一種自動飲料機的設計與實現

郝卓楠

(華中科技大學計算機學院　武漢　430074)

一種自動飲料機的設計與實現

郝卓楠

(華中科技大學計算機學院武漢430074)

摘要利用數字電路設計了一個自動飲料機,采用計數器實現飲料選擇功能,采用3-8譯碼器實現飲料選擇指示燈的狀態變化,運用四路選擇器實現加糖或不加糖的自動判斷,并將結果輸出至糖輸出電路,實現自動加糖或不加糖的功能。該自動飲料機可供使用者根據喜好選擇相應的飲料,并選擇加糖與否,選擇情況及飲料輸出情況由指示燈狀態顯示,設計原理簡單實用貼近生活。

關鍵詞數字電路; 計數器; 選擇器; 譯碼器

Class NumberTP391

1引言

以二進制邏輯代數為數學基礎的數字電路是電子電路中重要的一種,由于具有穩定性好,可靠性高,信息可長期儲存及便于高度集成化的優點,已被廣泛應用于雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域以及日常生活中。從20世紀60年代開始,數字集成器件以雙極型工藝制成了小規模邏輯器件。隨后發展到中規模邏輯器件;20世紀70年代末,微處理器的出現,使數字集成電路的性能產生質的飛躍。近年來,可編程邏輯器件PLD特別是現場可編程門陣列FPGA的飛速進步,使數字電子技術開創了新局面,不僅規模大,而且將硬件與軟件相結合,使器件的功能更加完善,使用更靈活。同時,在半導體工藝、平版印刷、金屬化和封裝等技術進步的支持下,數字技術也迅猛發展,比以往更快、更復雜的數字電路正在成為現實[1～5]。本文利用數字電路設計了一個自動飲料機,它是數字電路應用于日常生活的一個典例,其中采用計數器實現飲料選擇功能,采用3-8譯碼器使指示燈的狀態根據計數器的狀態正確變化;自動加糖電路則是運用四路選擇器,實現加糖或不加糖的自動判斷,并將結果輸至糖輸出電路,實現自動加糖或不加糖的功能。

2功能描述

根據需求,本自動飲料機需具有如下功能:機內預先裝有咖啡和果汁,可自動根據用戶的選擇提供相應飲料。兩種飲料根據加糖與否可有四種選擇:咖啡(加糖),咖啡(不加糖),果汁(加糖),果汁(不加糖)。飲料機外殼上有2個按鈕,一個為“選擇”鍵,另外一個為“確定”鍵;此外還有四個指示燈,分別對應四種飲料的選擇結果。每按一次“選擇”鍵,機器上對應的飲料指示燈點亮,再按一次,原先的指示燈熄滅,下一種飲料對應的指示燈亮起,直到最后一種飲料,之后循環從第一種飲料開始?！按_定”鍵未按下時,指示燈閃爍,按下“確定”鍵后,指示燈不再閃爍而是持續發光,此時飲料機流出相應飲料,并自動根據選擇判斷是否加糖,加糖電路是否工作。飲料接完后,若想停止出飲料,再按一次“確定”鍵即可,然后便可重新選擇飲料,此時指示燈也重新變為閃爍。

設Y1、Y0為選擇不同飲料代表的不同狀態,狀態共有四種,分別為:00,01,10,11,它們對應不同的指示燈及加糖電路不同的輸出,對應關系如表1所示。

表1　飲料狀態及對應指示燈狀態、加糖電路輸出結果

使用者的使用流程及機器的運行流程如圖1所示(左側為使用流程,右側為機器運行流程)。

圖1　使用者的使用流程及機器運行流程

3結構描述

本飲料機的電路結構分為四個模塊:模式控制電路,譯碼與顯示驅動電路,自動加糖電路,飲料/糖輸出電路。各模塊之間的聯系如圖2所示。

各模塊功能及原理如下:

1) 模式控制電路:用來選擇所需飲料

原理:同步時序邏輯電路(計數器)

注:CP1:選擇是哪種飲料,哪個燈泡發光;CP2:令燈泡閃爍;K:令燈泡持續發光圖2　飲料機結構描述

2) 譯碼與顯示驅動電路:令相應指示燈閃爍或持續發光

原理:譯碼器組合邏輯電路

3) 自動加糖電路:根據選擇提供/不提供糖

原理:四路選擇器

4) 飲料/糖輸出電路:輸出飲料/糖

以下分別描述各模塊的電路設計。

4電路設計

4.1模式控制電路

本模塊采用模四計數器[6～7],它們由兩個J-K觸發器組成,實現了“選擇”鍵按下時選擇不同飲料的狀態轉換。狀態表見表2,狀態圖如圖3所示。

表2　模式控制電路狀態表

圖3　模式控制電路狀態轉移圖

由狀態表及狀態圖可得:J1=Q0,K1=Q0,J0=1,K0=1。由此得到模式控制電路圖(見圖4)。

4.2譯碼與顯示驅動電路

本模塊采用3-8譯碼器[8～10],實現對指示燈明滅情況的控制。在模式控制電路的作用下(提供Q1、Q0),提供四個發光二極管的控制信號,當某電路輸出的控制信號為低電平時,根據確定鍵“K”是否按下,相應的指示燈將閃爍或持續發光。狀態表如表3所示。

圖4　模式控制電路圖

CP2KYnCCP2KYnC00000011100010111100111101000110

注:K為“確定”鍵;a為飲料出水裝置(出咖啡);b為飲料出水裝置(出果汁);CP2為自動產生脈沖信號圖5　譯碼與顯示驅動電路

譯碼與顯示驅動電路工作原理如下:當K=1時:相當于未按下“確定”建,此時相應指示燈左側為高電平,燈泡閃爍,不出水;當K=0時:相當于按下了“確定”鍵,此時相應指示燈左側恒為低電平,指示燈持續發光,出水。

4.3自動加糖電路

本模塊采用如圖6所示的四路選擇器,由譯碼與顯示驅動電路提供Q1Q0,實現根據加糖與否產生不同輸出的功能。當Q1Q0=00或10時,分別對應咖啡加糖和果汁加糖,此時輸出Y=0(低電平),否則Y=1(高電平)。即Y=1:糖輸出電路不工作;Y=0:糖輸出電路工作,輸出糖。

圖6　自動加糖四路選擇器

4.4飲料/糖輸出電路

本部分采用電磁繼電器裝置,圖7為飲料/糖輸出電路示意圖。

圖7　飲料/糖輸出電路示意圖

5結語

本文利用數字電路設計了一個自動飲料機,使用者可根據喜好選擇相應的飲料,選擇情況及飲料輸出情況由指示燈的不同明滅狀態顯示,且可自動根據選擇加糖或不加糖,既滿足了不同人群對不同口味的需求,又靈活方便,設計原理簡單但實用,貼近生活。本文設計的自動飲料機基本原理可擴展至多種飲料。

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Design and Realization for An Automatic Drink Machine

HAO Zhuonan

(School of Computer Science & Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

AbstractAn automatic drink machine is designed using the digital circuit. It realizes drink choice function by using counter, and drink choice indicator light state change by using 3 to 8 decoder. It automatically judges with sugar or without sugar by using four-way selector and enables the result output to sugar output circuit, which can realize the function of automatically with sugar or without sugar. The automatic drink machine enables the users choose their fond drink, and choose to add sugar or not. The choice situation and drink output displays on the state indicator light. The design principle is simple and practical, and close to life.

Key Wordsdigital circuit, counter, selector, encoder

收稿日期:2015年12月18日,修回日期:2016年1月25日

作者簡介:郝卓楠,女,研究方向:信息安全。

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.044