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。
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：
cpp #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); } }
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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：
cpp void control_stepper_motor(int steps_to_move, int direction) { if (direction == 1) { forward(steps_to_move); } else { backward(steps_to_move); } }
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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：
cpp #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'} };
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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：
cpp 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'; }
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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：
cpp 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 } } }
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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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