動售貨機(jī)的設(shè)計(jì)

西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書PAGEPAGE88摘要：本次EDA課程設(shè)計(jì)是利用VerilogHDL來設(shè)計(jì)的，使用MAXⅡEPM570T144C5N型號的FPGA來設(shè)計(jì)一個(gè)自動飲料售賣機(jī)，機(jī)器設(shè)有2個(gè)投幣孔，機(jī)器可以接受1元和0.5元的硬幣。每瓶飲料2.5元，1元和0.5元可用2個(gè)按鍵來代替。機(jī)器還設(shè)有2個(gè)輸出，這個(gè)設(shè)計(jì)要求機(jī)器有對找錢和輸出飲料的提示信號。此設(shè)計(jì)按照EDA課程設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行源代碼的編寫、前仿真、綜合、布局和布線、設(shè)計(jì)出電路原理圖。本設(shè)計(jì)主要利用QuartusⅡ、protel99SE等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：自動飲料售賣機(jī)、計(jì)數(shù)器、控制器;脈沖;設(shè)計(jì)Abstract:ThecurriculumdesignistheuseofEDAVerilogHDLtodesign,usingMAXⅡEPM570T144C5NmodelsofFPGAtodesignanautomaticbeveragevendingmachines.SlotmachineswithtwoCoinholes,itcanaccept1yuanand0.5yuancoins.2.5yuanperbottledrinks,1yuanand0.5yuanusedtwokeysinstead.Machinealsohastwooutputs,thedesignrequirementsonthemachinegivechangeandoutputsignalsprompteddrinks.ThisdesigncoursedesignprocessinaccordancewithEDAsourcecodetowrite,theformersimulation,synthesis,placementandrouting,designacircuitschematic.ThedesignmainlyusesQuartusⅡ,protel99SEdesignsoftwaretodesign.Keywords：Automaticbeveragewendingmachines,Counter,Controller,Pulse,Design前言 3二.總體方案設(shè)計(jì)： 4三設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 63.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) 63.1.1投幣信號產(chǎn)生電路： 63.1.2電源模塊的構(gòu)成如圖所示： 63.1.4數(shù)碼顯示 7四．系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證 84.1對計(jì)數(shù)功能的驗(yàn)證程序及仿真結(jié)果： 84.2投幣功能的實(shí)現(xiàn)： 94.3顯示功能的實(shí)現(xiàn)： 104.4對取貨功能的實(shí)現(xiàn)： 134.5總體功能的實(shí)現(xiàn)： 154.6對部分功能的仿真如圖所示： 18五設(shè)計(jì)總結(jié) 23六參考文獻(xiàn) 24參考文獻(xiàn)： 24前言近年來，集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是可編程邏輯器件的高速發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動化EDA技術(shù)成為電子設(shè)計(jì)工程師的新寵。EDA技術(shù)以計(jì)算機(jī)為工具完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線和設(shè)計(jì)仿真等工作。電路設(shè)計(jì)者只需要完成對系統(tǒng)功能的描述，就可以由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行系統(tǒng)處理，最后得到設(shè)計(jì)結(jié)果，并且修改設(shè)計(jì)方案如同修改軟件一樣方便。利用EDA工具可以極大地提高設(shè)計(jì)效率。VHDL是指超高速集成電路硬件描述語言。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能、和接口，除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)或稱設(shè)計(jì)實(shí)體分成外部和內(nèi)部。在對一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。利用VHDL語言的方便與強(qiáng)大功能的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套自動飲料售貨機(jī)系統(tǒng)。其用方便、可靠、節(jié)省人力的自動飲料售賣機(jī)機(jī)將在社會生活中成為一種趨勢，它的出現(xiàn)一定程度上也體現(xiàn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展程度。本設(shè)計(jì)是一套結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，性能可靠的自動飲料售賣機(jī)產(chǎn)品。自動飲料售賣機(jī)電路設(shè)計(jì)采用選擇商品電路、投幣累加電路、統(tǒng)計(jì)賣出商品電路等四個(gè)基本電路構(gòu)成。自動售貨機(jī)在接受投入錢幣后，通過與商品價(jià)格比較，確定是否能夠售出商品和把算出剩余的錢找回。當(dāng)商品輸出后售貨機(jī)自動把上次賣出商品的價(jià)格和投入的錢幣的總和清零，這時(shí)才可以進(jìn)行下次交易。自動售貨機(jī)還應(yīng)滿足商家查看銷售商品的總和及使其清零，和控制該售貨機(jī)進(jìn)行整體復(fù)位。該售貨機(jī)可以幫助商家更好的銷售商品，并且節(jié)省人力，獲得更大的利潤自動飲料售賣機(jī)是能夠根據(jù)投入的錢幣自動取出飲料的機(jī)器，它是商業(yè)自動化的常用設(shè)備，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，能節(jié)省人力、方便交易?，F(xiàn)代的自動飲料售賣機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)和功能依出售的飲料種類而異。錢幣裝置是自動飲料售賣機(jī)的核心，其主要功能是確認(rèn)投入錢幣的真?zhèn)?，分選錢幣的種類，計(jì)算金額。如果投入的金額達(dá)到購買物品的數(shù)值即發(fā)出售貨信號，并找出余錢。自動飲料售賣機(jī)自動輸出顧客所要的商品。因此，自動售貨機(jī)在商業(yè)，食品行業(yè)越來越普及，更方便消費(fèi)者購買自己所需的商品。自動售賣機(jī)是本世紀(jì)70年代在日本、歐美發(fā)展起來的高新技術(shù)現(xiàn)代應(yīng)用產(chǎn)品，被稱為24小時(shí)營業(yè)的微型超市，售貨領(lǐng)域已擴(kuò)展至小食品、小用品、香煙、電話卡、車票、郵票等。目前在40多個(gè)國家已經(jīng)廣泛使用，日本平均每23人一臺，美國平均每40人一臺，歐洲平均每60人一臺。在鄰國日本，70%份額的罐裝飲料市場是通過自動售貨機(jī)售出的；美國可口可樂公司擁有五十余萬臺飲料自動售貨機(jī)分布在世界各地。通過自動售貨機(jī)銷售將成為商品零售業(yè)不可分割的重要組成部分。二.總體方案設(shè)計(jì)：方案1

此方案中，自動售貨機(jī)系統(tǒng)以FPGA器件作為處理和控制核心，能完成貨物的信息存儲，進(jìn)程控制，硬幣處理，余額計(jì)算，顯示等功能。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的貨幣，判斷錢幣是否足夠，足夠則售貨，不夠則提示并退出。系統(tǒng)自動的計(jì)算出應(yīng)找錢幣余額、庫存數(shù)量并顯示。系統(tǒng)按功能分為：分頻模塊、控制模塊、譯碼模塊、譯碼顯示模塊。方案1的系統(tǒng)組成方框圖：時(shí)鐘時(shí)鐘分頻器RAM譯碼按鍵數(shù)據(jù)控制器顯示方案2

自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三個(gè)功能模塊，一個(gè)為售貨機(jī)模塊:該模塊能完成貨物信息的存儲，硬幣處理，余額計(jì)算。一個(gè)為動態(tài)掃描模塊：功能主要是硬件實(shí)驗(yàn)板上讓兩路信號同時(shí)在兩個(gè)7段數(shù)碼管上顯示出來。另一個(gè)為輸出控制模塊：該模塊主要是控制OUT和OUT1輸出信號來控制閥門打開與找錢，并且控制閥門的打開時(shí)間。

設(shè)計(jì)思路:控制信號輸入到售貨機(jī)模塊,售貨機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)功能操作,輸出信號在7段數(shù)碼管上顯示出來。

選擇：方案1功能模塊較多，且每個(gè)功能模塊下還包括幾個(gè)程序模塊，設(shè)計(jì)起來，程序輸入必然很多很繁瑣，當(dāng)然涉及到的問題就較多，較復(fù)雜，而且對clk的分頻也有多次，這不太利于功能和時(shí)序仿真，也不太利于最后在硬件實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。方案2功能模塊較少，但是功能實(shí)現(xiàn)都一樣，這就減少了程序的繁冗，最后電路圖顯得就更加簡短明了，越少的中間環(huán)節(jié)，實(shí)際操作起來肯定相對要容易一些，所以最后選擇方案。方案2的系統(tǒng)組成框圖：時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖閥門控制譯碼投幣信號輸入與處理控制器顯示本系統(tǒng)由對外部投入硬幣的檢測來產(chǎn)生脈沖，并對產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中a表示投入的是0.5元的硬幣，b表示投入的是1元的硬幣，每次根據(jù)投入的硬幣不同而分別計(jì)數(shù)，并將投入的總金額用兩位數(shù)碼管顯示出來，當(dāng)達(dá)到了交易金額時(shí)，out產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，此正脈沖控制閘門打開，汽水掉出來，當(dāng)超出了交易金額，則out1會產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，飲料售賣機(jī)找回0.5元錢。三設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)自動飲料售貨機(jī)主要是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成，電源電路、數(shù)碼顯示、時(shí)鐘脈沖、投幣脈沖、閘門時(shí)間控制等，各部件形成一個(gè)簡單的自動售貨機(jī)系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)主要用到MAXⅡEPM570T144C5N芯片，其實(shí)現(xiàn)主要的功能是對投幣信號的計(jì)數(shù)與計(jì)算，判斷是否達(dá)到所買物品的價(jià)格，如果不足的顯示所投的錢數(shù)，錢足則控制閘門三秒后放出飲料。3.1.1投幣信號產(chǎn)生電路：自動售貨機(jī)的所有信號均由同步時(shí)鐘信號CLK的正邊沿觸發(fā)，由于售貨機(jī)的硬幣接收器一般是一個(gè)機(jī)械裝置，投幣時(shí)產(chǎn)生的信號要比同步信號慢得多，一般可以持續(xù)好幾個(gè)周期。必須對投幣輸入信號進(jìn)行處理，使每一次投幣時(shí)在CLK脈沖周期內(nèi)只能產(chǎn)生一個(gè)脈沖作為功能控制模塊的投幣驅(qū)動信號?；谝幻娴墓δ芤?，設(shè)計(jì)了下面所示的投幣輸入信號的處理電路投幣信號產(chǎn)生3.1.2電源模塊的構(gòu)成如圖所示：此電路是5V轉(zhuǎn)3.3V的電源電路圖，芯片的工作電壓是在3.3V達(dá)到最佳狀態(tài)，二極管的額定電流值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍，但考慮到負(fù)載短路的情況，二極管的額定電流值應(yīng)大于LM2575的最大電流限制；另外二極管的反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.25倍。輸入電容應(yīng)大于47μF，并要求盡量靠近電路。而輸出電容推薦使用的電容量為100μF～470μF，其耐壓值應(yīng)大于額定輸出的1.5～2倍。對于5V電壓輸出，推薦使用耐壓值為16V的電容。3.1.3時(shí)鐘電路在功能實(shí)現(xiàn)模塊中，售貨機(jī)在放出飲料的時(shí)候需要延時(shí)三秒鐘，程序中count1數(shù)3000下，因此需要1KHZ的時(shí)鐘脈沖，設(shè)計(jì)中為同步時(shí)鐘，所以此時(shí)鐘脈沖電路為芯片提供“脈搏”。圖中是一種1KHz脈沖發(fā)生電路。它由集成電路CD4060和晶振、電阻和電容等元件組成。CD4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)、分頻器和振蕩器。CD4060內(nèi)部分為兩部分，其中一部分是14級計(jì)數(shù)/分頻器，其分頻系數(shù)為16~16348；另一部分既可與外接電阻和電容構(gòu)成RC振蕩器，又可與外接晶體構(gòu)成高精度的晶體振蕩器。在采用一定頻率的晶振組成晶振振蕩器，其震蕩信號經(jīng)過CD4060內(nèi)部分頻后，在Q輸出相應(yīng)頻率的脈沖信號。設(shè)計(jì)中需要1000hz的時(shí)鐘脈沖，所以外接30720Hz的晶振，在Q5端輸出大約是1000HZ的時(shí)鐘脈沖。3.1.4數(shù)碼顯示根據(jù)程序中，在不滿足交易金額的時(shí)候，需要把所投的幣數(shù)額顯示在數(shù)碼管上，利用一個(gè)控制信號weixuan來控制數(shù)碼管的顯示位置，當(dāng)weixuan為0時(shí)著在低位顯示，當(dāng)weixuan為1時(shí)選擇高位。硬件中選用兩個(gè)數(shù)碼管來顯示，芯片輸出的電流不能驅(qū)動數(shù)碼管來顯示，因此需要74HC245來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示，E端必須接地，這樣芯片才能正常工作，DIR端的功能是：當(dāng)為高的時(shí)候數(shù)據(jù)A到B，為低的時(shí)候B到A。設(shè)計(jì)中使用兩片芯片，一片來讓數(shù)碼管顯示數(shù)值，一片來控制weixuan讓數(shù)碼選擇顯示的位置。在74HC245與數(shù)碼管之間需要用一個(gè)電阻。當(dāng)投入五角的硬幣的時(shí)候，由于不滿足交易金額則數(shù)碼管上顯示0.5，為一元的時(shí)候則為01。數(shù)碼管寄存器PAGE25四．系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證通過對以下各段程序的仿真得出了總的原理圖，通過繪圖得出了以下電路圖：4.1對計(jì)數(shù)功能的驗(yàn)證程序及仿真結(jié)果：modulejishu(a,b,out,a1,b1);inputa,out,b;outputa1,b1;reg[4:1]a1,b1;//汽水出來后計(jì)數(shù)值清零always@(posedgeaorposedgeout)beginif(out==1)a1<=0;//汽水出來后計(jì)數(shù)值清零elsea1<=a1+4'b1;endalways@(posedgeborposedgeout)beginif(out==1)b1<=0;//汽水出來后計(jì)數(shù)值清零elseb1<=b1+4'b1;endendmodule該部分程序生成的原理圖如下;仿真圖如下：4.2投幣功能的實(shí)現(xiàn)：程序如下：moduletoubi(clk,a1,b1,out,out1);inputclk;input[3:0]a1,b1;outputout;//out為高電平時(shí)售賣機(jī)閘門打開，汽水掉出來outputout1;//out1為高電平時(shí)候找0.5元regout,out1;always@(posedgeclk)beginif(a1==5)out<=1;//因?yàn)槠疄?.5，可以給5個(gè)0.5元elseif(a1==3&&b1==1)out<=1;//可以給3個(gè)0.5元和1個(gè)1元elseif(a1==1&&b1==2)out<=1;//，可以給1個(gè)0.5元和2個(gè)1元elseif(b1==3)beginout<=1;out1<=1;endendendmodule程序仿真結(jié)果：4.3顯示功能的實(shí)現(xiàn)：程序如下：modulexianshi(clk,a,b,a1,b1,duanxuan,weixuan,);inputclk;inputa,b;input[3:0]a1,b1;//a為投入0.5元信號，b為投入1元信號output[8:1]duanxuan;//輸出8位段選信號outputweixuan;//輸出1位位選信號regweixuan;reg[8:1]duanxuan;reg[31:0]count;//數(shù)碼管動態(tài)掃描計(jì)數(shù)reg[31:0]count1;//用于計(jì)算售賣機(jī)閘門打開時(shí)間always@(posedgeclk)beginif(a1==0&&b1==0)begin count<=count+1;if(count==50)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b0;duanxuan<=8'b00111111;//0endif(count==100)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b1;duanxuan<=8'b00111111;count<=0;endendelseif(a==1)//投幣0.5元,顯示0.5,假設(shè)數(shù)碼管為共陰極的begincount<=count+1;if(count==50)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b0;duanxuan<=8'b01101101;//5endif(count==100)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b1;duanxuan<=8'b10111111;//0.count<=0;endendelseif(b==1)//投幣1元,顯示01begincount<=count+1;if(count==50)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b0;duanxuan<=8'b00000110;//1endif(count==100)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b1;duanxuan<=8'b00111111;//0count<=0;endendendendmodule仿真圖如下：4.4對取貨功能的實(shí)現(xiàn)：程序如下：modulequhuo(clk,a1,b1,out,out1);inputclk;input[3:0]a1,b1;outputout;//out為高電平時(shí)售賣機(jī)閘門打開，汽水掉出來outputout1;//out1為高電平時(shí)候找0.5元regout,out1;reg[31:0]count1;always@(posedgeclk)beginif(a1==5)out<=1;//因?yàn)槠疄?.5，可以給5個(gè)0.5元elseif(a1==3&&b1==1)out<=1;//可以給3個(gè)0.5元和1個(gè)1元elseif(a1==1&&b1==2)out<=1;//，可以給1個(gè)0.5元和2個(gè)1元elseif(b1==3)beginout<=1;out1<=1;endif(out==1)beginif(count1==3000)//讓閘門打開3秒，由于為1KHz時(shí)鐘，故要數(shù)3000下beginout<=0;out1<=0;count1<=0;endelsecount1<=count1+1;endendendmodule程序生成原理圖如下：仿真圖如下：4.5總體功能的實(shí)現(xiàn)：程序如下：moduleshoumaiji(clk,a,b,duanxuan,weixuan,out,out1);inputclk;inputa,b;//a為投入0.5元信號，b為投入1元信號output[8:1]duanxuan;//輸出8位段選信號outputweixuan;//輸出1位位選信號outputout;//out為高電平時(shí)售賣機(jī)閘門打開，汽水掉出來outputout1;//out1為高電平時(shí)候找0.5元regweixuan;reg[8:1]duanxuan;reg[31:0]count;//數(shù)碼管動態(tài)掃描計(jì)數(shù)reg[31:0]count1;//用于計(jì)算售賣機(jī)閘門打開時(shí)間reg[4:1]a1,b1;//用a1,b1寄存投入的0.5元和1元硬幣數(shù)目regout,out1;always@(posedgeaorposedgeout)beginif(out==1)a1<=0;//汽水出來后計(jì)數(shù)值清零elsea1<=a1+4'b1;endalways@(posedgeborposedgeout)beginif(out==1)b1<=0;//汽水出來后計(jì)數(shù)值清零elseb1<=b1+4'b1;endalways@(posedgeclk)beginif(a1==5)out<=1;//因?yàn)槠疄?.5，可以給5個(gè)0.5元elseif(a1==3&&b1==1)out<=1;//可以給3個(gè)0.5元和1個(gè)1元elseif(a1==1&&b1==2)out<=1;//，可以給1個(gè)0.5元和2個(gè)1元elseif(b1==3)beginout<=1;out1<=1;end//可以給3個(gè)一塊的elseif(a1==0&&b1==0)begin count<=count+1;if(count==50)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b0;duanxuan<=8'b00111111;//0endif(count==100)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b1;duanxuan<=8'b00111111;count<=0;endendelseif(a==1)//投幣0.5元,顯示0.5,假設(shè)數(shù)碼管為共陰極的begincount<=count+1;if(count==50)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b0;duanxuan<=8'b01101101;//5endif(count==100)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b1;duanxuan<=8'b10111111;//0.count<=0;endendelseif(b==1)//投幣1元,顯示01begincount<=count+1;if(count==50)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b0;duanxuan<=8'b00000110;//1endif(count==100)//如果實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有閃爍，可以將此數(shù)值調(diào)小beginweixuan<=1'b1;duanxuan<=8'b00111111;//0count<=0;endendif(out==1)beginif(count1==3000)//讓閘門打開3秒，由于為1KHz時(shí)鐘，故要數(shù)3000下beginout<=0;out1<=0;count1<=0;endelsecount1<=count1+1;endendendmodule程序生成的原理圖如下：仿真圖如下：4.6對部分功能的仿真如圖所示：