自动存包柜系统设计U82590 毕业设计Word格式.docx

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3．3．3静态数据存储器的扩展介绍25

3．3．48255A的内部结构27

3．4输出电路设计28

3．4．1显示部分设计28

3．4．2驱动电路设计31

3．4．3报警电路设计32

第四章系统软件设计36

4．1主程序模块36

4．2键输入程序设计37

4．3驱动电路程序设计37

结束语40

参考文献41

附录A程序清单43

附录B系统框图51

附录C系统硬件图52

第一章概述

1．1题目来源及课题意义

近年来，随着生活水平的提高，人们对于社会消费品的质量和数量的要求以及对

社会的服务质量也在逐渐增加在。

为了更好的为广大的顾客服务，在一些商场、影院（尤其是超市）等公共场合通常有电脑控制的自动存包柜，来方便广大的顾客朋友们。

各种各样的自动存包柜也陆续的产生了。

它具有功能实用、操作简便、安全可靠、抗干扰性强等原则、能够更好的服务于不同市场的广大群众。

顾客可以根据简明清晰的操作说明自行的完成取物品的工作，自助式存取可以避免开放式存包带来的不必要的纠纷，又可以节约人员开支，达到减员增效的目的。

同时，存包可以解放顾客的双手，是顾客放开双手，更方便的进行购物。

1．2自动存包柜控制系统的工作原理及技术要求

本系统采用MCS51单片机做控制器，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“开门”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，并将柜门关上。

当顾客需要取包时，要将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，发出开箱信号至电磁阀是柜门打开，顾客即可将包取出。

要求本系统具有较高的自动化程度，它是以MCS51单片机为核心，自动控制柜门的打开，并通过条码技术实施红外线检测开门。

关门后通过打印机打印条码，并自动切纸；

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有物品，并报警。

在现实生活中有着积极的作用。

（1）工作电压：

AC220V，50Hz

（2）控制门数：

24门（4列×

6）

（3）显示无物箱号

（4）采用条码红外线检测开门技术

（5）断电保护功能

第二章系统方案论证

2．1自动存包柜系统框图

自动存包柜的系统框图如图2.1。

该系统MC51单片机为核心，还有显示屏及按键，打印机，红外线检测，断电保护等部分。

图2.1自动存包柜系统框图

2．2主机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，这样的一快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。

1．CPU的改进

（1）采用双CPU结构。

（2）增加数据总线宽度。

（3）采用流水线结构。

（4）采用串行总线结构。

2．存储器的发展

（1）加大存储器容量。

（2）片内EPROM采用E2PROM或闪存存储器。

（3）程序保密化。

3．片内I/O的改进

（1）增加并行口的驱动能力。

（2）增加I/O的逻辑控制功能。

（3）有些单片机还提供了一些特殊的串行接口功能。

4．外围电路内装化。

5．低功耗化。

一、MCS是Intel公司生产的单片机符号，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内部包括一个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，片内又集成有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内，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。

在本系统中我们只需要选用8031就可以满足系统的要求。

实现存包柜的各项功能。

另外AT89C51也是我们常用到的单片机芯片。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

二、AT89C51主要性能参数

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容

（2）4K字节可重擦写Flash闪速存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

0Hz---24MHz

（5）三级加密程序存储器

（6）128×

8字节内部RAM

（7）32个可编程I/O口线

（8）2个16位定时/计数器

（9）6个中断源

（10）可编程串行UART通道

（11）低功率空闲和掉电模式

AT89C51功能特性概述

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部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，片内振荡器及时钟电路。

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中的内容，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2.2其各引脚功能如下

图2.2AT89C51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P1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口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。

这是由于内部上拉的缘故。

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，它利用内部上拉优势，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内容。

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个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（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

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（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/

：

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。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

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内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

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的内容并且冻结振荡器，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，MCA-51系列的8031即可满足我们所设计的产品，而AT89C51一般多是用在比较精密麻烦的电器设计上，我们这里所设计的自动存包柜是一个比较简单的控制系统，使用8031就完全可以达到我们设计的要求，如果使用AT89C51就会造成资源的浪费，所以我们选用8031作为我们的主机电路核心器件。

2．3光电开关的选择

红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关的简称，它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：

1．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。

2．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。

3．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。

4.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。

5.光纤式光电开关

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。

传感器也可以使用应变式传感器，他是利用金属的电阻应变效应，将检测物体变形转换成电阻的变化的传感器。

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为电阻丝的应变效应，应变式传感器正是利用了金属丝的这一效应。

但是这种传感器的安装不是很方便，而且检测的效果也不是很好，灵敏度不过，很有可能造成错误，给顾客带来不必要的麻烦。

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。

2．4键盘、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8031单片机经74LS373扩展一片8255A构成键盘借口电路的。

使用编程扫描方式可以很容易的实现键盘和显示的功能，而且还具有消抖功能。

键盘还可以使用单片机I/O扩展接口芯片8155H来实现，8031外扩一片8155H，8155H的RAM地址为7E00H～7EFFH，I/O口地址为7F00H～7F05H，8155H的PA口为输出口，控制键盘的列线电位，PA口为键扫描口，同时也是显示器的扫描口。

在这里我们的系统需要的键盘显示要求不是非常高，只需要要使用8255A即可，如果使用8155H也可以实现键盘显示器的连接，但是很显然就造成了不必要的浪费，所以在这里我们选用通过8255A连接使用的键盘。

2．5开箱控制电路

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。

2．6打印机控制电路

现场印制设备通常有电阵、激光、热敏、以及喷墨打印机设备等。

点阵打印机是一种计算机输出设备，用于打印各种拷贝文件，它是重复使用色带的。

它只能打出中、低密度的条码符号，适用于小批量的的印制。

激光打印机是利用图形感应半导体表面上的充电荷的原理设计的。

它可以打印较高、中密度的条码。

热敏打印机，这种打印机已经使用多年了，它是最普遍的打印机，热敏打印机的打印过程比较简单，打印的格式灵活，图象质量高，速度快而且成本很低，分辨率高，环境适应性强。

它是通过压力和热作用，将油墨转印到其他的介质上，操作十分方便。

所以在这里我们完全可以使用热敏式打印机。

热敏打印机控制电路的功能是用来驱动打印机系统产生密码。

用8031的P0口接打印机的数据线，用P1.7口接打印机的选同信号上，用P1.6接收音机的BUSY信号。

第三章系统硬件设计

3．18031的组成及管脚介绍

8031内部有8个部件组成，即CPU、时钟电路、数据存储器、串行口、并行口（P0～P3）、定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，8031就是MCS-51系列单片机中的一种。

见图3.1

图3.18031内部组成结构

1．CPU中央处理器

中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU，或将CPU数据写入存储器或送到输出端口。

还可以对数据进行逻辑和算术的运算。

2．时钟电路

8031内部有一个频率最大为12MHz的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，但需要外接石英晶体做振荡器和微调电容调整频率。

3．内存

内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器。

4．定时/计数器

8031有两个16位的定时计数器，每个定时器和计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。

5．并行I/O口

MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输入输出。

6．串行口

它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该串行口功能较强，可以作为全双工异步通讯的收发器，也可以作为同步移位器用。

7．中断控制系统

8031有五个中断源，既外部中断两个，定时计数器中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。

8031的制作工艺为HMOS，采用40管脚双列直插式DIP封装，引脚说明如下：

VCC（40引脚）正常运行时提供电源。

VSS（20引脚）接地。

8031管脚图

管角图

XTAL1（19引脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，该是引脚也可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031此引脚应该接地。

XTAL2（18引脚）在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部振荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。

RST/VPD（9引脚）在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平_将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V低电平以保证8031正常工作。

在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM数据不丢失，当BVCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存储器日工备用电源。

ALE/PROG（30引脚）当8031访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用语锁存16位地址的低8位，在不访问外部存储器的时候，ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的是候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LSTTL负载，对于有片内EPROM的而言，在EPROM编程期间，此脚用于输入编程脉冲PROG。

PSEN（29引脚）此脚输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间，PSEN有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，两个有效的PSEN将不再出现，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。

EA/VPP（31引脚）当EA保持高电平时，单片机访问内部存储器，当PC值超过0FFFH时，将自动转向片外存储器。

当EA非保持低电平时，则只访问外部程序存储器，对8031而言，此脚必须接地。

P0，P1，P2，P3，8031有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口为CPU传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以外其余三个都是准双向口。

8031有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU的8位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据接受来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。

8031的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON，电源及波特率选择寄存器PCON和串行缓冲寄存器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。

二．8031的工作方式

8031的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。

（一）、复位方式

单片机复位后，程序计数器PC和SFR的状态。

复位后，PC初始话为0000H，使单片机能从0000H开始执行程序，故单片机除正常工作的程序运行出错或操作出错而导致死机时，需要复位键进行重新启动，复位不影响RAM存放的内容，因为复位操作是在带电的状态下将程序存储器的地址改变，而ALE和PSEN非在复位期间将输出高电平。

RST是复位信号的输入端，RST输入一个有效的高电平旧能使系统复位，当高电平持续24个振荡脉冲周期的时候，单片机完成了复位的操作，假如晶振的频率为6MHZ，则复位信号的持续时间不应小于4us。

复位可以是上电复位，按键手动复位，和二者混合式。

复位信号中的电阻和电容是为了保证RST断能保证两个机器周期以上的高电平来完成复位操作而特意设定的。

上电自动复位是在单片机接通电源时，电容充电来实现的。

如图3.2

图3.2上电复位

在上电的一瞬间，RST端电位与VCC相同。

随着充电电流的减小，RST的电位逐渐下降，只要在RST端有很足够长的时间保证阀值电压，8031便可以自动进行复位。

按键手动复位实际上是在上电复位基础上加上了手动复位开关，当手动开关开时为上电复位，按键手动复位分作电平式和脉冲式，电平式为RST端经电阻与VCC接通而实现的。

脉冲式是利用微分电路产生正脉冲来实现的。

（二）、掉电和低功耗方式

人们往往在程序运行中发生系统掉电的故障，使RAM和寄存器中的数据内容丢失，使人们丢失珍贵的数据而束手无策，8031有掉电保护功能，是先把有用的数据保存，再用备用电源进行供电。

3．2输入电路设计

在自动存包柜的设计中输入部分是十分重要的一个环节，在这里我们需要检测门的限位，检测箱内是否有物体，还的相应的打印密码，并在顾客需要的时候检测密码，并自动打开柜门。

还需要显示是否有空箱以及空箱的位置，来为顾客提供选择。

3．2．1条码技术介绍

条形码是由美国的N．T．Woodland在1949年首先提出的。

近年来，随着计算机应用的不断普及，条形码的应用得到了很大的发展。

条形码可以标出商品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因而在商品流通、图书管理、邮电管理、银