOUT7:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;--数码管七段选通信号

CatL:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;--数码管选通信号

col,row:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--点阵行列选通信号

beep:

outSTD_LOGIC--蜂鸣器输出信号

）;

ENDs;

ARCHITECTUREbehaveOFsIS

SIGNALdisp0,disp1,disp2,disp4,disp5:

STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;--数码管选通信号

SIGNALbtn0,btn1,btn2,btn3,btn4,btn5,btn7,enable:

STD_LOGIC:

='0';--通过防抖模块后各按键

SIGNALclk_50k,clk_200,clk_2500k:

STD_LOGIC;--50MHz、200Hz、2.5MHz时钟信号

SIGNALQ:

STD_LOGIC_VECTOR（3downto0）;--数码管显示模块模5计数器

SIGNALtemp1:

INTEGERRANGE0TO499;--时钟计数器

SIGNALtemp2:

INTEGERRANGE0TO9;--时钟计数器

SIGNALtemp:

INTEGERRANGE0TO124999;--时钟计数器

signalr:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--点阵中间变量

SIGNALcount_BTN0:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

SIGNALcount_BTN1:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

SIGNALcount_BTN2:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

SIGNALcount_BTN3:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

SIGNALcount_BTN4:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

SIGNALcount_BTN5:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

SIGNALcount_BTN7:

INTEGERRANGE0TO20;--防抖计数器

BEGIN

p1:

PROCESS（clk,reset）--200Hz分频

BEGIN

IFreset='0'THEN

temp<=0;

ELSIFclk'eventANDclk='1'THEN

IFtemp=124999THEN--分频系数（124999+1）*2=250000

temp<=0;clk_200<=NOTclk_200;

ELSE

temp<=temp+1;

ENDIF;

ENDIF;

ENDPROCESSp1;

p2:

PROCESS（clk_200,bn0）--btn0防抖（5ms*20=100ms）

BEGIN

IF（clk_200'eventANDclk_200='1'）THEN

IF（bn0='1'）THEN

IFcount_BTN0=20THEN

count_BTN0<=count_BTN0;

ELSE

count_BTN0<=count_BTN0+1;

ENDIF;

IFcount_BTN0=19THEN

btn0<='1';

ELSE

btn0<='0';

ENDIF;

ELSE

count_BTN0<=0;

ENDIF;

ELSE

ENDIF;

ENDPROCESSp2;

p3:

PROCESS（clk_200,bn1）--btn1防抖（5ms*20=100ms）

BEGIN

IF（clk_200'eventANDclk_200='1'）THEN

IF（bn1='1'）THEN

IFcount_BTN1=20THEN

count_BTN1<=count_BTN1;

ELSE

count_BTN1<=count_BTN1+1;

ENDIF;

IFcount_BTN1=19THEN

btn1<='1';

ELSE

btn1<='0';

ENDIF;

ELSE

count_BTN1<=0;

ENDIF;

ELSE

ENDIF;

ENDPROCESSp3;

p4:

PROCESS（clk_200,bn2）--btn2防抖（5ms*20=100ms）

BEGIN

IF（clk_200'eventANDclk_200='1'）THEN

IF（bn2='1'）THEN

IFcount_BTN2=20THEN

count_BTN2<=count_BTN2;

ELSE

count_BTN2<=count_BTN2+1;

ENDIF;

IFco