基于单片机的自动存包柜设计

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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位随机密码，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。由于随机密码是软件产生，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、随机密码、容错、解锁

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Abstract

In recent years, with the improvement of living standards, people for the social service quality requirement enhances unceasingly. In order to better serve the general customers, in some public places generally intelligent automatic deposit bag with ark, for the majority of customers friends provide convenient. It has the function of simple operation, widely, safety higher characteristic, can better serve the different types of customers.

This design is mainly based on at89c51 single chip controller, to realize the automatic password through than complete access package of process design. The whole system consists of control module, input display module and execute module. using the electromagnetic valve control of cupboard door open, when customers according to \door will be opened, and can produce a group of eight random password, password use a effective, and have three times fault-tolerant function and unlock function, so safety performance is high. Due to random password is produced software, to make the hardware more economical and practical, simple and easy to install.

Keyword: automatic deposit ark system、electromagnetic valve bag、 random password、fault tolerance、to unlock

The automatic endures package ark system can control 24 save bag ark, it

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目录

第一章 系统方案论证............................................... 1

第一节 控制系统的工作原理及技术要求 ............................. 1 第二节 自动存包柜系统框图 ...................................... 1 第三节 电路核心器件的选择 ....................................... 1 第四节 开关的选择 .............................................. 5 第二章 系统硬件设计............................................... 6

第一节 识别系统设计 ............................................ 6 第二节 光电开关介绍 ............................................. 7 第三节 限位开关介绍 ........................................... 9 第四节 输入电路连接 ............................................ 9 第五节 电路设计 ............................................... 11 第六节 键盘设计 ................................................ 11 第三章 芯片的使用................................................. 13

第一节 外部地址锁存器介绍 ..................................... 13 第二节 程序存储器的扩展 ........................................ 14 第三节 静态数据存储器的扩展 .................................... 16 第四章 系统软件设计............................................... 18

第一节 主程序模块 ............................................ 18 第二节 键输入程序设计 ........................................ 19 第三节 驱动电路程序设计 ...................................... 20 第五章 系统控制.................................................... 21 结束语............................................................. 23 谢 辞............................................................. 24 参考文献........................................................... 25

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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，用红外线检测箱内是否存有物品，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

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光源 条码扫描器 透镜1 光电转换器 透镜2 放大电 路 接口电路 计算机系统 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。

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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

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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 传感器光轴正对太阳光等强光源。

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）采用压电元件内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。

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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2-1 4LS244功能表

L H H 输 入 输 出 G L A Y L L

H X X

H—高电平 L—低电平 X—任意 Z—高阻

将1G、2G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

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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

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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

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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，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。

OE：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

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表3-1 74LS373的功能表

G D Q OE0 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（Read Only Memory）。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内容，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、E2PROM、Flash ROM。程序存储器扩展可以使用需要的只读存储器芯片。在这里我们使用27128EPROM芯片，数字“128”表示其位存储器容量的大小。27128的芯片引脚图如图3-2

图3-2 27128芯片引脚图

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它的各引脚功能如下： A13～A0：地址线引脚。 D7～D0：数据引脚

CE：片选输入端

OE：输出允许控制端

：编程时，加编程脉冲的输入端

PGMVPP：编程时编程电压（+12V或+25V）输入端 VCC：+5V，芯片的工作电压

27128一般都有5种工作方式，由CE、OE、PGM各信号的状态组合来确定。5种工作方式表 3-2所示。

表 3-2 27128的工作方式

方式 引脚 CE/PGM OE VPP D7～D0 读出 低 低 +5V 程序读出 为选中 高 × +5V 高阻 编程 正脉冲 高 +25V（或+12V） 程序写入 程序校验 低 低 +25V（或+12V） 程序读出 编程禁止 低 高 +25V（或+12V） 高阻

（1）读出方式

一般情况下，EPROM工作在这种方式。工作在此种方式的条件是使片选控制线CE为低，同时让输出允许控制线OE为低，VPP为+5V，就可以将EPROM中的指定地址单元的内容从数据引脚D7～D0上读出。

（2）未选中方式

当片选控制线CE为高电平的时候，芯片进入未选中方式，这时数据输出为

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高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。EPROM处于低功耗的维持状态。

（3）编程方式

在VPP端加上规定好的高压，CE和OE端加上合适的电平，就能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。此时，编程地址和编程数据分别由系统的A13～A0和D7～D0提供。

（4）编程校验方式

在VPP端保持相应的编程电压（高压），再按读出方式操作，读出编程固化好的内容，以校验写入的内容是否正确。

（5）变成禁止方式

本工作方式输出呈高阻状态，不写入程序。

第三节 静态数据存储器的扩展

AT89C51单片机的内部有128个字节RAM。在实际的应用中，仅靠片内RAM往往是不够用的，必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM），在单片机应用系统中，外扩的数据存储器一般采用静态存储器。

所扩展的数据存储器空间地址，又P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和用作8位的双向数据总线。片外数据存储器RAM的读写由8031的RD（P3.7）和WR（P3.6）信号控制，而片外程序存储器EPROM的输出允许端（OE）由读选通PSEN信号控制。尽管与EPROM共处同一地址空间，但是由于控制信号不同，所以不会发生总线冲突。单片机系统中常用的SRAM芯片的典型型号有：6116（2K×8），6264（8K×8），62128（16K×8）。它们都用单一+5V电源供电，双列直插封装。在这里我们使用6116 SRAM，它的引脚为24个，引脚图如图3-3

图3-3 6116引脚图

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按下开始按钮，系统启动，主控制器及各模块进行初始化，箱内传感器自动检测有无物品并发送信号到主控制器，然后液晶显示空箱号。当键盘其中一个键被按下时，主控制器接收到一电信号，控制相应电磁阀动作打开箱门，并能产生一组8位随机密码。打印机接收信号打印条码，密码使用一次有效，且有三次容错功能和解锁功能。当识别器检测到有条码进入其探测范围时，对条码进行扫描，产生一组电信号经过模数转换后发送给单片机，控制电磁阀的动作。按下停止键时，系统断电停止工作。

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结束语

经过了两个多月的努力，我终于完成了自动存包柜设计。从开始拟定论文题目到作品的实现，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受。我学会了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一个设计每一个代码，都有我的劳动。

这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做设计是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。

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谢 辞

值此论文完成之际，首先要感谢我的指导老师田老师。老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误。田老师诲人不倦的工作作风，一丝不苟的工作态度，严肃认真的治学风格给我留下深刻的影响，值得我永远学习。在此，谨向指导老师田老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

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参考文献

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