武汉理工大学数电课设自动售货饮料机控制电路的设计与实现.docx
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武汉理工大学数电课设自动售货饮料机控制电路的设计与实现
课程设计任务书
学生姓名：
张亚男专业班级：
通信1104班
指导教师：
刘可文工作单位：
信息工程学院
题目:
自动售货饮料机控制电路的设计与实现
初始条件：
本设计既可以使用计数器、比较器、脉冲发生器等和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建。
用数码管、LED灯显示结果。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周。
2、技术要求：
1）售货机只接受5角和1元的硬币，可以用按钮代替硬币的投入。
投入硬币的总金额用两位数码管显示，最大投入金额为9.5元。
2）售货机可以自动出售3种饮料，售价分别是0.5元，1元和1.5元。
当顾客完成投币后，根据投入金额，各饮料对应的LED将亮起（如投入1元硬币，0.5元和1元饮料的LED亮起，表示可以购买0.5元或1元饮料）。
3）顾客根据自身需要按下各饮料对应的按钮，每按一次掉出一瓶饮料，两位数码管显示剩余金额，LED继续指示可购饮料的种类；
4）顾客按下“找零”按钮将使机器发出找零信号，两位数码管清零。
5）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
1、2013年5月16日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2013年6月27日至2013年6月29日，方案选择和电路设计。
3、2013年6月30日至2013年7月3日，电路调试和设计说明书撰写。
4、2013年7月5日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
本文详细介绍了自动售货饮料机系统的方案设计、硬件选择、软件规划和编写，并重点描述了自动售货机系统的工作原理、系统设计、软件编程的思路。
该系统以单片机STC89C52芯片为核心，采用集中控制方式实现了对自动售货饮料机全过程的自动控制。
本系统选择独立式键盘按键作为投币和货物选择端，用数码管实现了投币总数和余额的显示功能。
此外，系统程序采用keil软件进行程序的编写和编译，并用Proteus软件进行仿真，最后根据原理电路焊接实物并调试。
关键词:
自动售货饮料机STC89C52数码管显示Proteus仿真
Abstract
Thispaperdescribesavendingmachinesystemdesign,hardwareselection,softwareplanningandpreparation,anddescribesthefocusoftheworkvendingmachinesystemtheory,systemdesign,softwareprogrammingmentality.STC89C52inthesystemasthecorechip,realizestheautomaticcontrolofthevendingmachine’sentireprocessbyusingthecentralizedcontrolmode.Thestand-alonekeyboardkeysarechosetoinsertcoinsandchoosethegoodsside,theNixietubeisusedtorealizethefunctionofshowingthetotalnumberofinsertedcoinsandremainingsum.Inaddition,thesystemprogramusingkeilsoftwaretoprepareandcompileprocedures,andProteussoftwareisusedforsimulation.Atlast,thematerialobjectisweldedanddebuggedaccordingtotheschemacircuit.
Keywords:
TheVendingMachinesSTC89C52DigitalDisplayProteusSimulation
1总体方案设计
根据设计要求，自动售货饮料机主要由四个模块构成，即投币模块、选择购买模块、找零模块和显示模块（余额显示和可购买类型指示灯显示）。
按照此思路，可以用数字芯片设计，也可以用单片机系统设计，两种设计方案如下。
1.1方案比较选择
方案1：
电路从两部分输入，第一部分通过开关闭合模拟投币，投币后进入计数器74LS161和二进制全加器74LS283进行累加，通过数码管显示投币总值。
再通过数值比较器74LS85比较可以购买不同价格的饮料类型。
另一部分通过开关闭合模拟选择饮料，选择货物后用编码器和数码管显示饮料价格，最后将投币总值和饮料价格一起通过减法器，做差值后显示。
原理框图如图1-1所示。
图1-1方案一原理框图
方案2：
用单片机实现自动售饮料功能，通过编写程序来控制数码管上金额的显示和各种价格的饮料对应的LED灯显示，通过按键的操作来实现投币，买饮料和找零。
原理框图如图1-2所示。
投币
图1-2方案二原理框图
分析得出，方案一和方案二都可行。
但是，方案一需要使用74LS161，74LS283，74LS85等芯片，电路组成比较复杂，焊接电路花费的时间较长，不容易做出实物。
而方案二使用单片机思路清晰，电路简单易焊接。
综合考虑，我选择方案二。
1.2实现自动售货饮料机功能的总体思路
采用单片机系列中的STC89C52所组成的单片机最小系统作为中央控制元件。
投币模块：
用端口P1.0和P1.1作为投币输入端，分别表示投入0.5元和1.0元。
选择购买模块：
用端口P1.2、P1.3和P1.4作为选择购买输入端，分别表示购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料。
找零模块：
用端口P1.7作为找零输入端。
显示模块：
用端口P0.5、P0.6和P0.7作为可购买指示输出端，分别表示可购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料；用端口P2.0-P2.7作为显示输出端，连接数码管显示余额。
2硬件单元电路设计
2.1中央控制单元---单片机最小系统
2.1.1STC89C52的介绍
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制作技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
其引脚图如下图所示。
图2-1STC89C52引脚图
STC89C52RC引脚功能说明：
VCC（40引脚）：
电源电压
VSS（20引脚）：
接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（
）。
在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口的基本功能和P1端口相同。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3口的基本功能和P1端口相同。
在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/
（30引脚）：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时，此引脚（
）也用作编程输入脉冲。
（29引脚）：
外部程序存储器选通信号（
）是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，
在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，
将不被激活。
/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，
必须接GND。
注意加密方式1时，
将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令，
应该接VCC。
在Flash编程期间，
也接收12伏VPP电压。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
2.1.251系列单片机最小系统的介绍
单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。
它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。
51系列单片机最小系统见下图。
图2-251系列单片机最小系统
时钟电路：
XTAL1（19脚）：
芯片内部振荡电路输入端。
XTAL2（18脚）：
芯片内部振荡电路输出端。
XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。
图2-2中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。
一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。
在本实验套件中采用的11.0592M的石英晶振。
和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。
当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择（本实验套件使用30pF）。
复位电路：
在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。
5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
复位操作通常有两种基本形式：
上电自动复位和开关复位。
图2-2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。
上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。
随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。
并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。
一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。
图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替。
EA/VPP（31脚）的功能和接法：
51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。
当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。
在本实验套件中，EA管脚接到了VCC上，只使用内部的程序存储器。
P0口外接上拉电阻：
51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻。
所以在当做普通I/O输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。
2.2投币单元
用端口P1.0和P1.1作为投币输入端，分别表示投入0.5元和1.0元。
原理电路图如图2-3所示。
图2-3投币单元原理电路
如图所示，KEY_5为投入0.5元的按键开关，与端口P1.0相接。
KEY_10为投入1.0元的按键开关，与端口P1.1相接。
P1.0和P1.1初始置为高电平1，按下开关瞬间，接地置为低电平0，表示投入对应的硬币。
2.3选择购买单元
用端口P1.2-P1.4作为选择购买输入端，分别表示购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料。
原理电路图如图2-4所示。
图2-4选择购买单元原理电路
如图所示，KEY_buy5、KEY_buy10和KEY_buy15分别为购买0.5元、1.0元和1.5元饮料的按键，分别与端口P1.2-P1.4相连。
初始置为高电平1，按下按键瞬间，接地置为低电平0，表示购买对应金额的饮料。
2.4找零单元
用端口P1.7作为找零输入端。
原理电路图如图2-5所示。
图2-5找零单元的原理电路
如图所示，KEY_getchange表示找零，与端口P1.7相接。
P1.7初始置为高电平1，按下按键瞬间，接地置为低电平0，表示找零信号。
2.5显示单元
2.5.1可购买类型指示灯显示
用端口P0.5-P0.7作为指示灯显示输出端，分别连接LED灯指示0.5元、1.0元和1.5元的饮料可以购买。
原理电路图如图2-6所示。
图2-6可购买类型指示灯显示单元原理电路
如图所示，LED_A、LED_B、LED_C分别用来指示0.5元、1.0元和1.5元的饮料可以购买，分别与端口P0.5-P0.7相接，每个LED灯加一个100欧姆的限流电阻，然后接VCC。
P0.5-P0.7初始置为高电平1，此时LED灯截止，为熄灭状态。
当按键输入后经程序控制使P0.5、P0.6或P0.7为低电平时，对应的LED灯导通，为点亮状态。
2.5.2余额显示
用端口P2.0-P2.7作为余额显示输出端，连接译码器分别驱动两个数码管共同显示余额。
原理电路图如图2-7所示。
图2-7余额显示单元原理电路
一、元件选取：
显示元件选择了两个一位共阳数码管，并用74LS47译码器作为驱动。
二、元件介绍：
1、74LS47译码器
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。
74LS47为低电平作用。
管脚图如图2-8所示。
图2-874LS47引脚图
引脚功能：
（1）LT：
试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。
当LT=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，也就是七段将全亮,若驱动的数码管正常，是显示8。
（2）BI：
灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。
当BI=0时，不论LT和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。
（3）RBI：
灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。
当对每一位A3=A2=A1=A0=0时，本应显示0，但是在RBI=0作用下，使译码器输出全为高电平。
其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。
（4）RBO：
灭零输出，它和灭灯输入BI共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。
74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2-1列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。
表2-174LS47真值表
/
DCBA
abcdefg
说明
0
X
1
XXXX
0000000
试灯
X
X
0
XXXX
1111111
熄灭
1
0
0
0000
1111111
灭零
1
1
1
0000
0000001
0
1
X
1
0001
1001111
1
1
X
1
0010
0010010
2
1
X
1
0011
0000110
3
1
X
1
0100
1001100
4
1
X
1
0101
0100100
5
1
X
1
0110
1100000
6
1
X
1
0111
0001111
7
1
X
1
1000
0000000
8
1
X
1
1001
1001100
9
2、七段显示数码管
七段发光二极管是多种显示器中的一种，它可以直接显示出译码器输出的十进制数。
七段发光二极管显示器有共阳接法和共阴接法两种。
共阳接法就是把发光二极管的阳极都连在一起接到高电平上，输入低电平有效。
七段共阳显示器的外引线排列图和内部原理图如下。
图2-9数码管外引线排列图图2-10共阳数码管内部原理图
三、原理分析：
如图2-7所示，驱动整数部分数码管显示的译码器输入端A1-D1分别与单片机的端口P2.4-P2.7相接，驱动小数部分数码管显示的译码器输入端A2-D2分别与单片机的端口P2.0-P2.3相接。
编写程序控制端口P2.0-P2.7，并通过译码器驱动数码管显示对应的余额。
在实际电路中，译码器和数码管的对应端口间需加限流电阻，由于实际电路中VCC为5V，而发光二极管的工作电压一般在2V左右，故在实物焊接中，我选择用300欧姆的电阻作为限流电阻。
2.6原理总图
用中央控制单元--单片机最小系统控制投币模块，选择购买模块，找零模块和显示模块，设计出整体原理图如图2-11。
图2-11整体原理图
3软件设计
3.1软件简介
3.1.1Keil简介
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
3.1.2Proteus简介
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
另外，Proteus还有以下功能
（1）互动的电路仿真，用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其外围电路：
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
其功能模块有4部分组成：
智能原理图设计（ISIS）；完善的电路仿真功能（Prospice）；Prospice混合仿真；独特的单片机协同仿真功能（VSM）
在Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台
使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计,是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于
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