单片机的高灵敏度掉货光电检测控制板设计【字数：21124】
摘 要为了解决市面上自动售货机的掉货检测模块经常出现故障的问题，本课题基于红外光电检测原理设计了红外发射和接收模块的硬件电路板，实现了货物的高灵敏度掉落检测。该检测系统主要采用新唐科技公司的高速1T 8051单片机系列生产的N76E003芯片作为主控芯片来控制，并利用红外多路检测的原理来实现货物的准确检测。本文不仅给出了相关硬件电路的设计方法，还阐述了其设计的相关原理及相关电子元器件的选型。其中，为了保证掉货检测系统的高灵敏度，在以下3个方面做了设计。首先，为了提高小物体掉货检测的灵敏度，增加了多对红外光电管进行检测。其次，在红外检测模块中选用了发射功率较大为130mW，最大发射角为25°的发光二极管。第三，在程序设计中设置了二极管工作脉冲及循环判断的识别算法，来确保接收端能准确检测到波形发生的变换，实现掉货的准确检测。
目 录
摘 要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究现状 1
1.3课题研究主要内容 3
2系统总体设计及原理 5
2.1系统设计原理 5
2.2系统结构及功能设计 5
2.3设计方案选择 6
3硬件电路设计及介绍 9
3.1 N76E003最小控制系统设计 9
3.2红外发射硬件设计 10
3.2.1电源模块 10
3.2.2红外发射模块 13
3.3红外接收硬件设计 16
3.3.1电源模块 16
3.3.2红外接收模块 19
3.3.3信号输出模块 21
4软件设计 23
4.1软件总体设计 23
4.2红外发射模块设计 24
4.2.1主函数 24
4.2.2定时中断函数 25
4.2.3红外线发射模块 27
4.3红外接收处理模块设计 29
4.3.1主函数 29
4.3.2定时中断函数 31
4.3.3红外检测模块 33
5系统调试及结果分析 37
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5.1调试方法和相关参数 37
5.1.1关键参数 37
5.1.2调试方法 39
5.2测试结果及分析 40
5.2.1测试结果 40
5.2.2数据分析 41
6总结 44
6.1总结 44
6.2工程伦理问题 44
6.2.1对环境和可持续发展的影响 44
6.2.1涉及的法律法规 44
参考文献 45
附录 46
附录 A 系统电路原理图 46
附录 B 系统核心源代码 48
附录 C 设计实物图 55
致谢 57
1绪论
1.1课题研究背景
从自动售卖机进入中国市场以来，其规模一直在不断扩大，发展前景十分广阔。近些年来，随着国内自动售货机企业生产技术的进步，自动售货机的故障率较前几年有明显的下降；但自动售货机这样的大型机械设备无法保证不发生故障。一般来说，自动售货机出现故障有以下两大类主要原因：一类是由于机器设备本身问题导致的故障，如由于太阳光紫外线等其他外部干扰导致售货机掉货检测部分检测出现故障；第二类是人为外在原因导致的问题，如顾客选择的货物过于细小（如口香糖等），从而导致售货机掉货检测装置检测失败。
一旦掉货检测失败，则非常可能会出现售货机吞币不找零、随意扣钱等各种问题。因此，有必要设计一种用在自动售货机上具有高灵敏度的掉货检测控制电路板，以防止掉货检测失败情况的发生。本课题设计的掉货检测系统是采用红外多路检测技术实现的，可以解决产品售卖时，因机器故障等未知因素导致检测失败的问题，以确保顾客获得良好的购物体验。
1.2课题研究现状
通过阅读大量文献参考资料，并对自动售货机掉货检测控制设计方案进行大量分析后，总结如下：
参考文献[1]总结了自动售货机市场的发展现状：随着新零售和共享经济的兴起，目前自动售货机市场从传统制造设备商独占市场的模式逐渐转变为电商巨头线下探索、创业公司创新模式、商超转型升级等多种业态模式。作者提出要想在未来的自动售货机市场上拔得头筹，则必须在自动售货机的技术研究上考虑环保、节能和便利性等方面，进一步探索自动售货机市场的可持续发展模式。
参考文献[2]针对自动售货机在实际使用中存在大量的人机交互问题，例如显示屏反光、支付区域高度不合适、取货口位置偏低等问题，作者提出能改进自动售货机的显示屏设计，区域布局和取货方式，优化自动售货机的人机界面的一种方法，使自动售货机界面更加清晰、操作动作更加流畅，从而提升了消费者的使用体验。但这种设计并没有解决售货机内部掉货的误检测问题，为此可考虑选用红外光电传感器进行掉货检测，其电路构建较简单、可靠性较高。
参考文献[3]针对目前自动售货机的研究多局限于内部结构，缺乏对人机交互的研究，从而使得用户在操作过程中遇到障碍的问题。为此，作者提出了场景还原、可用性测试、用户深度访谈、用户体验折线图等研究方法，深入挖掘了用户的潜在需求，使得自动售货机人机交互操作流程的用户体验得到了优化。但这种设计还是没有解决售货机内部掉货的误检测问题，为此可考虑选用红外光电传感器进行掉货检测，其电路构建较简单、可靠性较高。
参考文献[4]针对售货机掉货检测的抗干扰能力以及故障的诊断处理，设计了一种自动售货机主控制系统，主要从硬件和软件方面对电机驱动控制部分作了改进，使系统具备了高度的稳定性和可靠性。作者未考虑由于天气情况导致检测系统出现故障的问题，为此可考虑在电路中增加多种滤波电路增加系统可靠性。
参考文献[5]针对售货机中不可移动式的货物接收平台会使商品受到不同程度的损伤的问题，从机械结构方面设计了一款可升降移动的货物接收平台，能够减少商品掉货时的损伤。但对于一些比较细小的物体如口香糖等不太容易检测的商品，作者没有考虑到这一点。对此可通过增加多个红外光电管来进行多路检测，以此来降低检测失败率。在对上述文献进行分析后，最终得出总体设计方案：将单片机作为控制核心，利用红外发射接收对管的光电检测原理，通过对多对红外线对管的接收输出信号的检测，实现货物的多路红外光电检测，以此来减少误检测的机率。
参考文献[6]针对传统自动售货机送出机构造成的卡货不掉货等一些机械故障问题，提出了一种基于槽轮的最小转矩为目标函数数学模型的罐装送出机构的设计方案，使得送出机构的使用寿命得到了延长，并提高了售货机的工作效率。
目 录
摘 要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究现状 1
1.3课题研究主要内容 3
2系统总体设计及原理 5
2.1系统设计原理 5
2.2系统结构及功能设计 5
2.3设计方案选择 6
3硬件电路设计及介绍 9
3.1 N76E003最小控制系统设计 9
3.2红外发射硬件设计 10
3.2.1电源模块 10
3.2.2红外发射模块 13
3.3红外接收硬件设计 16
3.3.1电源模块 16
3.3.2红外接收模块 19
3.3.3信号输出模块 21
4软件设计 23
4.1软件总体设计 23
4.2红外发射模块设计 24
4.2.1主函数 24
4.2.2定时中断函数 25
4.2.3红外线发射模块 27
4.3红外接收处理模块设计 29
4.3.1主函数 29
4.3.2定时中断函数 31
4.3.3红外检测模块 33
5系统调试及结果分析 37
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5.1调试方法和相关参数 37
5.1.1关键参数 37
5.1.2调试方法 39
5.2测试结果及分析 40
5.2.1测试结果 40
5.2.2数据分析 41
6总结 44
6.1总结 44
6.2工程伦理问题 44
6.2.1对环境和可持续发展的影响 44
6.2.1涉及的法律法规 44
参考文献 45
附录 46
附录 A 系统电路原理图 46
附录 B 系统核心源代码 48
附录 C 设计实物图 55
致谢 57
1绪论
1.1课题研究背景
从自动售卖机进入中国市场以来，其规模一直在不断扩大，发展前景十分广阔。近些年来，随着国内自动售货机企业生产技术的进步，自动售货机的故障率较前几年有明显的下降；但自动售货机这样的大型机械设备无法保证不发生故障。一般来说，自动售货机出现故障有以下两大类主要原因：一类是由于机器设备本身问题导致的故障，如由于太阳光紫外线等其他外部干扰导致售货机掉货检测部分检测出现故障；第二类是人为外在原因导致的问题，如顾客选择的货物过于细小（如口香糖等），从而导致售货机掉货检测装置检测失败。
一旦掉货检测失败，则非常可能会出现售货机吞币不找零、随意扣钱等各种问题。因此，有必要设计一种用在自动售货机上具有高灵敏度的掉货检测控制电路板，以防止掉货检测失败情况的发生。本课题设计的掉货检测系统是采用红外多路检测技术实现的，可以解决产品售卖时，因机器故障等未知因素导致检测失败的问题，以确保顾客获得良好的购物体验。
1.2课题研究现状
通过阅读大量文献参考资料，并对自动售货机掉货检测控制设计方案进行大量分析后，总结如下：
参考文献[1]总结了自动售货机市场的发展现状：随着新零售和共享经济的兴起，目前自动售货机市场从传统制造设备商独占市场的模式逐渐转变为电商巨头线下探索、创业公司创新模式、商超转型升级等多种业态模式。作者提出要想在未来的自动售货机市场上拔得头筹，则必须在自动售货机的技术研究上考虑环保、节能和便利性等方面，进一步探索自动售货机市场的可持续发展模式。
参考文献[2]针对自动售货机在实际使用中存在大量的人机交互问题，例如显示屏反光、支付区域高度不合适、取货口位置偏低等问题，作者提出能改进自动售货机的显示屏设计，区域布局和取货方式，优化自动售货机的人机界面的一种方法，使自动售货机界面更加清晰、操作动作更加流畅，从而提升了消费者的使用体验。但这种设计并没有解决售货机内部掉货的误检测问题，为此可考虑选用红外光电传感器进行掉货检测，其电路构建较简单、可靠性较高。
参考文献[3]针对目前自动售货机的研究多局限于内部结构，缺乏对人机交互的研究，从而使得用户在操作过程中遇到障碍的问题。为此，作者提出了场景还原、可用性测试、用户深度访谈、用户体验折线图等研究方法，深入挖掘了用户的潜在需求，使得自动售货机人机交互操作流程的用户体验得到了优化。但这种设计还是没有解决售货机内部掉货的误检测问题，为此可考虑选用红外光电传感器进行掉货检测，其电路构建较简单、可靠性较高。
参考文献[4]针对售货机掉货检测的抗干扰能力以及故障的诊断处理，设计了一种自动售货机主控制系统，主要从硬件和软件方面对电机驱动控制部分作了改进，使系统具备了高度的稳定性和可靠性。作者未考虑由于天气情况导致检测系统出现故障的问题，为此可考虑在电路中增加多种滤波电路增加系统可靠性。
参考文献[5]针对售货机中不可移动式的货物接收平台会使商品受到不同程度的损伤的问题，从机械结构方面设计了一款可升降移动的货物接收平台，能够减少商品掉货时的损伤。但对于一些比较细小的物体如口香糖等不太容易检测的商品，作者没有考虑到这一点。对此可通过增加多个红外光电管来进行多路检测，以此来降低检测失败率。在对上述文献进行分析后，最终得出总体设计方案：将单片机作为控制核心，利用红外发射接收对管的光电检测原理，通过对多对红外线对管的接收输出信号的检测，实现货物的多路红外光电检测，以此来减少误检测的机率。
参考文献[6]针对传统自动售货机送出机构造成的卡货不掉货等一些机械故障问题，提出了一种基于槽轮的最小转矩为目标函数数学模型的罐装送出机构的设计方案，使得送出机构的使用寿命得到了延长，并提高了售货机的工作效率。
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