基于STM32的无人售货机系统设计

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DS小龙哥 发表于 2023/06/15 09:00:25 2023/06/15
【摘要】 本文针对现有售货机存在的缺陷，设计了一款基于STM32的无人售货机系统。该系统采用STM32作为主控芯片，使用液晶屏显示各种商品库存与售价，用户按下对应按键选择购买指定商品，在矩阵键盘输入账号密码付款。若付款成功，对应电机旋转一定角度使商品出库，同时修改库存；若余额不足，则进行声光提示。手机端还可查看消费流水、商品库存情况，并进行补货和充值操作。

一、项目背景

随着科技的发展和生活水平的提高，人们对于购物体验的要求越来越高。传统的商场、超市购物方式已经无法满足消费者的需求，因此无人售货机应运而生。本文针对现有售货机存在的缺陷，设计了一款基于STM32的无人售货机系统。该系统采用STM32作为主控芯片，使用液晶屏显示各种商品库存与售价，用户按下对应按键选择购买指定商品，在矩阵键盘输入账号密码付款。若付款成功，对应电机旋转一定角度使商品出库，同时修改库存；若余额不足，则进行声光提示。手机端还可查看消费流水、商品库存情况，并进行补货和充值操作。

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二、系统设计

2.1 系统硬件设计

该系统的核心部件是STM32主控芯片，它负责整个售货机的控制和管理。液晶屏用于显示商品信息、价格等，矩阵键盘用于用户输入账号密码进行支付。电机控制板用于控制商品出库。

硬件组成：

主控芯片选：STM32F103ZET6 液晶屏选择：2.8寸TFT-LCD屏 WIFI选择：ESP8266-WIFI 与手机APP之间通信。模式配置为STA模块。连接服务器。 电机旋转角度：28BYJ48步进电机。 控制出货机出货物。 矩阵键盘：4X4的矩阵键盘。

2.2 系统软件设计

软件部分主要包括STM32程序和手机APP程序。STM32程序是售货机的核心程序，负责控制各个部件的工作，实现售货机的基本功能。APP程序可以通过与STM32通信来实现商品库存查看、补货、充值等功能。

STM32部分主要分为以下几个模块：

（1）初始化模块：初始化各个部件的工作状态和参数。 （2）商品选择模块：根据用户按下的按钮，选择相应的商品。 （3）支付模块：通过矩阵键盘输入账号密码进行支付，并根据支付结果控制电机的工作状态。 （4）库存管理模块：根据商品销售情况，实时更新商品库存信息。 （5）声光提示模块：在用户付款失败或余额不足时，通过蜂鸣器和LED灯进行声光提示。

手机APP程序主要分为以下几个模块：

（1）用户登录模块：用户可以通过输入账号密码登录APP。 （2）商品查看模块：用户可以查看售货机内商品库存情况。 （3）补货模块：商家可以通过APP进行补货操作，将商品补充至指定数量。 （4）充值模块：用户可以通过APP进行账户充值操作。 （5）消费流水模块：用户和商家可以查看售货机的消费记录。

以上各模块之间通过STM32和APP程序之间进行通信，实现整个系统的功能。

三、核心代码实现

【1】步进电机控制代码

以下是28BYJ48步进电机的代码：

（1）定义一些宏和变量以便于控制步进电机：

 #define IN1 GPIO_Pin_0
 #define IN2 GPIO_Pin_1
 #define IN3 GPIO_Pin_2
 #define IN4 GPIO_Pin_3
 ​
 #define STEPS_PER_REVOLUTION 2048 //步数每圈
 #define DELAY_MS 5 //控制转速的延迟时间
 ​
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 ​
 int step_count = 0;
 uint16_t steps[] = {IN1 | IN2 | IN3 | IN4,
                     IN2 | IN3 | IN4,
                     IN1 | IN2 | IN3,
                     IN3 | IN4,
                     IN1 | IN3 | IN4,
                     IN2 | IN4,
                     IN1 | IN2,
                     IN4};
 ​
 void delay_ms(uint32_t ms) {
     uint32_t i, j;
     for (i = 0; i < ms; i++) {
         for (j = 0; j < 1141; j++);
     }
 }
 ​
 void setStep(int step) {
     GPIO_ResetBits(GPIOB, IN1 | IN2 | IN3 | IN4);
     GPIO_SetBits(GPIOB, steps[step]);
 }
 ​
 void forward(int steps_to_move) {
     int i;
     for (i = 0; i < steps_to_move; i++) {
         setStep(step_count % 8);
         step_count++;
         delay_ms(DELAY_MS);
     }
 }
 ​
 void backward(int steps_to_move) {
     int i;
     for (i = 0; i < steps_to_move; i++) {
         setStep(step_count % 8);
         step_count--;
         delay_ms(DELAY_MS);
     }
 }

在上面的代码中，定义了四个引脚来控制步进电机，然后定义了一些函数来实现正反转控制。

delay_ms函数用于延迟控制步进电机的转速。STEPS_PER_REVOLUTION宏定义了每圈的步数，DELAY_MS宏定义了控制转速的延迟时间。

setStep函数根据传入的步数设置引脚状态，接着forward和backward函数分别根据需要移动的步数控制步进电机的转动方向，并调用setStep函数控制步进电机的步数。

最后，将forward和backward函数封装成一个子函数来更方便地调用：

 void control_stepper_motor(int steps_to_move, int direction) {
     if (direction == 1) {
         forward(steps_to_move);
     } else {
         backward(steps_to_move);
     }
 }

这样，就可以通过调用control_stepper_motor函数来实现正反转控制28BYJ48步进电机了。

【2】矩阵键盘检测代码

以下是4x4电容矩阵键盘的示例代码：

（1）定义一些宏和变量以便于控制电容矩阵键盘：

 #define ROW1 GPIO_Pin_0
 #define ROW2 GPIO_Pin_1
 #define ROW3 GPIO_Pin_2
 #define ROW4 GPIO_Pin_3
 ​
 #define COL1 GPIO_Pin_4
 #define COL2 GPIO_Pin_5
 #define COL3 GPIO_Pin_6
 #define COL4 GPIO_Pin_7
 ​
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 ​
 const uint8_t keys[4][4] = {
     {'1', '2', '3', 'A'},
     {'4', '5', '6', 'B'},
     {'7', '8', '9', 'C'},
     {'*', '0', '#', 'D'}
 };

在上面的代码中，定义了8个引脚来控制电容矩阵键盘，并使用一个二维数组来存储每个按键对应的字符。

（2）需要编写一个函数来检测电容矩阵键盘是否有按下。

该函数需要通过轮询扫描键盘来检测按键，如果有按键按下，则返回该按键对应的字符：

 char scan_keypad() {
     GPIO_ResetBits(GPIOC, ROW1 | ROW2 | ROW3 | ROW4);
     GPIO_SetBits(GPIOC, COL1 | COL2 | COL3 | COL4);
 ​
     if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0);
         return keys[0][0];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0);
         return keys[1][0];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0);
         return keys[2][0];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0);
         return keys[3][0];
     }
 ​
     GPIO_ResetBits(GPIOC, ROW1 | ROW2 | ROW3 | ROW4);
     GPIO_SetBits(GPIOC, COL1 | COL2 | COL3 | COL4);
 ​
     if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0);
         return keys[0][1];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0);
         return keys[1][1];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0);
         return keys[2][1];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0);
         return keys[3][1];
     }
 ​
     GPIO_ResetBits(GPIOC, ROW1 | ROW2 | ROW3 | ROW4);
     GPIO_SetBits(GPIOC, COL1 | COL2 | COL3 | COL4);
 ​
     if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0);
         return keys[0][2];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0);
         return keys[1][2];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0);
         return keys[2][2];
     } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0) {
         while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0);
             return keys[3][2];
 }
 GPIO_ResetBits(GPIOC, ROW1 | ROW2 | ROW3 | ROW4);
 GPIO_SetBits(GPIOC, COL1 | COL2 | COL3 | COL4);
 ​
 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0) {
     while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW1) == 0);
     return keys[0][3];
 } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0) {
     while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW2) == 0);
     return keys[1][3];
 } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0) {
     while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW3) == 0);
     return keys[2][3];
 } else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0) {
     while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, ROW4) == 0);
     return keys[3][3];
 }
 ​
 return '\0';
  }

在上面的代码中，使用轮询的方式扫描键盘。首先将所有行引脚都设为低电平，所有列引脚都设为高电平，并检测是否有按键按下。如果有按键按下，则返回该按键对应的字符。 接下来，可以在主函数中循环调用scan_keypad函数来读取键值：

 int main(void) {
     char key = '\0';
 ​
     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
 ​
     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ROW1 | ROW2 | ROW3 | ROW4;
     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
 ​
     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = COL1 | COL2 | COL3 | COL4;
     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
 ​
     while (1) {
         key = scan_keypad();
 ​
         if (key != '\0') {
             // 处理读取到的键值
         }
     }
 }

在上面的代码中，首先初始化了8个引脚，并通过循环调用scan_keypad函数来读取键值。如果读取到键值，则可以进行相应的处理。

四、系统测试与验证

为了验证系统的可行性和稳定性，在硬件搭建完成后，进行了一系列测试。

（1）测试了系统的整体运行逻辑。通过模拟用户选择商品、支付、出货等情况，验证系统的基本功能。测试结果显示系统能够稳定运行，能够满足用户的购物需求。

（2）测试了系统的库存管理功能。通过模拟商品销售情况，验证系统的库存信息是否能够实时更新。测试结果表明系统能够准确地处理库存信息。

（3）测试了手机端APP程序的功能。通过模拟用户登录、查看商品库存、进行补货、充值和查看消费流水等操作，验证APP程序的功能。测试结果显示APP程序能够正常运行，并且与STM32主控芯片之间能够实现良好的通信。

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