基于STM32的無人售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目背景

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)于購物體驗(yàn)的要求越來越高。傳統(tǒng)的商場、超市購物方式已經(jīng)無法滿足消費(fèi)者的需求，因此無人售貨機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。本文針對(duì)現(xiàn)有售貨機(jī)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一款基于STM32的無人售貨機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，使用液晶屏顯示各種商品庫存與售價(jià)，用戶按下對(duì)應(yīng)按鍵選擇購買指定商品，在矩陣鍵盤輸入賬號(hào)密碼付款。若付款成功，對(duì)應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度使商品出庫，同時(shí)修改庫存；若余額不足，則進(jìn)行聲光提示。手機(jī)端還可查看消費(fèi)流水、商品庫存情況，并進(jìn)行補(bǔ)貨和充值操作。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的核心部件是STM32主控芯片，它負(fù)責(zé)整個(gè)售貨機(jī)的控制和管理。液晶屏用于顯示商品信息、價(jià)格等，矩陣鍵盤用于用戶輸入賬號(hào)密碼進(jìn)行支付。電機(jī)控制板用于控制商品出庫。

硬件組成：

主控芯片選：STM32F103ZET6 液晶屏選擇：2.8寸TFT-LCD屏 WIFI選擇：ESP8266-WIFI 與手機(jī)APP之間通信。模式配置為STA模塊。連接服務(wù)器。 電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度：28BYJ48步進(jìn)電機(jī)。 控制出貨機(jī)出貨物。 矩陣鍵盤：4X4的矩陣鍵盤。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括STM32程序和手機(jī)APP程序。STM32程序是售貨機(jī)的核心程序，負(fù)責(zé)控制各個(gè)部件的工作，實(shí)現(xiàn)售貨機(jī)的基本功能。APP程序可以通過與STM32通信來實(shí)現(xiàn)商品庫存查看、補(bǔ)貨、充值等功能。

STM32部分主要分為以下幾個(gè)模塊：

（1）初始化模塊：初始化各個(gè)部件的工作狀態(tài)和參數(shù)。 （2）商品選擇模塊：根據(jù)用戶按下的按鈕，選擇相應(yīng)的商品。 （3）支付模塊：通過矩陣鍵盤輸入賬號(hào)密碼進(jìn)行支付，并根據(jù)支付結(jié)果控制電機(jī)的工作狀態(tài)。 （4）庫存管理模塊：根據(jù)商品銷售情況，實(shí)時(shí)更新商品庫存信息。 （5）聲光提示模塊：在用戶付款失敗或余額不足時(shí)，通過蜂鳴器和LED燈進(jìn)行聲光提示。

手機(jī)APP程序主要分為以下幾個(gè)模塊：

（1）用戶登錄模塊：用戶可以通過輸入賬號(hào)密碼登錄APP。 （2）商品查看模塊：用戶可以查看售貨機(jī)內(nèi)商品庫存情況。 （3）補(bǔ)貨模塊：商家可以通過APP進(jìn)行補(bǔ)貨操作，將商品補(bǔ)充至指定數(shù)量。 （4）充值模塊：用戶可以通過APP進(jìn)行賬戶充值操作。 （5）消費(fèi)流水模塊：用戶和商家可以查看售貨機(jī)的消費(fèi)記錄。

以上各模塊之間通過STM32和APP程序之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

三、核心代碼實(shí)現(xiàn)

【1】步進(jìn)電機(jī)控制代碼

以下是28BYJ48步進(jìn)電機(jī)的代碼：

（1）定義一些宏和變量以便于控制步進(jìn)電機(jī)：

#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 //步數(shù)每圈
#define DELAY_MS 5 //控制轉(zhuǎn)速的延遲時(shí)間
?
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);
? ?  }
?}

在上面的代碼中，定義了四個(gè)引腳來控制步進(jìn)電機(jī)，然后定義了一些函數(shù)來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。

delay_ms函數(shù)用于延遲控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。STEPS_PER_REVOLUTION宏定義了每圈的步數(shù)，DELAY_MS宏定義了控制轉(zhuǎn)速的延遲時(shí)間。

setStep函數(shù)根據(jù)傳入的步數(shù)設(shè)置引腳狀態(tài)，接著forward和backward函數(shù)分別根據(jù)需要移動(dòng)的步數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并調(diào)用setStep函數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。

最后，將forward和backward函數(shù)封裝成一個(gè)子函數(shù)來更方便地調(diào)用：

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

這樣，就可以通過調(diào)用control_stepper_motor函數(shù)來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制28BYJ48步進(jìn)電機(jī)了。

【2】矩陣鍵盤檢測代碼

以下是4x4電容矩陣鍵盤的示例代碼：

（1）定義一些宏和變量以便于控制電容矩陣鍵盤：

#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'}
};

在上面的代碼中，定義了8個(gè)引腳來控制電容矩陣鍵盤，并使用一個(gè)二維數(shù)組來存儲(chǔ)每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的字符。

（2）需要編寫一個(gè)函數(shù)來檢測電容矩陣鍵盤是否有按下。

該函數(shù)需要通過輪詢掃描鍵盤來檢測按鍵，如果有按鍵按下，則返回該按鍵對(duì)應(yīng)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 '?';
 }

在上面的代碼中，使用輪詢的方式掃描鍵盤。首先將所有行引腳都設(shè)為低電平，所有列引腳都設(shè)為高電平，并檢測是否有按鍵按下。如果有按鍵按下，則返回該按鍵對(duì)應(yīng)的字符。 接下來，可以在主函數(shù)中循環(huán)調(diào)用scan_keypad函數(shù)來讀取鍵值：

int main(void) {
  char key = '?';
?
  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 != '?') {
      // 處理讀取到的鍵值
     }
   }
}

在上面的代碼中，首先初始化了8個(gè)引腳，并通過循環(huán)調(diào)用scan_keypad函數(shù)來讀取鍵值。如果讀取到鍵值，則可以進(jìn)行相應(yīng)的處理。

四、系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，在硬件搭建完成后，進(jìn)行了一系列測試。

（1）測試了系統(tǒng)的整體運(yùn)行邏輯。通過模擬用戶選擇商品、支付、出貨等情況，驗(yàn)證系統(tǒng)的基本功能。測試結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足用戶的購物需求。

（2）測試了系統(tǒng)的庫存管理功能。通過模擬商品銷售情況，驗(yàn)證系統(tǒng)的庫存信息是否能夠?qū)崟r(shí)更新。測試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地處理庫存信息。

（3）測試了手機(jī)端APP程序的功能。通過模擬用戶登錄、查看商品庫存、進(jìn)行補(bǔ)貨、充值和查看消費(fèi)流水等操作，驗(yàn)證APP程序的功能。測試結(jié)果顯示APP程序能夠正常運(yùn)行，并且與STM32主控芯片之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的通信。

審核編輯：湯梓紅