基于单片机的自动存包柜设计.docx
《基于单片机的自动存包柜设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的自动存包柜设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的自动存包柜设计
摘要
近年来，随着生活水平的提高，人们对于社会服务质量的要求不断提高。
为了更好的服务广大顾客，在一些公共场合一般设有智能的自动存包柜，为广大的顾客朋友们提供方便。
它具有功能广泛、操作简洁、安全性高等特点，能够更好的服务于不同类型的顾客。
本设计以at89c51为主控制器，来实现通过密码的比对完成自动存取包过程的设计。
整个系统由控制模块、输入显示模块和执行模块组成。
此自动存包柜系统能控制24个存包柜，它利用控制柜门的打开，当顾客按“存包”或“取包”键时，相应的空柜门会自动打开，并且能产生一组8位随码，密码使用一次有效，且有三次容错功能和解锁功能，所以安全性能很高。
由于随码是软件产生，使得硬件更为经济实用、简单且便于安装。
关键字：
自动存包柜系统、电磁阀、随码、容错、解锁
Abstract
Inrecentyears,withtheimprovementoflivingstandards,peopleforthesocialservicequalityrequirementenhancesunceasingly.Inordertobetterservethegeneralcustomers,insomepublicplacesgenerallyintelligentautomaticdepositbagwithark,forthemajorityofcustomersfriendsprovideconvenient.Ithasthefunctionofsimpleoperation,widely,safetyhighercharacteristic,canbetterservethedifferenttypesofcustomers.
Thisdesignismainlybasedonat89c51singlechipcontroller,torealizetheautomaticpasswordthroughthanpleteaccesspackageofprocessdesign.Thewholesystemconsistsofcontrolmodule,inputdisplaymoduleandexecutemodule.
Theautomaticendurespackagearksystemcancontrol24savebagark,itusingtheelectromagneticvalvecontrolofcupboarddooropen,whencustomersaccordingto"savepackage"or"takebag"button,thecorrespondingemptycupboarddoorwillbeopened,andcanproduceagroupofeightrandompassword,passworduseaeffective,andhavethreetimesfault-tolerantfunctionandunlockfunction,sosafetyperformanceishigh.Duetorandompasswordisproducedsoftware,tomakethehardwaremoreeconomicalandpractical,simpleandeasytoinstall.
Keyword:
automaticdepositarksystem、electromagneticvalvebag、random
password、faulttolerance、tounlock
第一章系统方案论证
第一节控制系统的工作原理及技术要求
本系统采用at89c51单片机为主控制器，可以同时管理24个存包柜。
柜门锁由电磁阀控制，当顾客需要存包的时候，可以自行到存包柜前按“存”键，单片机接收到一脉冲信号，并通过系统I/O口发出相应的信号，控制锁柜门的电磁阀将一空箱打开，顾客即可存包。
当顾客需要取包时，只要将条码放置到条形码阅读器前方，条形码阅读器采集到条码信息输出相应的高低电平信号传给单片机，系统比较密码一致后，打开相应的箱子，顾客可以取包。
本系统要求具有较高的自动化程度，以at89c51单片机为核心，通过条形码识别技术自动控制柜门的打开。
关门后通过打印机打印条形码；实时显示无物的箱体号。
并具有断电保护功能，用红外线检测箱是否存有物品，并报警。
第二节自动存包柜系统框图
自动存包柜的系统框图如图1-1。
该系统MC51单片机为核心，还有空箱显示，打印机，红外线检测，断电保护等部分。
图1-1自动存包柜系统框图
第三节电路核心器件的选择
单片机是在一块硅片上集成了微处理器，存储器和各种输入、输出接口，这样的一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
单片机的优点是体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发也较为容易。
目前单片机已经广泛的应用在工业自动化控制，自动检测，智能仪表，家用电器等各个方面。
随着单片机的发展趋势，为了满足不同用户的需要，单片机有了很大的改善。
MCS是Intel公司生产的系列单片机，如MCS-48、MCS-51系列单片机。
MCS-51系列包括三个基本型8031、8051、8751等。
8031部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口，1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，需要外部EPROM芯片。
8051是在8031的基础上，片又集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。
8751是在8031的基础上，增加4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的系统。
用户可以将程序固化在EPROM，可以反复修改程序。
但是它的价格比较昂贵。
8031外扩一片4KBEPROM就相当于8751，它的最大优点是价格便宜。
在本系统中我们选用8051来满足系统的要求，并使用与MCS-51指令系统完全兼容的AT89C51作为主控制器实现存包柜的各项功能。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片振荡器和时钟电路
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节部RAM，32个I/0口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51引脚功能说明
AT89C51引脚图如图1-2其各引脚功能如下
图1-2AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
经过计算和考虑，使用AT89C51来满足我们所设计的产品，作为我们的主机电路核心器件。
第四节开关的选择
红外线光电开关（光电传感器）是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。
根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为：
一、漫反射式开关
一般来说当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，我们都选用漫反射式开关。
二、镜反射式光点开关
镜放射光电开关是集发射与接受器于一体，光电开关发射出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关的信号。
三、对射式光电开关
当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。
四、槽式光电开关
槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。
光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。
由以上可以很容易的看出在这里我们选用漫反射式光电开关。
用它来检测存包柜能是否有物体，并把相应的信号传输给单片机，单片机根据收到的信号可以通过I/O线控制其他的器件工作。
第二章系统硬件设计
第一节识别系统设计
一、条形码的识别原理
由于不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器光源发出的光经光阑及凸透镜１后，照射到黑白相间的条形码上时，反射光经凸透镜２聚焦后，照射到光电转换器上，于是光电转换器接收到与白条和黑条相应的强弱不同的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到放大整形电路。
白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。
但是，由光电转换器输出的与条形码的条和空相应的电信号一般仅10ｍＶ左右，不能直接使用，因而先要将光电转换器输出的电信号送放大器放大。
放大后的电信号仍然是一个模拟电信号，为了避免由条形码中的疵点和污点导致错误信号，在放大电路后需加一整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，以便计算机系统能准确判读。
整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息．它通过识别起始、终止字符来判别出条形码符号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别出条和空的数目。
通过测量0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度。
这样便得到了被辩读的条形码符号的条和空的数目及相应的宽度和所用码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形符号换成相应的数字、字符信息，通过接口电路送给计算机系统进行数据处理与管理，便完成了条形码辨读的全过程。
二、条码识读系统
条码符号是图形化的编码符号，对条码符号的识读就是要借助一定的专用设备，将条码符号中含有的编码信息转换成计算机可以识别的数字信息。
条码识读系统是由扫描系统、信号整形、译码三部分组成，如图2-1所示
图2-1条码系统识读
三、条码印制
条码是一种传递信息的特殊图形，常用的符号载体有普通白纸，不干胶标签纸等。
不同的用处对符号载体的性能要求也不同，归纳起来主要有以下几点：
（1）符号载体要有一定的强度，以保证在一定的受力条件下，或者接触扫描的时候不至于破碎和发生明显的变形。
（2）符号载体要有稳定的物理性能，在一定的温度和压力下，物理形态不发生变化。
（3）符号载体要有一定的几何尺寸和形状，印制条码的表面应为光滑表面，能适合光电扫描器的扫描。
（4）符号载体要有一定的涂料附着能力，并要求快速干燥。
（5）符号载体要有一定的光学特性。
当直接利用符号载体的表面做条码的空（或条）的时候，要保证与涂料印制的条或空行形成一定的光学对比度。
条码打印的常用设备有点阵、激光、热敏即喷墨打印设备等。
第二节光电开关介绍
一、光电开关的工作原理
光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。
物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
工作原理如图2-2。
多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。
图2-2光电开关工作原理图
二、光电开关的分类
1.漫反射式光电开关：
它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
2.镜反射式光电开关：
它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。
3.对射式光电开关：
它包含了在结构上相互分离且光收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。
当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。
4.槽式光电开关：
它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。
槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。
5.光纤式光电开关：
它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。
通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。
三、光电开关的使用注意事项
1.红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面的白色画纸。
2.红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将
传感器光轴正对太等强光源。
3.对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。
4.当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用。
5.红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。
6.针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产的光电开关在灵敏度的选择上增加了50%，以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求。
7.产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使轴相对放置的发射器和接用均不会出现损坏。
为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。
这本设计中我们需要对存包柜中进行检测，并且实时显示无物的箱号，顾客门没有关靠的时候发出报警，所以我们选用漫反射式光电开关。
第三节限位开关介绍
限位开关可以根据运动部件的位置来切换电路。
工作时由挡块和限位开关的轮子或触杆相撞使限位开关的触点接通或断开，常用于控制运动部件的方向、行程长短、位置。
还可以用来检测开关物体是否闭合。
我们使用LJ-DFJ型限位开关，它的特点是：
（1）单棒式探头，工作稳定，感度好。
（2）不受测定物性质的影响，安装后无须调整，即可稳定投入使用
（3）采用压电元件置于棒体和厚管壁的不锈钢管的探头，消振管仅9mm（同类比为最短），抗重荷、安全可靠、寿命长。
（4）依据所测定对象不同，可调整测定感度（高、中、低）
（5）使用15A大容量接点继电器开关，可直接实行对电机控制。
第四节输入电路连接
由于输入电路很多，每一组都有一个控制端，所以在这里我们使用74LS244来进行扩展。
74LS244是三态输出的八缓冲器，由2组、每组四路输入、输出构成。
每组有一个控制端，由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开，功能表如表2-1
表2-14LS244功能表
输入
输出
A
Y
L
L
L
L
H
H
H
X
X
H—高电平L—低电平X—任意Z—高阻
将1
、2
通过或门接到单片机的输出口上，1A1～1A4、2A1～A4接到光电传感器上，1Y1～1Y4、2Y1～2Y4接到8031的输入端。
光电传感器输入信号接线图和限位开关输入信号的接线图分别如图2-3，图2-4所示
X24
图2-3光电传感器与7LS244接口电路
门限位开关
图2-4限位开关与7LS244接口电路
第五节电路设计
一、输入、显示器接口电路
该系统中键盘的主要功能是用于顾客选择适当的柜来存包，这里我们用4×8矩阵式键盘，用24个按键来控制24个柜门的打开，剩余的8个键可以为其他控制或则是用再以后系统的更新使用上，键盘是用at89c51单片机经74LS373扩展一片8255A构成键盘接口电路的。
使用编程扫描方式可以很容易的实现键盘和显示的功能及消抖功能。
二、开柜门控制电路
开箱控制电路功能用来打开箱锁。
该系统共控制24个存包柜，其中使用了8255A的PA、PB、PC三口的24跟口线作为输出，输出信号经三极管放大后驱动电磁锁动作，从而将箱锁打开。
同时在箱的门沿上还装有限位开关，来检测门的闭合与否。
并在适当的时候来进行报警，提醒顾客关好柜门。
为了保证安全，锁簧需要有较强的弹力。
电磁锁的驱动功率需要20W以上，可以采用20V直流电源，产生1A的驱动电流，为加强驱动功率，采用二级直流放大。
在这里我们使用DSN-Y电磁锁，他的技术指标即参数都能够满足我们的需要。
第六节键盘设计
键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传输命令等功能，是人工操作单片机的主要手段。
常用的开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。
常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。
我们在这里选用矩阵式键盘接口。
矩阵式键盘结构如图3-5阵式键盘工作原理：
按键设置在行、列线交点上，行列线分别连接到按键开关的两端。
行线通过上拉电阻接到+5V电源上。
平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。
列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平；列线电平如果为高，则行线电平也为高电平。
这是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。
由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平。
因此各按键彼此将互相发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。
图2-5矩阵式键盘结构
第三章芯片的使用
第一节外部地址锁存器介绍
At89c51单片机由于受引脚数的限制，数据线和地址线是复用的，由P0口兼用。
为了将它们分离出来，以便同单片机片外的扩展芯片正确的连接，需要在单片机外部增加地址锁存器。
我们这本设计中使用74LS373。
74LS373是一种带有三态门的8D锁存器，其引脚如图3-1所示
图3-1锁存器74LS373的引脚
其引脚的功能如下：
D7～D0：
8位数据输入线
Q7～Q0：
8位数据输出线
G：
数据输入锁存选通信号，高电平有效。
当该信号为高电平的时候，外部数据选通到部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。
：
数据输出允许信号，低电平有效。
当该信号为低电平的时候，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。
当该信号为高电平的时候，输出线为高阻态。
74LS373的功能表如表3-1
表3-174LS373的功能表
G
D
Q
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
×
不变
1
×
×
高阻态
第二节程序存储器的扩展
程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保存程序（即非易失性）在系统上电后，CPU可以取出这些指令予以重新执行。
只读存储器简称为ROM（ReadOnlyMemory）。
信息如果被写入ROM之后，就不能任意更改，特别是不能在程序运行的过程中写入新的容，故称为只读存储器。
向ROM中写入信息叫做ROM编程。
根据编程方式的不同，ROM分为以下几种：
可编程ROM、掩模ROM、EPROM、E2
升级会员 