курсовая работа: Устройство выдачи [Программирование, компьютеры и кибернетика]

СОДЕРЖАНИЕ График выполнения курсового проекта Введение 1. Техническое задание 1.1 Введение 1.2 Назначение и общая характеристика устройства 1.3 Требования к устройству 2. Специальная часть 2.1 Разработка логической схемы устройства 2.2 Выбор элементной базы для построения устройства 2.3 Построение электрической принципиальной схемы устройства Заключение Список использованных источников Приложения ВВЕДЕНИЕ Устройство выдачи предназначено, для автоматизации выдачи продукта или денег. В наши дни такие устройства распространены в торговых автоматах, банкоматах и подобных устройствах для выдачи продуктов. На примере устройства выдачи рассмотрим кофейный автомат, который должен выдавать напиток, заказанный потребителем. О том, как механизировать процесс приготовления кофе, европейцы стали задумываться еще в далекие 1820-е годы. Изобретение парового двигателя очаровало человечество и сподвигло на применение его в самых разных хозяйственных областях. В частности, француз Луи-Бернард Бабо в 1822 году подумал, что если пустить из парового котла пароводяную смесь под давлением через молотый кофе, то можно сварить кофе много и быстро. До создания действующей модели кофе-машины дело тогда не дошло, но месье Бабо вошел в историю, как человек придумавший принцип, по которому работают кофейные аппараты. Его расчеты и чертежи были отправлены в Парижскую академию наук. Создателем первой паровой кофе-машины, более или менее пригодной для коммерческого использования, в 1843 году стал Эдвард Лойзель де Санте. После этого конструктор продолжил создавать более совершенные кофейные аппараты, и в 1855 году представил миру свою чудесную кофе-машину на Парижской выставке. Это громоздкое и грандиозное устройство произвело настоящий фурор. Обслуга кофе-машины состояла из кочегара, который поддавал угля в топку, и оператора-машиниста, следившего за давлением пара в котле, он же засыпал несколько килограммов молотого кофе в специальный бункер и дергал за внушительный рычаг. Из краника чудо-агрегата начинал почти непрерывно струиться превосходный напиток с фантастической скоростью (1000 чашек в час). Долгое время потом французы именовали любые кофейные аппараты не иначе, как «гидростатическими вазами Лойзеля».К началу ХХ века в Италии «кофейный бум» достиг своего пика. Каждый, кто хоть немного был связан с техникой, занимался изобретением своей кофе-машины. Многие известные сегодня бренды, производящие кофейные аппараты, возникли именно в 1900-1930 годах из маленьких мастерских. Вскоре конструирование кофе-машин в Италии переросло в нечто сродни национальному спорту. Это повальное увлечение породило настоящую «войну патентов» — каждый изобретатель на последние деньги торопился «застолбить» свое право на открытие. И, надо отдать должное, гениальные идеи не иссякали в головах итальянских конструкторов.В 1901 году Луиджи Беззера модернизировал паровую кофемашину. Он сделал ее намного практичнее и компактнее. Важнейшим новаторством стала изобретенная им система закрепления фильтро-держателя на раздаточную группу. Эту систему и по сей день используют современные кофейные аппараты. Вторая новинка, изобретенная Луиджи Беззером, заключалась в том, что каждая чашка варилась на точно отмеренной порции молотых зерен кофе. И третье ноу-хау – кофемашины Безерра применяли пар в котле для того, чтобы взбивать молоко и сливки. Дезидеро Павони в 1903 году приобрел у Безерра патент и в 1905 году в своей мастерской стал производить кофейные аппараты. Так началась история La Pavoni S.p.a – одного из весьма уважаемых брендов, производящих профессиональные кофемашины. В 1935 году доктор Франческо Илли впервые применил в своей машине не пар, а сжатый воздух для подачи воды под давлением. Теперь через молотый кофе проходила вода оптимальной для его приготовления температуры и под более высоким давлением. «Lletta» - так изобретатель назвал свое детище. Однако, все коммерческие кофейные аппараты того времени были все равно очень громоздкими, дорогими и весьма сложными в управлении. И позволить их себе для привлечения клиентуры могли лишь солидные заведения . Действительно массовая культура кофе эспрессо в Италии появилась только после того, как были изобретены леверные (рычажные) кофемашины. Кофейный автомат — автомат по продаже кофе и других горячиых напитков. Часто устанавливаются в офисных центрах, транспортных узлах, различных учреждениях, магазинах и поликлиниках. Такой автомат обычно может готовить кофе нескольких сортов, чай (как из растворимых концентратов, так и натуральный листовой), какао и бульон из растворимых концентратов. Продукт выдаётся в одноразовые пластиковые или бумажные стаканы. Ранние кофейные автоматы не имели возможности автоматически выдавать стаканы. Тубы со стаканами крепились к аппаратам. По типам приготовленного кофе автоматы делятся на два типа: автомат с растворимым кофе и автомат с зерновым кофе.На сегодняшний день кофейные аппараты обладают мобильностью и удобные в использование в офисах, учебных заведениях, аэропортах, вокзалах, торговых центрах вообще в местах большого скопления людей. Ведь кофейный аппарат позволяет нам без труда и большого затраты времени приготовить напиток нам по вкусу. В начале покупатель вносит деньги, затем выбирает напиток. Напиток обычно выбирается посредством нажатия кнопки на корпусе автомата, рядом с описанием и ценой напитка. Для выбора каждого напитка существует отдельная кнопка. После этого автомат готовит напиток. Если это кофейный автомат на растворимом кофе, то приготовление представляет собой растворение всех ингредиентов в горячей воде. Если в автомате готовится зерновой кофе, то приготовление можно поделить на пять фаз: 1. Добавление сыпучих ингредиентов в стакан; 2. Помол зерен и дозирование молотой кофейной массы; 3. Спрессовывание кофейной массы между двумя сетками в брикет; 4. Пропускание через брикет кипящей воды под давлением 15 бар. Полученный кофе сразу попадает в стакан; 5. Отжим и удаление отработанной кофейной массы. Выдача палочки для размешивания. 1 Техническое задание 1.1 Введение Каждый кофейный автомат запрограммирован на точное выполнение функций: стоимость продукции, последовательность выполнения действий, нужное количество ингредиентов. Программа кофейного автомата управляет всеми этими функциями для приготовления напитка. Каждый автомат включает в себя определенные связующие узлы: панель управления, монетоприемник, дисплей. В систему управления входят: транспортеры, дозаторы, смесители, сатуратор; механизм выдачи состоит из фиксатора для стаканов и сервомотора. В состав автомата также может входить система охлаждения напитка. На сегодня выбор напитков в кофейном автомате может достигать 20 видов и включать различные ингредиенты (сахар, сливки, молоко). Для каждого из них существует специальный бункер. Каждый из таких бункеров обеспечен специальным миксером, который под давлением смешивает воду с напитком. Торговые автоматы, которые готовят кофе из зерен, также оснащены специальной кофемолкой. Когда вы выбирает напиток и нажимаете на кнопку, запускается процесс приготовления кофе. Кофейные зерна из бункера попадают в кофемолку, где измельчаются, а из других бункеров автомата поступают остальные ингредиенты: сахар, сливки или молоко. Таким образом, создается кофейная таблетка, через которую под высоким давлением пропускается горячая вода и в результате чего получается готовый напиток. Вода необходимая для приготовления кофе может поступать из специально встроенного резервуара внутри аппарата либо из водопровода. 1.2 Назначение и общая характеристика Кофейный автомат, предназначен для удовлетворения обширных потребностей покупателей кофе, чая и бульонов. Данный автомат благодаря своим возможностям, очень востребован и актуален в местах скопления людей. Автомат имеет много различных характеристик (см.таблицу 1), благодаря которым потребитель может выбрать автомат подходящей конкретно ему, основной характеристикой является габариты и вес. Кофейные автоматы нашего времени обладают обширным набором напитков и являются экономически прибыльными ”торговыми объектами”, выручка данного автомата превышает его затраты, исходя из этого кофейный автомат можно считать выгодным. Таблица 1 Характеристики автомата Количество напитков Шт. Емкость бака воды Литр. Загрузка стаканов Шт. Купюроприемник Монетоприемник Питание Вольт Габариты Мм. Вес Кг. Минимальная потребляемая мощность Ватт Максимальная потребляемая мощность Ватт 1.3 Требования к устройству 1.3.1 Требования к функциональным характеристикам Для того, того чтобы схема работала на нее должны поступать сигналы, от пользователя. Пользователь вносит монету 50 или 100. На схему поступил сигнал, теперь схема открыта, по нажатию кнопки должен сгенерироваться двоичный код, для подачи сигналов на микросхему. В зависимости от нажатой кнопки на микросхему поступает определенный код, который уже заложен в микросхеме, и уже потом микросхема подает сигнал всем остальным узлам для приготовления кофе. 1.3.2. Требования к надежности Для функционирования микросхемы, необходимо напряжение в 5V и сила тока 1.2 A. Максимальная температура, при которой микросхема функционирует правильно, равна 175°C. Если микросхема перегружена или перегрелась, то на откат уходит примерно 7-8 минут. 1.3.3. Требования к составу и параметрам технических средств Для проектирования микросхемы устройства выдачи был использован персональный компьютер, обладающий следующими характеристиками: - ОС Windows 7; - Частота процессора 2.40 Ггц. - Оперативная память объемом 4 Гб. - Видеокарта объемом 2 Гб. - 1 Гб свободного места на жестком диске. Программное обеспечение для проектирования логической и электрической схемы: Logisim 2.7.0. Multisim 11.0 2 Специальная часть 2.1 Разработка логической схемы устройства Блок-схема устройства представлена на рисунке 1. Рисунок 1 Блок-схема устройства Для того, чтобы спроектировать микросхему для управления кофейными автоматом, нужно иметь определенное ПО. В нашем случае это среда проектирование логических схем «Logisim». Logisim – инструмент позволяющий разрабатывать и моделировать цифровые электрические схемы, используя графический интерфейс пользователя. Logisim — свободное программное обеспечение, выпущенное под GNU GPL; может запускаться на Microsoft Windows, Mac OS X, и Linux. Код полностью написан на Java с использованием библиотеки Swing для графического интерфейса пользователя. Основной разработчик, Carl Burch, работает над Logisim с его появления в 2001 году. Программа чаще всего используется учащимися в курсе изучения информатики для разработки и экспериментов с цифровыми схемами при моделировании. Схемы разрабатываются в Logisim с помощью графического интерфейса, близкого к традиционному для программ для рисования, такой интерфейс встречается во многих других программах для моделирования схем. Схема имеет 6 выходов, и каждый выход отвечает за приготовление особого напитка. Выход определяется особой комбинацией входов (см.таблицу 2). Таблица 2 Комбинации двоичных чисел для выбора напитка 111 Кофе 110 Кофе с молоком 101 Чай 011 Эспрессо 001 Мокко 100 Чай с молоком Чтобы активировать схему, нужен сигнал, который предоставляет информацию, что деньги в автомате есть, здесь это выступает как разрешающий вход или как его еще называют управляющий. Купюре или монете в автомате присваивается двоичный код, и позволяет подать сигнал на схему, выбора напитков. Пока схема купюроприемника не работает, схема выбора напитка тоже работать не будет. 2.2 Выбор элементной базы для построения устройства Логическая схема состоит из базовых элементов «И», «ИЛИ» и «НЕ». Логическая схема состоит из трех основных логических элементов И, ИЛИ, НЕ. Также устройство логическая схема имеет управляемый буфер для включения и отключения схемы, и битов ввода и вывода. Элемент ИЛИ (логическое сложение или дизъюнкция) мнемоническое правило для дизъюнкции с любым количеством входов звучит так: На выходе будет: «1» тогда и только тогда, когда хотя бы на одном входе действует «1», «0» тогда и только тогда, когда на всех входах действуют «0» (см.рис.2) Рисунок 2 Логический элемент «ИЛИ» Элемент И (логическое умножение или конъюнкция) - логический элемент, реализующий функцию конъюнкции, называется схемой совпадения. (см.рис.3) Мнемоническое правило для конъюнкции с любым количеством входов звучит так: На выходе будет: «1» тогда и только тогда, когда на всех входах действуют «1», «0» тогда и только тогда, когда хотя бы на одном входе действует «0» Словесно эту операцию можно выразить следующим выражением: \"Истина на выходе может быть при истине на входе 1 И истине на входе 2\". Рисунок 3 Логический элемент «И» Элемент НЕ (логическое отрицание или инверсия) - Мнемоническое правило для отрицания звучит так: На выходе будет: «1» тогда и только тогда, когда на входе «0», «0» тогда и только тогда, когда на входе «1». (см.рис.4) Рисунок 4 Логический элемент «НЕ» Для построения электрической схемы устройства выдачи нам потребуются электрорадио элементы трех типов. Два транзистора 2N2222 и BF908WR. И полупроводниковый диод 1BH62. Транзистор BF908WR является полевым и позволяет реализовать ждущий режим. Транзистор 2N2222 является биполярным и служит для усиления тока и распределения сигналов. 2.3 Построение электрической принципиальной схемы устройства Устройство выдачи состоит, из таких электрорадио элементов, как транзисторы и диоды. Транзистор, используется для усиления тока, сигналов, напряжения. Усиление происходит за счет источника питания. Диод, служит для выпрямления переменного тока в постоянный. Одним из двух типов транзисторов используемых в схеме, является полевой транзистор. За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов). Электрическая схема состоит из двух типов транзисторов и семи диодов. Параметры элементов представлены в таблицах 3-5. Таблица 3 Биполярный высокочастотный транзистор 2N2222. Количество 1 Допустимое рабочее напряжение 5V Допустимая мощность рассеивания 500mW Диапазон рабочих частот 250MHz Коэффициент электрической нагрузки 800mA Диапазон рабочих температур 175°C Таблица 4 Полевой транзистор с управляющим P переходом BF908WR Количество 5 Допустимое рабочее напряжение 5V Диапазон рабочих частот 300MHz Коэффициент электрической нагрузки 40mA Диапазон рабочих температур 150°C Таблица 5 Полупроводниковый диод 1BH62 Количество 7 Допустимое рабочее напряжение 5V Диапазон рабочих частот 250MHz Коэффициент электрической нагрузки 1A Диапазон рабочих температур 125°C Принципиальная электрическая схема устройства была разработана в программе MultiSim. Схема цепи представлена в приложении В. ЗАКЛЮЧЕНИЕ При проектировании микросхемы устройства выдачи, был сделан больший акцент на построение логической схемы. Микросхема была спроектирована на базовых элементах логики, так как устройство комбинационное. Не хватало цифровых элементов таких как триггеров, счетчиков, регистров. Построение схемы лишь на базовых элементах было осложнено тем, что устройство не может иметь ячеек памяти. Использование цифровых элементов намного бы облегчило создание схемы и расширило бы ее возможности. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. http://any-book.org/download/12744.html 2. http://www.maximumbt.ru/page/page33.html 3. http://ru.wikipedia.org/ 4. http://vendingvrn.ru/stati/592-princip-raboty-kofejnogo-avtomata 5. http://razrabotka.pro/news.php?readmore=33 6. http://miet.ru/structure/s/233 7. http://korzh.net/2011-04-logisim-sreda-razrabotki-cifrovyx-sxem-vsego-na-6mb.html 8. http://projects.org.ua/forum/viewtopic.php?t=1750