自動(dòng)售貨機(jī)128路直流貨道電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)售貨機(jī)128路直流貨道電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，自動(dòng)商場(chǎng)的發(fā)展越來(lái)越受到多樣化和個(gè)性化的需求。一些自動(dòng)商不僅可以自動(dòng)識(shí)別1元和5元硬幣，還可以自動(dòng)識(shí)別20元、10元和5元紙幣?？ńY(jié)算和自動(dòng)尋找零可以提高人機(jī)對(duì)話的應(yīng)用，并在中國(guó)大面積普及自動(dòng)商場(chǎng)。通過(guò)自動(dòng)商場(chǎng)自助購(gòu)物已經(jīng)成為市民的新消費(fèi)時(shí)代。它快速、方便的購(gòu)物方式滿足了現(xiàn)代社會(huì)追求高質(zhì)量生活的需要。1面下行為設(shè)計(jì)自動(dòng)售貨機(jī)作為一種完全獨(dú)立的售貨設(shè)備,集接受貨幣、顧客自選商品、售出商品和找零等功能于一體.具體的說(shuō),一個(gè)完整的售貨機(jī)控制系統(tǒng)一般應(yīng)包含如圖1所示的設(shè)備和模塊:①人機(jī)交互設(shè)備:通過(guò)顯示設(shè)備和輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn),顧客通過(guò)使用鍵盤(pán)輸入需要購(gòu)買(mǎi)的商品編號(hào),根據(jù)液晶顯示器LCD給出的提示信息進(jìn)行投幣,取商品,接受找零等操作;系統(tǒng)管理人員可以使用鍵盤(pán)在顯示器所提供的可視化界面下對(duì)售貨機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.②MDB通訊接口:自動(dòng)售賣(mài)機(jī)的外設(shè)負(fù)責(zé)現(xiàn)金或非現(xiàn)金(如IC記帳卡)交易,是系統(tǒng)的重要組成部分.目前,外設(shè)的種類(lèi)主要有硬幣機(jī)、紙幣機(jī)(現(xiàn)金交易設(shè)備)和讀卡器(非現(xiàn)金交易設(shè)備).為實(shí)現(xiàn)主控制器與外設(shè)間的通訊,采用一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的內(nèi)部通訊總線協(xié)議非常必要.MDB/ICP協(xié)議是歐洲售貨機(jī)制造者協(xié)會(huì)制定的一套用于協(xié)調(diào)自動(dòng)售賣(mài)機(jī)的主控制器(VMC)與多個(gè)外設(shè)之間通信的協(xié)議,由于其簡(jiǎn)潔明了,功能強(qiáng)大,可擴(kuò)展性強(qiáng),并且對(duì)外設(shè)數(shù)目沒(méi)有限制,成為理想的自動(dòng)售賣(mài)系統(tǒng)內(nèi)部總線協(xié)議.通過(guò)MDB通訊口可以獲知顧客的投幣金額并控制外設(shè)進(jìn)行找零等操作.③中央處理單元:主要包括對(duì)各種外設(shè)獲取的信息加以處理,對(duì)于售貨機(jī)的整個(gè)銷(xiāo)售流程中進(jìn)行控制,運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作所需的各種算法等.④信息采集模塊:主控制器所需采集的信息主要包括自動(dòng)售貨機(jī)箱體內(nèi)的溫度,售出的貨物是否正常掉落到顧客取貨區(qū),電機(jī)運(yùn)行有無(wú)異常狀態(tài).⑤貨道電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊:主要指商品通道的驅(qū)動(dòng)電機(jī)陣列.根據(jù)輸入的所選商品的通道號(hào),主控板驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、,將貨物推送至顧客取貨區(qū).作為自動(dòng)售貨機(jī)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu),電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分的性能以及可靠穩(wěn)定性直接影響商品銷(xiāo)售,是自動(dòng)售貨機(jī)控制器設(shè)計(jì)中非常重要的一部分.2貨物通道的電機(jī)控制作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分的主要任務(wù)包括:①精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得貨物可以正常從商品通道中售出;②要求能夠控制最多128個(gè)貨物通道,由于售貨機(jī)每個(gè)貨道都配有一個(gè)小型直流電機(jī)所以電機(jī)控制部分要能夠?qū)?28個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制;③對(duì)電機(jī)運(yùn)行的一些異常狀態(tài)可以進(jìn)行檢測(cè),如低電流狀態(tài),堵轉(zhuǎn)等;④電機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)能及時(shí)停止電機(jī)運(yùn)行并報(bào)警.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)3.1位性能與驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于按項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求最大可以擴(kuò)展到128個(gè)售貨通道,需要最多控制128個(gè)電機(jī).顯然采用為每個(gè)電機(jī)分配獨(dú)立I/O口來(lái)控制通常方案是不可取的.本次設(shè)計(jì)采用16×8的矩陣式電機(jī)陣列控制,3片SPI總線接口的8位移位寄存器74HC595級(jí)聯(lián),構(gòu)成一個(gè)24位的移位寄存器,通過(guò)單片機(jī)的I/O口模擬SPI時(shí)序以及送出24位的電機(jī)控制參數(shù),前16位通過(guò)0,1高低電平變換來(lái)控制電機(jī)陣列的16個(gè)列的選通和關(guān)閉,后8位則控制電機(jī)的8個(gè)行.當(dāng)選中一個(gè)商品時(shí),其所對(duì)應(yīng)的行和列同時(shí)被接通,電機(jī)啟動(dòng),此商品被送出.因?yàn)樗x用的電機(jī)正常工作時(shí)電流約為40~320mA,74HC595芯片的驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)此電機(jī).所以這里595芯片只是作為控制邏輯輸出,真正驅(qū)動(dòng)電機(jī)則選用8入8出的高電壓大電流達(dá)林頓陣列芯片ULN2803和大功率3級(jí)管TIP127的組合作為源驅(qū)動(dòng)器,連接到行控制信號(hào),灌驅(qū)動(dòng)器直接用2片ULN2803接入到列控制信號(hào)即可(見(jiàn)圖2).3.2電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作特性根據(jù)自動(dòng)售貨機(jī)的機(jī)械特性,當(dāng)貨道電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)正好可以售出一件商品,所以在設(shè)計(jì)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)不僅需要做到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停止,還需要精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)以及設(shè)計(jì)必要的監(jiān)測(cè)電路來(lái)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)并通過(guò)編程進(jìn)行異常情況處理.圖3(a)為一個(gè)簡(jiǎn)單有效的監(jiān)測(cè)電路,通過(guò)這個(gè)電路即能實(shí)現(xiàn)上述所有功能.將電流(40~320mA)通過(guò)一個(gè)3Ω的電阻可轉(zhuǎn)換為122~955mV的正常工作電壓,此電壓在圖3中即為M-DETECT,將其分別輸入2個(gè)雙電壓比較器LM393.所選用的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示,電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)器件A做角速度相同的轉(zhuǎn)動(dòng),A器件圓弧段和彈簧連桿接觸時(shí)會(huì)使開(kāi)關(guān)與觸點(diǎn)2吸合,而當(dāng)A器件直線段與連桿接觸時(shí)則開(kāi)關(guān)與觸點(diǎn)1吸合.這樣,當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈會(huì)有2次開(kāi)關(guān)在1,2兩個(gè)觸點(diǎn)間切換的過(guò)程,這樣就會(huì)產(chǎn)生2個(gè)短小的斷電流狀態(tài),此時(shí)瞬間電機(jī)工作電流降為0,所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓M-DETECT也變?yōu)?,電壓比較器U21A會(huì)輸出一個(gè)脈沖,將此脈沖輸入到單片機(jī)的I/O口進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù),便可以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù).而當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)其工作電流會(huì)大大超過(guò)320mA,相應(yīng)的電壓也會(huì)超過(guò)955mV,此時(shí)電壓比較器U21B就會(huì)輸出高電平,同樣用單片機(jī)的I/O口拾取此電平即可判斷電機(jī)是否出于異常工作狀態(tài).3.3去信號(hào)毛刺的處理電機(jī)檢測(cè)電路比較器輸入電壓的變化是由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)形成的2個(gè)工作電流斷路產(chǎn)生的.這個(gè)斷路是由微動(dòng)開(kāi)關(guān)2個(gè)觸點(diǎn)切換造成的,不是一個(gè)非常理想的通斷過(guò)程.這使得比較器輸出的脈沖在上升沿和下降沿會(huì)產(chǎn)生比較多的信號(hào)毛刺,其波形大致如圖4(a)所示,而非如圖4(b)所示的理想脈沖.在這種情況下如果不做處理,對(duì)I/O口直接做讀操作來(lái)拾取此脈沖就會(huì)因?yàn)樾盘?hào)毛刺的干擾而產(chǎn)生誤讀,從而對(duì)脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生影響,直接導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法精確定位.可以通過(guò)硬件和軟件兩方面的設(shè)計(jì)來(lái)去除干擾,以獲取真正的脈沖.因?yàn)榇颂?個(gè)斷電流瞬間非常小,所以相應(yīng)脈沖時(shí)間也非常短約為300μs,如果在比較器輸入電壓的兩端并聯(lián)電容來(lái)進(jìn)行濾波,可能將真脈沖也一起過(guò)濾掉.所以此處的去信號(hào)毛刺主要采用軟件進(jìn)行處理.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分自動(dòng)售貨機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用按邏輯分層的思想將底層的硬件驅(qū)動(dòng)和上層的應(yīng)用層程序完全分離開(kāi),中間以接口函數(shù)的形式加以銜接.電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分作為硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分,其在軟件設(shè)計(jì)上也是作為一個(gè)完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)提供給應(yīng)用層程序進(jìn)行調(diào)用的.在電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的內(nèi)部按功能劃分成3個(gè)主要組成部分:函數(shù)主體部分、電機(jī)啟動(dòng)子函數(shù)和定時(shí)中斷子函數(shù),這樣使得程序結(jié)構(gòu)更加清晰.4.1u2009spi信號(hào)電機(jī)啟動(dòng)子函數(shù)的主要功能是按給定的電機(jī)序號(hào)正確啟動(dòng)相應(yīng)的電機(jī),這個(gè)函數(shù)在程序內(nèi)容上是對(duì)3個(gè)級(jí)聯(lián)的74HC595芯片的操作.74HC595芯片是SPI總線的8位串行移位寄存器,SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口,可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息.對(duì)于自帶SPI串行總線接口的MCU來(lái)說(shuō),只要按硬件設(shè)計(jì)連接好就可以直接與SPI設(shè)備進(jìn)行通信,而對(duì)于不帶SPI串行總線接口的MCS51系列單片機(jī)(如本設(shè)計(jì)所選用的飛利浦P89C51RD2)來(lái)說(shuō),可以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作,包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出.對(duì)于不同的串行接口外圍芯片,其時(shí)鐘時(shí)序是不同的,本文應(yīng)用的595芯片時(shí)序如圖5所示.74HC595是在時(shí)鐘(CLK)上升沿?cái)?shù)據(jù)輸入有效的器件,所以只需將其串行時(shí)鐘輸出口SPI-CLK的初始狀態(tài)設(shè)置為0,而在允許接口后再置為1,使單片機(jī)從SPI-IO(模擬MCU的MOSI-MISO線)輸出1位數(shù)據(jù)(先為高位)至串行接口芯片.至此,模擬1位數(shù)據(jù)輸出便完成.在實(shí)際程序中通過(guò)循環(huán)將所選電機(jī)的24位控制參數(shù)通過(guò)單片機(jī)的I/O口送至移位寄存器作并行輸出到驅(qū)動(dòng)芯片即可啟動(dòng)相應(yīng)電機(jī).4.2基于主機(jī)的仿真干擾定時(shí)中斷子函數(shù)的主要功能是精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)1圈就停止.控制的依據(jù)是檢測(cè)所得到的測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù),每出現(xiàn)2個(gè)脈沖即表示電機(jī)已轉(zhuǎn)過(guò)1圈.讀脈沖計(jì)數(shù)的原理很簡(jiǎn)單,直接讀單片機(jī)的I/O口即可,每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)脈沖時(shí)I/O口會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高電平1,而平時(shí)則為低電平0.由于上文提到的信號(hào)毛刺的干擾,需要做一個(gè)軟件算法上的去干擾處理,即參考鍵盤(pán)去抖處理辦法,讀到高電平脈沖后延時(shí)一段時(shí)間后再次讀取,這樣重復(fù)2次,若3次都讀到高電平即判斷此為真脈沖,否則即為毛刺干擾.經(jīng)過(guò)這樣的去干擾處理并根據(jù)觀測(cè)到的脈沖寬度以及實(shí)際處理效果反復(fù)調(diào)解延時(shí)長(zhǎng)度,最終順利解決了毛刺干擾問(wèn)題,能夠準(zhǔn)確地控制電機(jī)停在指定的位置.中斷子函數(shù)中的另一個(gè)功能是以軟件方式作電機(jī)運(yùn)行的超時(shí)處理.若電機(jī)脈沖檢測(cè)電路損壞使得系統(tǒng)無(wú)法接受到計(jì)數(shù)脈沖來(lái)控制電機(jī)停轉(zhuǎn),此時(shí)超時(shí)處理程序能夠保證電機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后(此時(shí)間大于電機(jī)正常工作狀態(tài)所運(yùn)行的最大時(shí)間)會(huì)強(qiáng)制停止并返回電機(jī)出錯(cuò)的信息代碼.具體的做法是:利用CPU中的定時(shí)器定時(shí)中斷和軟件計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)來(lái)控制CPU到了設(shè)定的時(shí)間則強(qiáng)行關(guān)閉電機(jī),退出程序.4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分程序電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)主程序主要作用為設(shè)定所需的變