自动投币式邮票机.doc

简易投币式邮票自动销售机控制电路设计

自动化1004班

目录
第一章设计指标 ……………………………………....……...……....
设计指标 ……………………………………………………………....
第二章 系统概述 ………………………………………...…..…...…....
2.1设计思想 …………………………………………………………..
2.2可行性论证 …………………………………………….…...…...
2.3各功能的组成 ………………………………………………………
2.4总体工作过程 ………………………………………………………
第三章 单元电路设计与分析 ………………………………...…...…...
3.1各单元电路的选择 ………………………………………………
3.2设计及工作原理分析 ………………………………………………
第四章 电路的组构与调试 …………………………………..…...…...
4.1 遇到的主要问题 …………………………………………………..
4.2 现象记录及原因分析 …………………………………………….
4.3 解决措施及效果 …………………………………………………
4.4 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 ……………………
第五章 结束语 ………………………………………………………...
5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明 …………..
5.2 总结设计的收获与体会 ………………………………………….
附图(电路图、电路总图) ………………………………………………
参考文献 ……………………………………………………………

第一章 设计指标
设计一个简易投币式邮票自动销售控制电路, 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3s时间，输出信号无效后系统回到初始状态（累计币值为0）。输出信号维持期间，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0.5s鸣响、0.5s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。

第二章．系统概论

2.1 设计思想
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。米利型在投入币值达到或者超过邮票面值是立即产生输出信号，所以所需的状态数少。投入的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，并设邮票输出信号为Z1，找零并且输出信号为Z2，均为高电平有效。用两个发光二极管分别指示输出邮票和找零用时序逻辑电路记忆累计币值，累计币值用两个七段LED数码管显示。

2.2 可行性论证
两个脉冲分别代表了0.5元与1.0元两种币值的投入，在币值达到邮票输出前需要记忆已输入币值的状态，以确保总币值的准确性，需要记忆的累计币值是0元，0.5元，1元，1.5元四种状态。通过触发器结合时序逻辑电路完全可以实现状态的保持与记忆，完成币值的累加，再结合显示电路，这个设计完全具有可行性。

2.3 各功能的组成
（1）输入信号处理
用两个按键分别模拟两种不同币值的硬币，产生两路开关量脉冲信号，经过数字单稳态触发电路对信号进行同步化处理将两路信号综合为一路，即可消除按键抖动，又可将综合后的投币信号归化为宽度是一个CP脉冲周期的状态触发信号，保证系统需要在任一按键作用时都要产生一个状态机的触发脉冲信号，同时输入端触发器的清零做清零用。

（2）币值的累计
币值的累计由状态机实现，用只读存储器ROM方式实现状态机的激励控制，触发器的每个激励和电路的每个输出都由存储器的一位数据输出端控制，存储器地址由电路的输入X1,X2和状态机的状态变量Q1，Q0控制，存储器中每个单元的存储内容是对应电路输入和状态机现态某个组合时的次态和输出逻辑值，此实验用只读存储器ROM实现米利型状态机的组合逻辑关系，ROM的容量为16words×4bits，以电路输入X2X1和触发器Q1Q0控制ROM的地址A3—A0，ROM的数据输出q3-q0控制电路输出Z2Z1和触发器激励D1D0。

（3）定时控制
根据设计要求，输出邮票和找零操作提示维持3S，然后在定时信号的触发下回到初始状态。定时信号可以采用定时计数器产生，通过74LS161的计数功能，以1Hz脉冲信号作为时钟信号，进行模3计数，使灯亮维持三秒，即输出邮票和找零操作提示维持3S。

（4）累计币值显示
用状态码Q1Q0控制七段译码显示电路，输出累计币值0.0，0.5，1.0，1.5元4个状态，当累计币值达2元或2.5元时清零,回到0.0的显示状态。

（5）输出电路
当累计币值达到2元时，Z1控制发光二极管亮，表示输出邮票，当累计币值达到2.5元时，Z2Z1控制的两个发光二极管都亮，表示输出邮票并找零。同时分频器使输出邮票时（Z1）蜂鸣器的鸣响频率为 1KHz，输出邮票并找零时(Z2Z1)蜂鸣器的鸣响频率为 2KHz；

2.4总体工作过程
未输入硬币时，LED显示0.0；当按下按键X1表示输入0.5元时，LED显示0.5；当输入累计达到1元时LED显示1.0；当输入累计达到1.5元时，LED显示1.5；再输入，当输入累计达到2.0元时LED清零变为0.0，同时表示输出邮票的发光二极管亮，蜂鸣器以1KHz的频率进行0.5S鸣响，0.5S间隔的方式鸣响；当累计币值是2.5元时，LED清零变为0.0，同时表示输出邮票和表示找零的发光二极管蜂同时亮，并且蜂鸣器以2KHz的频率进行0.5S鸣响，0.5S间隔的方式鸣响，二极管亮和蜂鸣器响的时候输入端被封锁，输入无效，输出状态维持3S时间，时间到自动复位清零，发光二极管灭同时蜂鸣器停止鸣响。

第三章 单元电路设计与分析

3.1各单元电路的选择

（1）输入信号处理电路
单路输入信号经过数字单稳态电路处理：

创建的符号为：

双路输入信号经过数字单稳态电路处理：

创建的符号为：

（2）币值的累计

创建的符号：

其中的ROM:

其中ROM的存储数据表可根据状态转移表得出如下：

X2X1Q1Q0
Z2Z1D1D0
X2X1Q1Q0
Z2Z1D1D0
A3A2A1A0
q3q2q1q0
A3A2A1A0
q3q2q1q0
0 0 0 0
0 0 0 0
1 0 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
0 0 0 1
1 0 0 1
0 0 1 1
0 0 1 0
0 0 1 0
1 0 1 0
0 1 0 0
0 0 1 1
0 0 1 1
1 0 1 1
1 1 0 0
0 1 0 0
0 0 0 1
1 1 0 0
0 0 0 0
0 1 0 1
0 0 1 0
1 1 0 1
0 0 0 1
0 1 1 0
0 0 1 1
1 1 1 0
0 0 1 0
0 1 1 1
0 1 0 0
1 1 1 1
0 0 1 1

（3）定时控制电路
由74LS161进行模3计数，从分频器的输出端1Hz作为时钟脉冲，ret返回接到信号输入部分的清零端，使达到输出要求后清零并保持3S的输出提示：

(4)累计币值显示电路：
由Q1Q0来控制0.0元、0.5元、1.0元、1.5元4种状态的显示变化，电路图实现如下：

创建的符号为：

（5）输出电路：
Z2Z1输出分别经过如下电路进行保持，保持后的信号作为定时电路中74161的使能控制端，配合定时电路，达到输出信号保持3S的要求：

创建的符号为：

（7）分频电路：

倍率为10的分频电路：

创建的符号为：

将上面建立的倍率为10的分频电路元件进行如下级联得到一个8级倍率为10的分频电路：

创建的符号为：

当CP端接OSC时，可在输出端得到8组占空比为50%的脉冲信号。

由10K引出一条线连接到下图的电路可以得到2KHZ的信号：

3.2设计及工作原理分析：
简易投币式邮票自动销售机的参考设计框图如下：
输入信号 0.5元
1.0元
（经数字单稳态电路处理）
A3——A1
ROM

q3——q0
D1——D0
状态机
（D触发器）
Q1——Q0
Z1 L1
输出控制
Z2 L2
蜂鸣器
分频电路
CP

定时电路
七段译码器显示累计币值

输入信号X1，X2经过输入电路处理后作为ROM的输入端A3A2，Q1，Q0作为ROM的A1A0，ROM中的数据根据币值累计的不同状态列出的状态转移表变化数据，ROM的输出端Q3Q2是输出Z2Z1，Q1Q0经D触发器记忆后作为ROM的A1A0输入，D触发器的输出Q1Q0控制LED的累计币值显示，由Z2Z1控制蜂鸣器的鸣响频率和灯的亮灭，延迟时间由定时电路使电路进行3S延迟，复位键接输入端的清零引脚，各时钟脉冲由分频电路提供。

第四章 电路的组构与调试
4.1遇到的主要问题

1．蜂鸣器不响。
2．输出提示灯亮同时蜂鸣器开始鸣响，但没有锁存。
3．蜂鸣器响，但有时响两声（即2S），有时响三声（即3S），不能固定在要求的3S时间上。
4．代表Z2Z1的灯不亮。

4.2 现象记录及原因分析

1．对于问题1，蜂鸣器器不响，说明输出的Z2,Z1并未能进入分频电路，最后到达蜂鸣器。
2．对于问题2，在输入电路中加入锁存（LOCK）即可。
3．对于问题3，有时响2S，有时响3S，说明要么是定时电路出问题了要么是激励脉冲的作用沿不同步。
4．对于问题4，查电路得Z2Z1可以输出，输出无误，所以极有可能是二极管的共阴极未接地。

4.3 解决措施及效果

1.对于现象1，经检查发现电路错误如下：

经过改正，将电路图改为下图：

2、对于现象2，只需要在输入端设置封锁模块即可解决，封锁模块设置如下：

将输入端的D触发器换为具有使能端的D触发器（将DFF换成DFFE），使能端由输出信号Z1接反向器控制，当Z1为“1”并输出信号时，经反向器后为低电平控制使能端，此时输入无效，达到封锁输入端的目的，在Z1未达到输出要求之前，Z1为“0”，经反向器后为高电平控制D触发器的使能端，不影响输入信号的输入。重新测试，输入信号封锁成功。

3.对于现象3，将定时器的图改善为下图：

重新测试，电路成功延迟3S。

4.加入共阴极：

重新测试，代表Z1Z2的灯正确的亮了。

4.4 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据
将各个输入输出引脚连接到仪器上，X1连接PS3，X2连接PS4，按下PS3一次表示投入0.5元，按下PS4一次表示投入1.0元，复位键RST接PS1，按下则清零复位。
各个模块的测试如下：

1．输入与币值累计：
从0开始，按不同组合按下PS3与PS4累计币值，计算相应的累计币值，与LED显示的币值对照，币值显示从0到1.5全部正确，符合米利型电路的显示要求。

2．输出状况：
当输入累计达到2.0元时LED显示清零，回到0.0，同时表示输出邮票的发光二极管亮，蜂鸣器以1KHz的频率进行0.5S鸣响，0.5S间隔的方式鸣响；当累计币值是2.5元时，LED清零，回到0.0，同时表示输出邮票和表示找零的发光二极管蜂同时亮，并且蜂鸣器以2KHz的频率进行0.5S鸣响，0.5S间隔的方式鸣响。二极管亮与蜂鸣器鸣响时间维持3S；

3．封锁状况：
投币至提示输出，在输出维持的3S时间内，继续按PS3或PS4输入信号，LED显示状态不改变，输入信号封锁成功。

4．测试复位键：
投币，当币值累计低于2元时，无论是任何状态，当按下复位键时，币值成功清零，复位成功。

第五章 结束语

5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明
经过多次测试，这个设计具有可行性，也具有稳定性，而且此设计的实际应用也很强，结合实际改善后应该可以应用于实际生活中的一些自动简易自动销售系统。
至于进一步的改善，本设计采用的是米利型的时序电路，其实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摩尔型时序电实现。但摩尔型电路必须处于表示币值累计等于或者超过邮票面值的状态时才产生输出信号，输出信号与系统触发时钟同步，所需的状态数多，要六个：0元，0.5元，1元，1.5元，2元，2.5元。参考状态图如下：

5.2 总结设计的收获和体会
在完成设计的整个过程中，我收获了许多，但是同样也遇到了许多问题。
在刚开始时候，我仔细阅读了书，参考了数字电路的书，搞懂了各个模块的功能，然后开始设计各个模块，运用了许多前面用到得知识，比如说在设计LED显示和分频器的时候就用到了前面的知识，当把各个模块大概设计好以后，在周末的时候我去了实验室。
在实验室的时候遇到了许多问题，先开始完成一个个小的模块，总会有很多错误，有很多提示，一个个解决以后，仿真有的不一定能出来图像，所以我又返回去查设计图，找到错误之后再仿真。无误之后打包，打包的时候，有时会忘记标引脚，所以出来的模块有许多脚是没有名字的，只能返回去再标引脚。在设计分频器和状态机的模块的时候还是遇到了问题没办法解决，所以去问了同学，解决之后创建了各个符号，但是在总图中还是遇到了许多细节的问题，自己也查不出来，所以在老师和同学的帮助下，最终完成了整个的设计。
完成这个设计的过程中，发现自己原来的许多知识已经忘记了，许多模块的各个引脚功能都不知道，所以这样复习一下原来的知识还是蛮好的，不会丢的太多。二周实验下来，对基于FPGA的数字电路系统设计也算是学到了蛮多东西，了解了基于FPGA的数字电路系统该如何设计，而且也学会了用哪些软硬件进行设计。也能够把原来在数电课上学到的知识应用到实际中，很有一种成就感。

附图（电路总图）

参考文献：

《数字电路及系统设计》 高等教育出版社
《基于FPGA的数字电路系统设计》 西安电子科技大学出版社