简易投币式邮票自动销售机控制电路设计.doc.docVIP

3.3 简易投币式邮票自动销售机控制电路设计 投币式自动销售机目前广泛应用于小商品自助销售领域，比如地铁车票投币销售、纯净水投币销售，各种食品饮料投币自动销售机更是随处可见。投币自动销售机系统根据所售商品的种类和价值有所不同，但控制原理是基本类似的。本节通过一个单品种邮票投币自动销售机系统的实现过程，介绍同步时序逻辑电路的设计原理和应用方法。 3.3.1 设计要求 设计一个简易投币式邮票自动销售控制系统，具体要求如下： 1．系统允许投入0.5元和1元两种硬币，售出面值为2元的邮票。 2．当硬币投入后，系统用七段LED数码管显示已投入的累计币值。 3．当投币累计等于2元时，输出邮票；当投币累计大于2元时，输出邮票并输出找零币值。 4．输出信号有效电平维持3秒时间，输出信号无效后系统回到初始状态（累计币值为0）。输出信号持续期间，不能允许再投入硬币（封锁投币信号，实际产品可封锁投币口）。 5．输出信号有效时蜂鸣器以0.5秒鸣响、0.5秒间隔的方式发出提醒音,输出邮票时蜂鸣器的鸣响频率为1kHz，输出邮票并找零时蜂鸣器的鸣响频率为2kHz。 6．为了保证系统上电时处于初始状态，设置一个状态机复位键。 3.3.2 设计原理分析 投币式自动销售机的主要功能是累计投入的币值并做出判断，所以要求电路具有记忆功能。数字电路中的时序逻辑单元能够运用电路“状态”记忆输入信号的变化历程，因此本设计的基本电路是由触发器构成的时序“状态机”。根据设计要求, 简易投币式邮票自动销售系统的控制流程如图3-3-1所示。 图3-3-1 简易投币式邮票自动销售机控制流程图 显然，系统需要记忆的累计币值最多可能有6种情况，因此状态数可能达到6个。而且与3.2节的《交通灯控制电路设计》不同，投币式自动销售机的状态不是随触发脉冲输入周期性有序变化，而是根据不同的币值输入转向不同的次态。所以，投币式自动销售机可以采用输出受输入信号和电路状态同时控制的米利型时序电路实现，也可以采用输入信号仅控制电路状态转换、而输出由状态控制的莫尔型时序电路实现。前者在投入币值达到或超过邮票面值时立即产生输出信号，不需要记忆币值累计等于或超过邮票面值的状态；而后者必须处于表示币值累计等于或超过邮票面值的状态时才产生输出信号。因此前者所需的状态数少，后者的输出信号与系统触发时钟同步。 1．时序逻辑电路设计方法 为了使设计过程简化，系统可采用同步时序逻辑电路实现，其原理结构如图3-3-2所示。 图3-3-2 同步时序逻辑电路原理框图 同步时序逻辑电路的具体设计步骤是： （1）根据功能要求确定所需输入变量、输出变量以及状态的个数，列原始状态表或画原始状态图。实现时序控制功能所需记忆的“事件”个数决定了时序逻辑电路的有效“状态”个数。比如，若采用米利型状态机实现本设计的功能，需要记忆的累计币值是0元、0.5元、1元和1.5元四种状态。 （2）化简原始功能状态表或状态图（合并等价状态），列出最简功能状态表或状态图。如果器件逻辑资源丰富，可以不化简状态。根据图3-3-1，若用米利型状态机实现本设计，分别用A、B、C、D表示四种状态，功能状态图如图3-3-3所示。 图3-3-3 简易投币式邮票自动销售机米利型状态图 （3）确定触发器个数及状态编码值。赋于每个状态一组二进制编码，代入功能状态表，得逻辑状态表。一般，触发器个数n与状态个数M满足：M≤2n。四个状态至少用两个触发器， 若A~D各状态编码分配为“00”、“01”、“10”、“11”；两种币值用两个开关量信号表示，设投入0.5元时X1=“1”，投入1元时X2=“1”，两个信号同时为“1”时无效，状态保持不变；并设邮票输出信号为Z2、找零输出信号为Z1，均为高电平有效。米利型状态机赋值后的状态表如表3-3-1所示。 （4）根据逻辑状态表列各触发器的次态卡诺图和输出卡诺图，根据状态表或化简次态卡诺图可列电路的输出方程和各触发器的次态方程。表3-3-1对应的各触发器次态卡诺图如图3-3-4所示。 （5）选择触发器类型，将各次态方程与所选触发器的特性方程比较，得各触发器的激励驱动方程。根据输出卡诺图化简得输出逻辑函数表达式。若选择D触发器构成状态机的时序逻辑部分，则由于D触发的特性方程Qin+1=Di，激励方程与次态方程相似。 表3-3-1 简易投币式邮票自动销售机米利型状态转移表 X2X1=0 0 X2X1=0 1 X2X1=1 0 X2X1=11 现 态 次 态 输出 次 态 输出 次 态 输出 次 态 输出 Q1nQ0n Q1n+1Q0n+1 Z2Z1 Q1n+1Q0n+1 Z2Z1 Q1n+1Q0n+1 Z2Z1 Q1n+1Q0n+1 Z2Z1 0 0