论文总字数：17308字

摘 要

本论文给出了基于单片机的自动售货机系统的设计。该系统能够自动的销售货物并通过LED显示屏显示相关信息。当不能实现交易时，系统能够发出声光报警，提醒顾客。本文设计了一款以STC公司出品的89C52单片机为核心的自动售货机，并且着重详细地介绍了自动售货机的整体系统设计方案、硬件选择基础、软件使用方法及技巧。以89C52作为中央处理单元连接各个功能模块；以键盘作为输入控制模块对货物进行种类的选择；以槽型光电耦合器监测硬币的投放；当前的购物状态以及货币信息都会在LCD1602液晶显示模块上显示；以LED的显示来表示当前选择的货物以及出货的状态给顾客更加直观的感受。在原理图的绘制上通过使用绘图工具Protues7.5，根据绘制完成后的单片机电路原理图进行连接布线连接各个模块；软件编程方面我们使用Keil uVision4专业编译软件完成源程序编译和调试，检查无误后，最终进行自动售货机的实验电路仿真来模拟自动售货。结合工作原理、系统设计、软件编译和实验仿真来实现自动售货这一相关功能。

关键词： 单片机自动售货系统；槽型光电耦合器； 单片机；LCD1602

Microcontroller-based vending machine

Abstract

This paper presents a design of automatic vending machine system based on mcu. The system can automatically display the sale of goods and related information through the LED display. When can not realize the transaction, system can send out sound and light alarm, to remind customers.

The designed a produced by Intel 89C52 microcontroller as the core vending machines, and emphasizes the detailed description of the overall system design of the vending machines, hardware options, software and the use of methods and techniques. As 89C52 CPU processing unit connected to the various functional modules; keyboard as an input control module of goods, the choice of the type and number of input and analog currency; LCD1602 LCD as the display module to display the current state of shopping as well as currency state; LED display indicates the current selection of goods and shipment status. By the Protues7.5 microcontroller circuit diagram connecting wiring each module; complete source code to compile and debug then the Keil uVision3 professional compiler software, eventually vending machine experiment circuit simulation to simulate the automatic vending. Combined with the working principle, system design, software compiler and experimental simulation to achieve automatic vending related functions.

Keywords: SCM Vending System; Tank Type Photoelectric Coupler;LCD1602; Ranging

目 录

基于单片机的自动售货机 I

摘要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1课题的提出 1

1.2课题研究的现状和发展历史及意义 1

1.3售货机的工作原理 2

1.4系统的设计思路 2

第二章 系统整体设计 4

2.1总体方案设计 4

2.2系统组成 4

2.3方案论证与比较 4

2.3.1电源模块的分析与比较 4

2.3.2 显示模块的分析与比较 5

2.3.3货币识别模块的分析与比较 5

2.3.4单片机控制模块的分析与比较 5

第三章 硬件电路设计 6

3.1 单片机模块 6

3.2 槽型光电耦合器检测模块 7

3.2.1 光电耦合器工作原理 7

3.2.2槽型光电耦合器的优点 8

3.2.3 实物图： 8

3.2.4内部电路示意图： 9

3.2.5 H92B4实物规格： 9

3.2.6 光耦响应时间测试电路图： 10

3.2.7 H92B4的接线图： 10

3.3 稳压电源模块 10

3.4 LCD1602液晶显示模块 12

3.4.1 LCD1602主要技术参数： 12

3.4.2 引脚功能说明: 12

3.4.3 电路图设计： 13

3.5报警电路模块 13

第四章 软件设计 16

4.1软件的使用 16

4.2主程序流程图 17

第五章 制作与调试 19

5.1 制作流程 19

5.2 调试 19

5.3 调试结果 20

附录一 原理图 23

附录二 程序代码 24

附录三 实物图 28

第一章 引 言

1.1课题的提出

如今经济的迅速发展，以往固定地点人员售货的传统方式已暴露出诸多的缺陷；人力资源的需求量日益增多；由于所需服务场所，地理位置的限制；最重要的是服务时间上的限制，以往的方式不能全天候的服务消费者。这些难题的解决归功于自动售货机的出现。售货机可以销售的货物品种繁多，生活的覆盖面广，效率高，可全天24小时不间断运营；售货机占地面积较小，所以售货的选址容易，且方便改换场地；投资商可以全职经营，亦可兼职经营；机器的外围还可以作为广告的载体；投资风险低，收益高。服务人员只需及时取走货币并且添加商品。众多的优势使得自动售货机在全球范围如同雨后春笋般的涌现出来。

自动售货机是一种智能化产品，最核心部分是其控制系统，它的核心是以单片机为主体的自动控制系统，主要监控各种外设协调各个部分相互作用，它集单片机技术、人机交互的显示技术、货币识别技术、和GSM网络互联技术于一体，按照软件设置的销售方式来完成整个销售过程。此售货系统由于使用了STC89c52的单片机、结构简单故可靠性高、功能较强，只需人员定期维护即可正常工作，因此智能收货系统在生活中被广泛的应用于各大商场中，智能自动售货机人性化的设计将很快的占领中国市场。

1.2课题研究的现状和发展历史及意义

在此前的亚洲自动售货机展会上，曾有一个公司的副总裁说过，中国的自动售货业发展潜力不可估量。

如今，在全世界范围内自动售货机已发展的千变万化，自动售货机也正在逐步走向信息化从而进一步实现合理化，现在的联网通信方式，除了可以通过电话网络亦可使用宽带网络，将售货机中的库存信息及时的传送到各后勤的电脑中，从而确保货品的正常供应，使得商品的推送和商品的补充更加高效。此外，为防止全球变暖并且从能源节约的角度出发，自动售货机的研发着重于能源的节省，节能型绿色售货机成为当今行业的宠儿，例如在夏季消耗电能的高峰期，这种新开发的售货机可以在低功耗的情况下，维持室内温度，相比过去的机型节能效率大大的改善。至少节约10%-20%的日常用电，未来能源负担的日益加重，售货机的发展必须走一条节约资源和能源高效的道路。我们也坚信该行业会在信息化节能化方面做出不懈努力。

随着人们生活节奏的加快，人们日益加重的的时间观念。如今的商品发展走向了一条快捷、高效的道路。商家们抓住了消费者这种需求，研发出的新款的机型由传统的高耗能机型变成如今节省资源及高功能化的产品，当洋快餐风靡中国的时候，科技的发展和人们物质生活水平的改善，自动售货机也逐渐成为人们生活中不可或缺的一部风。自助购物也逐渐成为人们争先追捧的新的消费时尚。科技引领发展，多元化的新品机型也遍布人群所有集中的区域以满足人们追求高品质的生活需要，在车站的候车大厅，写字楼大厅，所有繁华的商业区都能看到它们的身影。于此同时机身上多彩绚烂的广告植入也让人们有着耳目一新的感觉，它是我国生产技术和文化编织的产物。售货机已然成为城市生活中一道绚丽多彩的风景。售货机的出现同时大大缓解了人力资源的不足，它提供的快捷也是人类服务员不能给予的，24小时全天运营无疑更加省力，节约了资本，也不会因为售货人员人为的情绪波动影响交易。自动售货机当然更加适应消费模式的变化。其诞生更加符合现代建设，提升城市的整体形象，服务群众，高效便捷。以往固定地点人员售货的传统方式已暴露出诸多的缺陷；日益增加的劳动力成本导致劳动力的匮乏；况且以往的零售店由于所需服务场所的租金高，地理位置的限制；24小时不打烊的经营方式虽可获得部分利润，但是夜间的顾客毕竟数量不多，会导致成本的上升。这些难题的解决归功于自动售货机的出现，我们相信21世纪的售货机会朝着监控智能化，服务人性化，操作简单化，节能环保化方面发展。

1.3售货机的工作原理

图 1.1 自动售货机工作时序图

售货机的工作原理如图1.1所示：

1. 当顾客投入货币，此时传感器检测采集数据，识别和判断货币真伪，并判别面值。
2. 货币识别器将收集到的信息数据发送到通信模块。
3. 通信模块与售货机的主控制系统通信，随后主控制系统将相关信息发送到显示模块。
4. 显示模块处理相关信息，显示商品面值，和系统当前所接收金额。
5. 顾客选择商品后，机器启动电机将商品送出，顾客在取货口取走商品。
6. 显示余额，如果所剩金额足够，顾客可以选择继续购物或者退出货币。
7. 如果余额不足，顾客若想选择继续购物，则可在投币口继续增加金额或者退币。
8. 完成找零后，系统复零，结束本次交易。

1.4系统的设计思路

本次设计根据市场需求，设计思路如下：

顾客在售货机上可选择多种商品，初步设计将价格分为5类，分别为1元、2元、2.5元、3元、4元。每种价格对应多种商品，顾客可以根据相应价格选择相应货物。

系统的硬币检测模块我们利用传感器检测，可以检测1元和5角硬币。

当顾客投入的硬币达到成交值时，系统会显示“No longer Coin!”字样。如果顾客继续投币，系统会发出一个LED灯光闪烁信号提醒顾客。

当顾客投入的总金额大于商品价格时，系统发货然后找零；当顾客投入的总金额等于商品价格时，系统发货然后重置；当顾客投入的总金额小于商品价格时，系统发出声光报警，提醒顾客，并在显示屏上显示“Lack of money!”字样。

随后系统发货，每次发货控制器中的商品出货数量自动加一，当销售完库存的商品，系统提示“empty”,顾客此时不能选择此类商品，交易完成后，系统重置。

该自动售货机设计采用了主控制器型号为STC89C52的单片机，通过光电耦合传感器来测量硬币投入口是否投入货币并且计算数量在LCD1602液晶屏上显示，声光报警器报警并提醒顾客继续投币或者退币。

设计思路的最终确定：

1. 本次设计我们选择了芯片STC89C52，该芯片能满足我们拧定的方案，设计的第一步，我们要利用所学的制图软件绘制电路的原理图。本次设计硬件部分，我们需要用到货币识别的传感器、单片机最小系统、显示电路、电源的稳压电路以及蜂鸣器报警电路。

2、根据设定的功能，我们接着利用c语言编程软件Keil完成主要功能模块的软件设计，编程结束后分别对各个模块的程序进行调试，调试结果过程记录实验现象。多次模拟仿真实验，确保系统稳定运行。

3、根据已经完成的硬件和软件部分，做出了基于单片机的自动售货系统，能够实现自动的人机交互，计算金额，发货及找零。产品出来后，需多次调试，记录每次调试过程。

第二章 系统整体设计

2.1总体方案设计

本次售货机设计以STC89C52单片机为核心，由外接5V电源供电。货币检测模块是通过让红外线传感器发射信号。红外波传播由另一端的红外线接收器接收发射信号，货币通过凹槽时，阻断红外线的传输，传感器向单片机输出低电平。此时单片机内部货币数量计算程序自动加一，并启动1602液晶模块显示其数值，同时，当符合发货条件时进行发货，不满足条件则进行退币程序。

2.2系统组成

本设计的系统组成大致可分为7个部分，其相互之间的关系如下：由电源电路给STC89C52单片机供电、当出现中断时用来恢复系统的复位电路、出现错误操作时单片机向报警电路发出信号以提醒顾客的报警电路、单片机向传感器模块供电，检测货币的红外线传感器接收到货币给单片机提供信号、显示相关信息的LCD1602液晶显示电路和系统发货时的发货指示灯电路。

系统结构框图如图2.1所示：

图 2.1 系统结构框图

2.3方案论证与比较

2.3.1电源模块的分析与比较

由于本次系统设计中有单片机最小系统模块、单片机下载模块、传感器模块、处理电路模块等都需要用到5V的电源，所以电源在本系统中有着比较重要的地位，它是整个系统能够正常工作的保证。

方案一：采用3节1.5V干电池供电。电池串联电压可达到4.5V，由于单片机的工作电压是5V所以需要经LM2941稳压成5V给单片机供电。

方案二：采用3.7V的锂电池供电，使用升压模块即可得到5V的电压，为单片机、传感器等供电。锂电池会增加成本，价格较贵。

综上所述：我们选择锂电池供电。干电池虽然成本低廉但是不符合可持续发展的理念，锂电池同样能给电路供电，而且续航能力更加持久，可反复使用。

2.3.2 显示模块的分析与比较

方案一：12864液晶模块可以显示相关文字，12864像素为128*64，能显示8*4个汉字，较大的屏幕可以显示更多数据，也可显示图像效果，可清晰读数，但12864液晶模块的价格贵，其价格是1602的几倍，接线比较复杂。

方案二：1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，若采用LCD1602液晶模块来显示所测的数据，能满足本设计的显示需要，而且价格远远低于12864液晶模块的价格。LCD1602液晶接线比较简单方便。

综上所述,我们选用的显示模块是LCD1602液晶显示模块。

2.3.3货币识别模块的分析与比较

方案一：采用槽型光电耦合器，顾名思义，其外形由两根红外装置对立中间部分空缺，形成凹槽，故此得名。外部两根柱子一根是红外发射装置，另一根是红外接收装置。中间凹槽可以通过被检测物体，被检物体可包括金属、纸张、玻璃等各种装置。由于检测方式是利用红外线持续对射的原理，当有物体通过时，会中断红外的照射，传感器此时向外输出信号。由于检测过程，被检物体不会与传感器接触，因此很好的保护了被检物体，同时也不会因为接触了被检物体从而影响检测结果。除此之外利用红外检测物体也不会因为光照影响检测准确性，红外的远距离传播，使得该传感器能检测距离较长。

方案二：超声波检测也称为超声波范围测量，已经发明了数十年。它使用超出人类听力范围的高频声波，其典型频率为40kHz。超声波传感器的发射头会发出一连串的短促声波。这个声波会从物体反射回来，然后被接收头接收到（接收头或与发射头整合在一起，或者是单独封装）。随后，电路会计算发射和反馈回来的时间，然后得到距离。如果有一个现成的超声波模块以及一个微控制器（如Arduino等），微控制器负责求解发送和接收到回声的时间差，那么这个工作就会变得非常简单。虽然超声波可以用来检测硬币的厚度，但是其昂贵的市场价格，和较低的作用，使得此处不适合用到超声波检测系统。

综上所述，我们选择槽型光电耦合器。

2.3.4单片机控制模块的分析与比较

方案一:AT89S52单片机，其数据存储空间是STC89C52的一半，而且不带EEPROM存储空间，最主要的是AT的单片机不自带下载口，相比方案一中的单片机直接用串口下载。AT的单片机就明显麻烦的多。

方案二：采用单片机作为系统的控制核心。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。由于单片机数学运算功能较强，在程序相互调用方面，方便灵活，性能方面比较稳定，适合实际应用，而且目前单片机技术发展较为成熟，价格比较便宜。另外，单片机软件编程较为灵活，可以用软件编程来实现各种算法控制和逻辑控制。

综上所述，采用方案二比较合理。

第三章 硬件电路设计

3.1 单片机模块

本文中单片机周边还使用了晶振电路模块、复位电路模块，该模块中使用的晶振12MHZ，单片机的输入端可以同时接入多个各个模块的接口，模块化设计既能将各个独立的模块连接起来共同协作又能相互阻隔互不干扰，整个系统不但具有灵活性和还具有自由性。同时也极大的降低系统的复杂性。

当今的科学发展速度是很快的，人们的生活要求也不断提高，这样就要求单片机集成更多的功能电路，这样单片机就变得功能越来越多。单片机随着集成的不断发展发展朝着片上系统的发展趋势，单片机功能强大具有很多的优势具有功能强大、体积小、功能损耗低、性价比高、易于使用等优势，以至于被广泛使用，其中被广泛应用的领域包括电子行业、仪表行业、智能电器行业、节能装置行业，工业控制行业、机器人等行业被广泛应用，随着单片机的使用使产品趋于智能化、便携化，不但提高了质量还提高了效率，同时还降低了生产成本，在温度控制系统中使用单片机使得电路设计变得简单，在简单的同时还向着智能化，人性化的方向发展，以便可以满足控制的要求。

此自动售货机的核心控制器件是STC89C52单片机，属于MCS-51系列。STC89C52单片机是一种功耗低、性能高的8位CMOS微控制器，它的Flash存储器容量有8K。另外，STC89C52单片机虽然与AT公司的80C51型号不同，但是它与工业上80C51产品的指令和引脚完全是兼容的。其很好的兼容性同样能满足我们的需求。

除此之外，之所以选此单片机是因为AT89C51不带ISP下载，如果想要下载程序会用到下载器才行，然而STC89C52可以用直接使用USB转串口下载，下载方式也比较多，平时的学习中也有接触。STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍。另外STC单片机对工作环境的要求比较低，相比AT的就对环境较为苛刻，电压低于5伏时就不能正常工作，STC的单片机电压低于额定电压时仍然正常工作，甚至3V到4V之间都可以工作。根据STC众多的优势，因此选用的是STC89C52。

图3.1 单片机最小系统模块

3.2 槽型光电耦合器检测模块

3.2.1 光电耦合器工作原理

传感器通电后，由于输入端通入电信号使其发光源发光，发出人眼不能识别的红外波，光线的强弱与电流的大小成正比，当光照射到槽型另一端的受光器后，通过光电效应产生对应的电流，经过受光器输出，这样就实现了电-光-电之间的相互转换。传感器主动发射红外线，根据反射光探测，如果探测到障碍，OUT脚输出0，否则正常工作时引脚的输出为1。

工作电压：3.8v-5.5v 工作电流：5v电压时，流过传感器的典型电流6ma 输入输出信号（3线) ：VCC GND OUT 其中VCC 是电源，VCC的范围是3.8v-5.5v

该槽型传感器的障碍探测时间是指通电后红外装置从无障碍目标检测到出现障碍，或者是通电后有障碍到障碍目标消失的时间lt;=21ms，该正常工作的前提是在有效探测范围下的实验结果。

3.2.2槽型光电耦合器的优点

如今，非接触式的传感器系统已在人们生活中广泛的应用，周围也不难发现常采用激光、雷达和超声波等的设备。如激光测距，超声波测距，超声波探测地理形状，由于激光和雷达测距造价偏高，民用领域中使用率也不高，所以至今雷达和激光这类设备也未曾广泛的普及，因为它们有一定的局限性，危险系数较高。相比之下，利用传感器来检测具有突出的优点： 

1.传感器对光照度、色彩不敏感，传感器使用的发射装置发射的为红外波，能够使用在有光线的环境下； 

2.传感器对外界的光线不敏感，它可用于黑暗、有烟雾、气候较为潮湿，一定湿度的环境中，能适应日常的环境，对极端天气环境下，也有一定的工作能力； 

3.传感器的具有工作温度范围广，我国绝大部分日常的夏季和冬季都能适应，抗干扰能力强，无需担心触电的风险且输入输出在电气上完全隔离；

4.传感器的结构简单稳定性高、体积较小能适用较多器件密集度高的电路板中、价格低廉、处理信息简单，能够实现小型化和集成化，如若损坏也易于更换，而且可以进行实时控制。

3.2.3 实物图：

如图3.2所示，VCC 接额定工作电压的电源， GND 接地，OUT是触发控制信号输出。

图 3.2 实物图

3.2.4内部电路示意图：

图 3.3 内部电路示意图

槽型光电耦合器内部较为简单，在绝缘塑料的内部是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三级管）组装在一起。

3.2.5 H92B4实物规格：

图 3.4 H92B4实物规格

3.2.6 光耦响应时间测试电路图：

图 3.5 光耦响应时间测试电路图

3.2.7 H92B4的接线图：

四个引脚分别接阳极、阴极、发射极、集电极 如下图所示：

图 3.6 光耦检测模块

3.3 稳压电源模块

为了实现产品的便携性和产品的循环使用，特采用了3.7V锂聚合物电池（3766125）作为供电电源。由于实验所用的51单片机、传感器及控制器件的额定工作电压为5V。为保证系统的可靠运行，选用DC-DC 升压模块（DSN6009），如图3-7所示。可以将3.7V的直流电压升压到5V左右。所以用性能较好的DSN6009进行稳压。电路图设计如下：

3.7 升压电源模块

3.8 升压电源模块原理图

表3.9 DSN6009模块参数

表3.9（序）

3.4 LCD1602液晶显示模块

本模块主要用用来实时显示商品种类、售价、当前投币金额。1602液晶屏是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。1602各管脚功能如下表3.8所示。

3.4.1 LCD1602主要技术参数：

1.显示容量:16×2个字符

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