基于STM32的散裝食品自動售貨機設計

邵華梅，汪志成，徐麗琴，沈博韜

(東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 南昌 33000)

0 引言

隨著科技與經濟的發展，自動售貨機進入到人們生活中。目前，國內自動售貨機的市場尚處于發展的初期階段，沒有達到規模化、秩序化的程度，并且銷售的商品種類有限[1-2]。目前，楊秀芝等[3]設計了一種投幣式水果自動售貨機，以電機控制傳送帶輸送水果。自新冠疫情爆發以來，人們對于“無接觸”式商業的需求急速增加。針對國內現在散裝食品，如豆類、開心果等仍是傳統的人工購買方式，本文提出一種新型散裝食品自動售貨裝置，主要用于售賣綠豆、紅豆等豆類。

1 總體方案設計

散裝食品自動售貨機是機械與電子相結合的產品，微控制器(MCU)是其核心部件，通過MCU實現散裝食品自動售貨機的智能化、自動化控制[4]。

散裝食品自動售貨機系統分為3個部分：裝置機械結構部分、控制部分和支付部分。其主要功能如下：1)人機交互界面。通過觸摸屏，顧客對自動售貨機的詳情一目了然，并可實現購買，整個過程簡單便捷[5]；2)精確出貨。MCU控制電機轉動，精確完成顧客所選參數；3)數據采集。系統開始工作時，微控制器與稱重傳感器經AD模塊傳輸數據，并在自動售貨機出貨過程中實時上傳數據信息；4)網上支付。當生成支付請求時，上位機發來二維碼信息經過MCU傳輸到屏幕顯示，掃碼支付完之后，上位機處理支付信息，反饋給MCU并作相應處理。

2 機械結構設計

利用Solidworks三維軟件對裝置主體機構建模設計，設計內容包括裝置的外觀、內部出貨結構以及電氣元件的布局。

考慮到豆類等散裝食品一般在超市、便利店以及農貿市場銷售，本裝置趨于小型化設計，散裝食品自動售貨機長、寬、高各為380mm、170mm、550mm，如圖1所示。上層為散裝食品儲存區，下層為顯示與操作區和出貨區，并在左側開了散熱窗[6]。其中上層主視面設有透明的商品展示窗，方便顧客看清楚內部商品類型與優劣。對于紅豆、綠豆等產品，容量約為15kg。

圖1 散裝食品自動售貨機外觀

如圖2所示，散裝食品存放在上層的貨倉內，當外部信號輸入即顧客通過顯示與操作區購買后，經過MCU內部處理輸出出貨信號給電機，電機驅動螺桿，通過螺桿的螺旋葉片旋轉產生的推力，使散裝食品沿固定的輸送管傳遞到出貨口[7]，稱重傳感器實時監測出貨重量并反饋給微控制器，達到顧客輸入參數后，電機停止轉動，購買完成。

圖2 散裝食品自動售貨機剖視圖

本裝置核心部分是出貨機構，如圖3所示。電機通過主動齒輪與從動齒輪帶動螺桿轉動，螺桿與輸送管通過滾動軸承連接，降低螺桿運動時的摩擦力。輸送管設計成圓筒形，優點是結構密封，出貨相對穩定[8]。

圖3 出貨機構

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

1)STM32模塊

系統采用STM32F103ZET6作為MCU，是32位基于ARM核心的帶512K字節閃存的微控制器，具有豐富的增強I/O端口和強大的外設資源。相比傳統的8位單片機，其處理速度更快，性能更高，具有PWM高級控制定時器，全調制能力，能夠高效地控制電機精準出貨。

STM32控制直流電機帶動螺桿的轉動，同時控制稱重傳感器完成信號轉換，采集貨物輸出重量以及機器內剩余重量，并將數據分析處理后顯示在觸摸屏對應的地址上，無線通信模塊用于網絡通信，實現控制模塊與支付模塊以及數據管理平臺數據互通。

2)電源模塊

電源模塊采用LM2596開關電壓調節器，它輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內。本設計中主要電源分為5個模塊供電：STM32F103微控制器、電機控制模塊、稱重模塊、液晶顯示模塊、無線通信模塊。為了滿足不同模塊的供電要求，整個系統的電源設計均由24V接入，經過LM2596降壓成12V以及5V。圖4是系統電源原理。

圖4 系統電源原理

3)電機控制模塊

電機選用ZGB37RH型直流電機，它具有全金屬、大轉矩、低噪聲的特點，并以L298N驅動芯片控制。L298N內含兩個H橋的高電壓大電流雙全式驅動器，接受標準TTL邏輯電平信號。當使能信號為0時，電機處于自由停止狀態；當使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀態，阻止電機轉動；當使能信號為1，且IN1和IN2互異時，電機處于運行狀態。控制器將物品的每次重量誤差通過PID算法調節后，進而更新TIM3中寄存器CCRx的比較值，輸出不同占空比的PWM波形來驅動電機頻率，從而實現電機轉速的變化。

4)稱重模塊

稱重模塊主要由電阻應變式壓力傳感器和HX711芯片構成。傳感器的彈性元件在外力的作用下產生彈性形變，使粘貼在內部的電阻應變片隨之產生形變。電阻應變片的阻值發生變化，電橋失去平衡輸出一個模擬量電壓，從而完成將外力轉換為電信號的過程。HX711是專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片，具有集成度高、響應速度快和抗干擾性強等優點[9]。

如圖5所示，E+、E-管腳接入稱重傳感器電源+(Sensor_Power)和電源-(AGND)。HX711 芯片內的穩壓電路可同時向 A/D 轉換器和外部傳感器提供模擬電源。穩壓電源的輸出電壓值(VAVDD/E+)由外部分壓電阻R1、R2 和芯片的輸出參考電壓VBG 決定。稱重傳感器接通后，當感應到物體重量時，傳感器便會輸出電壓：滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度，靈敏度取1.0mV/V。

圖5 稱重模塊電路設計圖

5)Air720D模塊

Air720D模塊是一款帶分集接收功能的4G移動三模無線通信模塊，支持LTE-TDD/TDSCDMA/GPRS，幾乎能夠滿足所有M2M的需求，具有強大的芯片處理能力和存儲運算能力。Air720D具有豐富的硬件接口及GPIO，支持二次開發模式，可以直接調用API接口對外設或GPIO進行編程設計，極大地減少了開發周期和成本。

SIM卡由模塊內部供電，在電路設計中卡座與模塊距離越近越好，并且SIM卡信號線布線遠離RF線和VBAT電源線，這樣可以確保SIM卡良好的性能，且不被損壞。

3.2 軟件設計

1)軟件總體設計

該自動售貨機軟件設計按照前后順序執行的原理可分為：首先進行微控制器的系統時鐘、定時器、各個模塊引腳以及無線通信模塊初始化，同時進行設備網絡連接；從Flash中讀取去皮參數，判斷讀取方案參數是否存入；如果是，則讀取保存的參數，并接收串口指令即顧客輸入購買金額或重量；判斷是否購買，如果購買則微控制器驅動電機工作，通過稱重傳感器采集剩余重量，并將剩余重量發送到觸摸屏對應的地址。總體的軟件流程框圖如圖6所示。

圖6 總體軟件流程圖

2)電機控制程序

根據顧客購買的物品重量或金額來選擇電機輸出的頻率，從而精準地控制物品的輸出，電機控制程序如圖7所示。

圖7 電機控制程序

4 支付系統

支付系統整體使用Tornado進行編寫，通過調用支付寶和微信API進行下單及支付狀態檢測，并最終處理為易于顧客處理的數據反饋給設備，訂單創建過程如圖8所示。

圖8 訂單創建

當顧客在售貨機上創建訂單后，設備將創建訂單的請求發送給服務器，服務器通過當前系統時間生成1個訂單號，存儲至數據庫中。同時為了防止訂單串單，設置為1個設備只允許同時開啟1個待支付訂單。如需創建新訂單必須由設備取消舊訂單，否則無法創建新訂單。支付系統內創建訂單后，分別向支付寶和微信發送下單請求，成功后支付寶和微信將分別返回二維碼鏈接。支付系統記錄當前支付狀態后，發送結果和二維碼到設備，設備通過串口屏輸出二維碼展示給顧客進行支付。

在展示二維碼后，設備將不斷詢問服務器是否完成訂單支付，支付系統讀取數據庫，若訂單狀態為未完成時，將詢問支付平臺的支付狀態，并將結果返回給設備。同時支付平臺也會在顧客支付成功后將支付結果異步傳輸給支付系統服務器，支付系統服務器會處理這些數據并寫入數據庫中。

5 實驗分析

散裝食品自動售貨機完成后，分別以紅豆、綠豆和瓜子為實驗對象對該自動售貨機進行測試。每個實驗對象以重量250g、500g、1 000g、1 500g、2 000g、2 500g做5組實驗，并計算平均誤差。從表1中，可以看出隨著購買重量的增加，3個實驗對象的平均誤差基本在降低，且滿足零售商品規定的負偏差[10]。

表1 不同重量出貨的平均誤差

6 結語

通過分析自動售貨機的研究現狀以及今后智能化發展趨勢，設計一種基于STM32的散裝食品自動售貨機。該自動售貨機上層儲存商品，下層通過控制系統配合出貨機構完成精準出貨，運用無線通信技術實現自動售貨機的網絡通信以及網上支付。該產品為小型化設計，所占空間小且便于運輸轉移，適用于無人超市、便利店等場所。實驗證明該自動售貨機穩定、誤差小，為散裝食品的購買方式及未來銷售模式提供了參考。