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摘要：针对现有自动售货机一般销售的商品类型均为瓶装或袋装产品，无法满足人们日常生活对薄片类商品自动售货的市场需求。本文采用STM32单片机的履带式售货机来实现薄片类商品的售卖，它通过单片机驱动步进电机带动履带运动，由履带带动货物移动以达到出货的目的。顾客通过二维码扫描进行支付，简单方便快捷。通过红外检测来反馈出货是否正常。通过实物运行验证：履带式售货机运行平稳，在运输薄片类货物时容易控制，且出货正确。

关键词：STM32单片机；自动售货机；履带式；薄片类商品

Abstract： In view of the existing vending machine general sales of commodity types are bottled or bagged products， can not meet people's daily life for thin slices of commodity vending market demand. This paper uses STM32 single chip crawler vending machine to realize the sale of thin slices of commodities， it drives the stepper motor through the single chip to drive the crawler movement， and the crawler drives the goods to move to achieve the purpose of delivery. Customers pay through the two-dimensional code scanning， simple and convenient. Through infrared detection to feedback whether the delivery is normal. Through the physical operation verification： the crawler vending machine runs smoothly， it is easy to control when transporting thin slices of goods， and the delivery is correct.

Key words： STM32 MCU; vending machine; crawler type; thin-sliced commodities

0 引言

随着物联网、人工智能等无人化技术的日趋成熟，自动售货机越来越受大众欢迎[1]，自动售货机将会有一个广阔的发展前景[2]。近代以来，西方国家领跑经济发展，相当一段时间之内，我国处于追赶之中[3]。自动售货机市场在我国还是一个需要进一步开发的市场，它仍处缓慢发展的初期阶段[4-5]。无人售货机满足了随机性、即时性的消费需求[6] ，提高消费者购物的便利性[7]。现今无人售货机大致包括三种类型，分别是弹簧推送式售货机、履带式售货机和格子便利柜售货机[8]，销售的商品种类有限 [9-10]。国内的自动售货机几乎大部分都是贩卖饮料的普通机型，一些新兴的售卖机也是近几年才出现的[11]。

邵华梅等[12]设计了关于散装物品售卖的自动售货机，是通过MCU控制电机转动，精确完成散装食品的出售，但是只能适用于红豆等物品的售卖，王惠[13]的自动售货机设计采用了弹簧式的售货方式，利用ESP32单片机进行智能优化，也只能应用于饮料等物品，只优化了罐装饮料弹出的问题，无法适应多种物品售卖。徐旭[14]设计的自动售货机是针对于鲜切蔬果，利用PLC系统进行控制，适用范围狭窄。古孟军[15]的针对于自动售货机的货道设计也只针对于罐装物品，无法适应其他物品售卖例如袋装物品，薄片物品。

本项目实现一个以STM32单片机为核心控制器，以红外传感器、步进电机、电源为主要硬件，以物联网云平台+APP作为主要软件的薄片类自动售货机。STM32单片机起核心主控作用，通过驱动模块使传送带运转动实现物品出货，红外传感器精准感应货物掉落情况，然后将货物掉落信息通过红外反馈线传送给单片机，最后由单片机上传至云平台，从而完成信息的收集与反馈。该售货机具备的主要功能有：检测是否支付成功，自动识别是否出货，手机查看后台实时数据。该售货机集硬件设计、软件设计、云平台模块设计、机械结构设计于一体，达到对薄片类物品的顺利出售以方便人们生活的目标。

1  总体设计方案

售货机由硬件部分、软件部分、机械结构部分组成。

售货机的主要工作流程：

（1）用户扫码进入微信小程序并与进行机器连接。

（2）在微信小程序里选择货物并完成付款后，机器通过4G通信卡将信息上传到云平台，云平台收到付款信息后将信息传输至后台客户端。

（3）云平台向机器发送出出货指令，机器接收处理指令后，向步进电机发出信号，步进电机转动带动传送带，位于货道内的底层片状商品随传送履带运行至履带末端可掉入取货区域内。

（4）红外感应收集已经出货的信号并反馈给芯片上传到云平台，云平台向机器发出停止出货的信号，使电机停止转动。

2 硬件模块设计及其工作原理

2.1 主控模块

本项目中的主控模块选用的是MCU。MCU是微处理器，它是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器，具有电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。本项目中的MCU选用的是单片机，它是售货机接收、处理和发送信息的核心装置，在接收到出货信息后，由单片机来控制步进电机等装置的协调运转，从而完成一系列的出货流程，达到顺利出货和向云平台反馈的目的。

售货机选用的单片机型号为STM32F103ZET6，其优点是GPIO接口数量较多，可以满足售货机接收和发送信息的需求。在售货机中由开关电源进行供电，同时具有三个输出，分别对于三个步进电机，以及两个输入端分别对应货物掉落模块的两个红外对管。考虑到本项目所需实现的功能和性价比，进行综合考虑最终选用该型号单片机。

2.2 驱动模块

驱动模块是由步进电机和步进电机驱动器组成。电机型号选择常见的42步进电机，它是整个机械装置的动力执行部件，在得到给定的控制信号后带动机械装置运行，实现传送带的转动以达到出货的目的。步进驱动器是步进电机运行时的电子驱动装置，把控制器发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。步进驱动器对控制器发出的步进脉冲信号还具有细分功能，该功能具有完全消除步进电机的低频振荡，提高步进电机的输出转矩和步进电机分辨率的特点。

2.3 货物掉落检测模块

在本项目中货物掉落模块是由一对红外对管组成。红外对管通过串口与MCU进行连接。售货机通过红外感应装置可以精准感应货物掉落情况，同时减少装置与货物的不必要接触，除此之外，它高超的响应速度可以快速向云平台反馈销售情况，便于卖家随时掌握各种信息，并能与云平台之间及时进行交流。红外对管包括红外发射器和红外接收器，发射器用于发射所需波长的辐射，这种辐射到达物体时能被反射回来，由红外接收器检测并接收，根据检测到的辐射强度进行进一步处理，把接收的信息通过高低电平的转化来感应出货情况，然后将货物掉落信息通过红外反馈线传送给单片机，最后由单片机上传至云平台，从而完成信息的收集与反馈。

2.4 远程通信模块

售货机远程通信功能硬件主要包括STM32F103单片机和物联网通讯模块GM10-DTU网关。GM10-DTU网关实现MODBUS主站下位设备的数据主动采集，并将数据打包加密上传到EMCP平台，用户在EMCP平台的后台完成设备、数据规则、组态画面、用户的创建。GM10-DTU模块，其主要特点是：具有4G通信、响应速度快、网络频谱广、通信方式灵活、智能性能高、兼容性好、频率效率高、成本低等，非常适合本项目的应用。

3 软件设计

3.1电机控制子程序

电机控制系统的软件设计流程：1初始化电机装置，单片机获取电机所在接口的地址；2发送电机设置命令，根据售货机传送带传送货物所需摩擦力的大小固定合适的转速大小；3电机转动带动传送带转动，并将当前电机状态传输至单片机。电机工作流程如图2所示。

3.2 物体掉落检测模块字程序

红外检测程序流程：1初始化红外检测对管，使其与单片机进行通讯，单片机获取红外对管所在接口的地址；2发送红外对管设置命令，使其发送红外信号给单片机；3货物掉落一次，红外信号被中断；4中断信号被传输至单片机，检测到货物掉落。货物掉落检测程序如图3所示。

3.3主程序

售货机整体主程序流程：1售货机收到云平台信号进行初始化；2向电机发送设置指令，根据售货机传送带传送货物所需摩擦力的大小固定合适的转速大小；3电机转动带动传送带转动，货物通过摩擦力被运出；4货物掉落，红外信号中断；5中断信号被传输至单片机，检测到货物掉落；6售货机信号上传至云平台。主程序如图4所示。

3.4 云平台的设计

售货机云平台支持大量数据的云计算与大量数据的传输和储存，可以实现与售货机之间的信号传递，并与客户端进行信息的交流反馈，方便更直观地监控售货机的商品库存与各项运行参数。GM10-DTU通讯模块主要负责把售货机即时数据上传到云端进行实时分析计算，同时用户可以由各种终端登录相关网页和APP对售货机进行各项指令操作。云平台为用户提供开放的API接口，支持第三方软件和系统对平台数据的调取。只要登录EMCP平台即可实现对设备的远程管理、数据查看和远程控制。

4 产品实验及调试过程

因为货物是利用传送带与货物之间的摩擦进行出货，但是由于薄片货物与传送带之间摩擦力过大导致货物会被卡住。因此经过多次实验调整，最终决定在传送带上每隔一段涂上一段热熔胶用于平衡摩擦力以保证可以正常出货。

机器检测模块有时会出现货物还未落到取货区域，检测模块就接收到货物落下的信号，之后电机停止转动导致无法正常出货，之后我们通过软件程序检查，光照强度测试等实验检查，发现光照会影响到正常出货，因此决定在箱体正面的透明亚克力板上加上一层防晒膜，来避免光照的影响以保证正常出货。

货道最下方会有一块挡板，挡板的倾斜角度会影响到出货，如果角度太大可能会导致一次性掉下两片的可能，如果角度过小，则可能导致货物卡住无法正常出货，因此我们用钳子将挡板调整到一个合适的角度以保证正常出货。

5  产品运营情况

目前本产品与千金净雅卫生巾品牌合作已实际投入运营100台。通过扫描产品上的二维码，进入APP界面，进行产品选购。支付后，卫生巾与传送履带摩擦送入取货口，经过红外系统检测，出货后反馈至云平台，结束订单。目前产品运营正常。技术人员可以通过后台系统实时观测到不同时间段内的各个设备情况，图5为售货机后台管理系统。

6 结束语

本设计解决了薄片型物品无法适应销售多元化、尺寸多元化，用途多元化和种类多元化的问题，通过对售货机机械结构进行改进、控制主板、人机交互的按键及移动支付相关设备组成的硬件部分，构成一个移动、智能的零售设备。根据人机工程学等相关理论研究薄片型自动贩卖机设备的结构尺寸、外观样式等内容，使产品更加符合人们的使用需求和操作习惯，并且使设备能够满足室内外不同地点环境的要求，更加方便投放和后期的维护。拓展了售卖物品种类的多样化，对于极力方便人们的生活，进一步开发市场，推动国家和社会的发展。

参考文献

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[6]黄敬惟.无人零售越来越多[N].人民日报海外版，2023-02-27（008）.

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[12]邵华梅，汪志成，徐丽琴，等. 基于STM32的散装食品自动售货机设计[J]. 机械制造与自动化，2021，50（3）：220-223.

[13]王惠，聂建华，王庆龙. 基于ESP32单片机的自动售货机设计[J]. 今日制造与升级，2022（9）：46-49.

[14]苏旭，李保国. 鲜切果蔬自动售货机设计[J]. 轻工机械，2015，33（3）：77-80. DOI：10.3969/j.issn.1005-2895.2015.03.020.

[15]古孟军. 罐/瓶装饮料自动售货机的货道设计[J]. 中国机械，2014（21）：152-153.

基金项目：2023年教育部产学合作协同育人项目（230805211071059）

陈熙蕾：女，汉族，现就读于湖南工业大学，研究方向：测控技术与仪器、自动化、电气电子。 1447168632@qq.com 18563888629

通讯作者：周凌，男，汉族，博士，湖南工业大学教师，研究方向：复杂设备智能诊断