自动售货机控制系统设计与仿真

摘 要

随着社会的进步，科学的发展，生活水平的提高，单一传统的生活方式已经不能满足现代居民对高品质生活的追求，在这种现象下，许多自动化设备应时代应潮流而生。自动售货机作为自动化设备中的最常见的设备之一，由于其众多的优点，已经在世界各地得到了普遍的发展并且还在不断地发展。自动售货机掀起了继百货商店和超市之后的又一零售狂潮，这种智能售货系统在车站、教学楼、办公楼等公共场所有着广阔的发展前景。

本文在对自动售货机的背景历史和发展趋势进行了研究介绍之后，对课题中的自动售货机系统进行了整体的设计及规划。该自动售货机控制系统是基于EDA技术来实现的，同时，利用Altera公司的QuartusⅡ14.0作为其软件开发平台，利用VHDL编程语言输入的方式完成了软件设计。本设计方案对整个控制系统进行了层次化的编写。把整个系统划分为6个子模块，分别是找零计算模块、确认取消控制模块、找零控制模块、总钱数加和模块、显示模块、锁定模块，并且对每一个子模块进行了详细的软件设计。在顶层文件中通过调用各个子模块来完成vhdl程序的设计。

最后在对每一个子模块完成了功能仿真测试验证，同时也对整个系统进行顶层设计和仿真测试，测试结果表明了整个控制系统的合理性以及正确性。整个控制系统设计简单合理，操作简单，满足售货机的基本要求，具有一定的实用意义。

关键词：自动售货机、VHDL、EDA、QuartusⅡ

1 绪论

1.1课题研究背景

早在20世纪30年代，出售香烟的自动售货机就在美国被研制出来了，此后，各类自动售货机也相继被研究出来。到了20世纪的70年代，自动售货机在欧美地区和日本的发展已经相当的普遍。早在18的数据统计中，日本就已经有了550万台各式各样各种功能的自动售货机，而美国所拥有的自动售货机的数量更是高达700万台，也就是说在上个世纪末在日本平均23个人就拥有一台自动售货机，而美国则是平均35个人就拥有一台。

自动售货机的优点之一就是无需人工看守，这点在当今世界人工劳动力成本普遍急剧上升的年代成为了各商家最看重的一点，它可以24小时不断的进行自动售货操作，在为商家降低成本的同时大大的增加了收益。同时，其操作方便简单、占地面积小、全自动化等优点使其迅速在全世界各地普及开来。日本作为使用自动售货机最普遍的国家，其国内的罐装饮料有大约70%是通过自动售货机来出售的，销售额为世界第一；在西班牙，全国零售业的销售额一半以上是由自动售货机来完成的，并且每年的速度都在不断增长。从这些数据可以看出自动售货机所涉及的行业在零售行业中占据着不可替代的重要作用。

1.2课题研究的目的与意义

随着社会的不断发展与进步，城镇居民的收入日渐增多，生活条件也越来越好，城镇居民的消费方式和消费心理也正在慢慢发生改变。快捷自动化的生活方式正是快节奏生活下人们所追求的一种高品质的生活方式。

而自动售货机作为商业自动化的一种常见设备，无论是在国内还是国外，都深受消费者的喜爱，时代的发展为自动售货机提供了良好的发展条件。然而，我国的自动售货机行业的发展却远远及不上欧美和日本等国家，究其原因一个方面是因为我国的自动售货机行业发展比较晚，另外一方面是因为我国要普遍发展自动售货机也有着技术的瓶颈。自动售货机是一种内部集成度高、技术复杂的高科技设备，而现在我国多数企业都缺乏自主研发自主创新的精神，使得自动售货机的很多关键零件都要从国外进口，因此想要在国内发展这一行业，解决相关技术问题自主开发自动售货机是最重要的。

我国引进自动售货机已有差不多二十年的时间，然而至今在国内运营和自主研发制造自动售货机的企业少之又少，国外的自动售货机还毫无疑问的占据着我国绝大部分的的市场。这种现象严重阻碍了我国发展自动售货机行业。因此，加快脚步和加大力度去自主研制自动售货机是很有必要的，同时，更要时时关注最先进的科学技术，尽可能的把这些高科运用到自动售货机行业中去，只有这样才能让该行业在我国得到更好更快的的发展。

1.3 国内外研究现状及趋势

目前，自动售货机已经在发达国家得到了广泛的运用，而我国由于行业起步较晚的原因使得各方面技术还不够成熟，还需要加大力度去积极发展这一行业。在2012六月份，我国各式各类的自动售货机的总量只有三万台，而在2013六月份，该数量已经上升至五万台，增长幅度高达差不多50%，当然由自动售货机带来的营业额也是非常庞大的。随着科技的不断发展，如今的自动售货机也越来越先进，其中设备的科技含量也日渐增高。自动售货机的发展历程如图所示：

目前我国生产自动售货机主要有以下几家比较知名的厂家：上海艾丝明自动售货机有限公司，主要生产咖啡机；天津歌德公司，主要生产咖啡机；大连富士冰山公司，主要生产饮料机。除此之外还有青岛澳柯玛自动商用设备有限公司、天津奥莱特自动售货机有限公司等公司生产的自动售货机也是比较常见的。

自动售货机的发展趋势是由于社会的产业结构发生变化的产物。由于社会的消费方式、销售环境等的变化，自动售货机的售货方式作为一种新的流通渠道，自然而然自动售货机也就应时代发展而生了。自动售货机从一开始的功能单一结构单一发展到现在的功能多元化个性化，该行业也成为信息化的一种表现。而且自动售货机的发展为了适应社会的发展也将会更加合理化人性化，它已不仅仅是一台用来销售商品的机器，随着科技的发展，通信的发展，互联网的发展，它也必将向着相互连通的信息生态圈的方向发展，必将发展成为一种集商品销售、信息流通等于一体的高科技的终端设备。

1.4 课题研究的主要内容

本文主要研究利用自动售货机来完成商品处理、货币找零、出货操作、led显示等功能。完成的工作主要包括以下几个方面：

2 相关技术简介

2.1 EDA技术

电子设计自动化技术就是常见的EDA技术的简称，这种技术在现代电子设计中有着非常重要的作用。EDA技术以强大的计算机为依赖，在相应的软件开发平台上，利用硬件描述语言（HDL）来完成系统的各项功能的逻辑描述。

EDA技术有着丰富的内容，与电子技术很多领域有着密不可分的联系，所以其发展同计算机辅助工程、电子设计技术以及集成电路的大规模设计技术等都是同步发展的。就近30多年来其发展可分为以下阶段：

• 上世纪70年代可编程逻辑器件开始问世，集成电路得到广泛应用，CAD技术也开始发展，EDA技术也就是在这个时候开始出现。上世纪80年代进入商用的复杂可编程逻辑器件、FPGA器件的出现、CAD技术广泛的应用、各类硬件描述语言的相继出现，这些解决EDA技术要广泛运用过程中所遇到的各种问题，为其规范应用奠定了基础。上世纪90年代，CAD、CAE等技术已经被广泛应用在电子领域方面。同时，通信技术的发展、计算机技术的发展使得EDA技术有了更大的发展空间。

发展至现在的EDA技术，CPLD和FPGA等可编程逻辑器件是被应用得最多的，这些器件是利用硬件编程语言来进行软件设计以完成功能设计，这样的设计方式简单方便，有着非常大的灵活性。可编程逻辑器件和可编程语言的发展改变了传统的电子设计的设计方法和设计理念，同时也让EDA技术有了更快的发展。EDA技术在现代社会的发展及应用范围是非常广泛的，不仅在农业、医学、军事等领域被应用，在通信、化学、交通、航天等领域更是有着不可替代的重要作用。（EDA技术与VHDL P1）

2.2 VHDL

VHDL的全称是Very High Speed Circuit Language，与另一种VerilogHDL语言是现在电子设计自动化中用的最多的两种硬件描述语言,现在用的比较多的EDA工具基本都支持这两种语言，在电子领域中已经成为了通用的硬件描述语言。

VHDL是一种无关设计平台、无关具体的硬件电路的语言。跟一般的高级语言类似，不过却有着一般高级语言没有的具有硬件特性的语句，能很好的描述数字电路的功能和结构。VHDL的结构特点是设计一项工程或实体，一个元件、一个系统或者一个电路模块都可以设计成为一个实体，被设计好的实体可以很方便的被调用，这是VHDL很大的一个特点。

与其他的硬件描述语言相比，VHDL有以下特点：

• 设计好的模块可以任意无数次的被调用，很好的做到了资源共享和重复利用这一点，大大减少了设计人员的工作量和工作时间。语言的设计描述与器件无关，设计人员在进行电路的设计的时候，可以把精力放在优化电路上而不用先去考虑器件的选择，VHDL可以采用不同的器件来实现已经描述好的电路设计。语言功能强大，设计方法灵活，支持各式各样的设计方法，无论是自顶向下还是自底向上的设计方式在VHDL中都可以灵活的被运用。同时，模块化设计，层次化设计等设计方法也是被支持的。具有很强的移植能力，对于同一个VHDL程序，它可以在不同的工作平台、综合器、模拟器之间相互移植。

一个完整的VHDL程序代码结构包括4个模块，库和程序包的模块、实体模块、结构体模块、配置结构模块。其结构图如图所示：

2.3 QuartusⅡ软件

QuartusⅡ是由Altera公司开发的一种EDA工具，是经过A+plus、然后到MAX+plus,再到MAX+plusⅡ发展而来的。QuartusⅡ支持多种输入方式，例如原理图输入，硬件编程语言输入等，在使用QuartusⅡ软件时，它会将设计人员设计好的硬件编程语言或者原理图等自动转换目标文件，最后将目标文件下载到器件中。通过DSP Builder工具，QuartusⅡ能很好的跟Matlab、Simulink等结合起来，从而能够方便快捷的实现不同的DSP系统的设计。因为有着简单直接的入口和很强的设计能力，以及使用灵活、方便快捷的优点，所以很受广大设计者的青睐。