1、自动存包柜的设计与仿真摘 要本课题是基于单片机的自动存包柜设计。自动存包柜是新一代的存包柜，具有功能实用、操作简单、管理方便、安全可靠等特点，能够更好的服务于不同市场的广大群众，使用者可以根据简明清晰的操作说明自行完成存包取包工作。本系统由 MCS-51 单片机构成核心控制系统，整个系统由主控部分、键盘显示控制部分、执行部分三部分组成，通过随机密码的产生和核对完成自动存包取包过程。本设计中各元器件便于安装且操作简单，能基本实现存包取包功能。关键词：自动存包柜；单片机；随机密码Design and Simulation of Automatic Lockers ABSTRACTThis topi
2、c is microcontroller-based automatic lockers.Automatic lockers is a new generation of lockers, with a practical, simple operation, easy management, safe and reliable, able to better serve the broad masses of the different markets, users are based on a clear and concise instructions to complete the d
3、eposit bags to take the package. The system consists of MCS-51 microcontroller core control system, the entire system from the main section, the keyboard display control part of the implementation of some of the three-part composition, random password generation and check completed automatically sav
4、e the package to take the package process. Various components of this design is easy to install and easy to operate, can basically save the package to take package function.Key words :Automatic lockers; microcontroller; random password目 录1 绪 论 .11.1 自动存包柜的种类 .11.2 自动存包柜控制系统的基本原理及技术要求 .21.3 系统总体设计目标功
5、能 .32 系统方案概述及硬件设计 .32.1 自动存包柜系统框图 .32.2 主机电路核心器件的选择 .32.3 8031 的系统扩展 .83 输入输出电路 .123.1 键盘设计 .123.2 显示系统设计 .133.3 输出系统功能扩展 .144 系统程序设计及仿真 .154.1 主程序模块设计 .154.2 键输入子程序模块 .164.3 系统仿真 .18结 束 语 .21参 考 文 献 .22附 录 .23致 谢 .321自动存包柜的设计与仿真1 绪 论近年来，随着生活水平的提高，人们对于社会消费品的质量要求在不断增加，对技术服务也提出了更高的要求。在超市、综合商店、个人商店等人流量
6、大的地方，常常需要对顾客随带物品进行存储。为了更好的为广大顾客服务，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，顾客进入商场购物时可寄存一些随身携带的较重物件或多余的现金，十分便利。顾客可以根据简明清晰的操作说明自行的完成存取物品的工作，自助式存取可以避免开放式存取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。自动存包系统的设计要求有高的可靠性，包括系统结构、硬件电路和运行软件的可靠性。安全性是设计自动存包柜时必须考虑的另一个重要因素。安全性是指系统能够保证人和财物的安全，电子存包柜要有紧急情况保护等措施。友好的人机界面对于系统来说也是相当重要的。可视化的人机
7、接口操作起来比较方便，用户可以直观的了解到存包柜的各种信息，通过图形进行各种操作并清楚地显示电子存包柜的各种信息。电脑控制的存包柜无需专职的管理人员且安全可靠,颇受顾客的信任 1。1.1 自动存包柜的种类自动存包柜又名电子存包柜，电子寄存柜。主要由以下几种类型：（1）机设条码式电子存包柜：存物时，先按“存”键，寄存柜自动打印一张密码条，使用者抽出密码纸，对应的箱门自动打开，存好后关上箱门；取物时，直接将条码纸在扫描口扫描，对应的箱门会自动打开，取物完成后关上箱门。（2）指纹式电子存包柜：以使用者指纹作为寄存的凭证；存物时,先按一下“存”键，然后在指纹采集窗里采集指纹，机器会把该指纹与分配给使用
8、者使用的寄存箱的箱号结合起来，并将信息自动记录下来，同时自动打开该箱，供使用者存物，存完后使用者自己关好箱门；取物时，先按一下“取”键，然2后在指纹采集窗里采集指纹，寄存柜将指纹数据与先前记录下的进行比对，正确后才会打开该箱供使用者取物。（3）非接触 IC 卡电子存包柜：以使用者所持 IC 卡（即射频卡）作为寄存的凭证；存物时，先按一下“存”键再刷卡（即让存包柜读取卡号） ，存包柜应先识别是否为该场所的 IC 卡，若不是则拒绝存物；若是，机器会把该卡号与分配给使用者使用的寄存箱的箱号结合起来，并将信息自动记录下来，同时自动打开该箱，供使用者存物，存完后自己关好箱门；取物时，先按一下“取”键再刷
9、卡，寄存柜将读取的卡号与先前记录下的进行比对，正确后打开该箱供使用者取物（同时机器会自动记录当时的时间、卡号以备查询） 。（4）联网型非接触 IC 卡电子存包柜：联网型非接触 IC 卡电子存包柜基本功能与非接触 IC 卡电子存包柜一致，另外增加了网络通讯模块，上位管理软件等，以实现寄存状态联网监控，分段收费，报表打印等功能 2。1.2 自动存包柜控制系统的基本原理及技术要求本系统采用 MCS-51 单片机做控制器，具有较高的自动化程度，当顾客需要存包的时候,可以自行到存包柜前按“ON/C”键 ,单片机接收到一个脉冲信号,并通过系统 I/O 口发出相应的信号,数码管显示 8 位随机密码，然后一发
10、光二极管亮，顾客即可存包。当顾客需要取包时，先按“=”键，系统进入取包状态，然后输入密码，输入完毕后按“+”键表示确定，系统比较密码一致后，对应二极管灭，顾客即可将包取出。根据“自动存包”这一目的要求，做如下设计安排：第一部分：CPU 核心控制部分，由单片机 8031、复位电路、时钟电路等构成，是整个系统的核心。第二部分：键盘显示控制部分。对 8 个数码管和 2 个按键进行管理，8 个数码管用于显示 2 位柜号儿和 8 位密码，14 个按键分别为 10 个数字键和 4 个功能键。通过这些键盘，用户就可以完成所有的操作。第三部分：执行机构部分。它是通过 8031 的并行口扩展一片 8255A 芯
11、片，并通过 8255A 控制 8 个灯的状态（亮灭）来模拟柜子的存包取包的过程。软件部分主要采用我们自己设定的一种与柜号儿相关联的算法来产生一组8 位的随机密码，而密码的产生、核对过程就对应存包、取包的过程。3本系统具有如下特色：（1）经济实用、操作简单且便于安装。（2）能产生一组 8 位随机密码，密码使用一次有效；有三次容错功能和解锁功能，因此系统安全可靠。（3）利用软件产生随机密码而不是硬件，使得硬件更为简洁、可靠、稳定。1.3 系统总体设计目标功能（1）完成矩阵键盘输入命令进行取包的任务；（2）存包时系统能产生随机密码；（3）随机数在单片机中的保存及删除；（4）液晶数码管的选择及与单片机
12、的接口电路设计；（5）发光二极管模拟柜子的实现。2 系统方案概述及硬件设计2.1 自动存包柜系统框图自动存包柜由电子电路和机械两部分组成，本设计的存包柜主要实现电子电路方面的功能，它可以通过单片机完成密码的随机产生、密码的确认和显示以及用发光二极管模拟柜子的开闭状态等功能。系统框图如图 2-1 所示：电源电源8 0 3 18 0 3 1L E D 数码管L E D 数码管4 * 4 矩阵键盘4 * 4 矩阵键盘发光二极管发光二极管图 2-1 自动存包柜的系统框图从硬件上看，它的部分组成分别是：发光二极管，通过亮灭来模拟柜子的开闭状态；电源，为电路提供一个 5V 的工作电压；单片机，整个电路的核
13、心部分；LED 数码管，用于显示柜号和密码；还有键盘部分，键盘有 14 个按键，其中的十个分别 为 0-9 的数字键，其他四个分别为存包键（随机产生密码） 、取包键（确认密码） 、确定键、取消键。42.2 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 3。MCS-51 单片机是美国 Intel 公司于 1980 年推出的产品 ,与 MCS-48 单片机相比，它的结构更先进，功能
14、更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达 111 条，MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，我们也以这一代表性的机型进行系统的设计。MCS-51 系列单片机主要包括 8031、8051 和 8751等通用产品。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 4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过
15、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 4KB EPROM 就相当于 8751，它的最大优点是价格便宜。经过计算和考虑，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，用 8031 就完全可以达到我们设计的要求，实现存包柜的各项功能，所以我们选用 8031 作为我们的主机电路核心器件。8031 单片机是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机中的一种，除无片内ROM 外，其余特性与 MCS-51 单
16、片机基本一样。8031 的主要性能包括:（1）与 MCS-51 位控制器产品系列兼容。 （2）宽工作电压范围，VCC 可为 2.7V6V。 （3）全静态工作，可从 0Hz 至 16Hz。 （4）1288 位内部 RAM。 （5）32 条可编程 I/O 线。 （6）两个 16 位定时器/计数器。 （7）中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级 4。52.2.1 8031 内部结构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（P0P3） 、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 5。内部结构如图 2-2
17、所示：控制逻辑中断控制C P U时钟 定时器 串行口 并行 I / O 口R A M特殊功能寄存器图 2-2 8031 的内部结构（1）CPU 中央处理器中央处理器是 8031 的核心，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。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
18、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6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 6
19、。2.2.2 8031 引脚介绍采用 40 管脚双列直插式 DIP 封装,引脚如图 2-3 所示：图 2-3 8031 引脚图引脚功能说明：Vcc 40 引脚 主电源引脚接+5V 电压；Vss 20 引脚 接地；XTAL1 19 脚 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对 HMOS单片机，此引脚应接地；对 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（ 18 脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号
20、直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。7RST/VPD 9 脚 当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 8.2k 的下拉电阻，与VCC 引脚之间连接一个约 10F 的电容，以保证可靠地复位。V CC 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部 RAM 的数据不丢失。当 VCC 主电源下掉到低于规定的电平，而 VPD 在其规定的电压范围（ 50.5V）内，VPD 就向内部 RAM 提供备用电源。ALE/PROG 30 脚 当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部
21、存储器，ALE 端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）8 个 LS 型的 TTL 输入电路。PSEN 29 脚 此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。PSEN 同样可以驱动（吸收或输出）8 个 LS 型的 TTL 输入。 EA/VPP 31 引脚 当 EA 端保持高
22、电平时，访问内部程序存储器。当 EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的 8031 来说，无内部程序存储器，所以 EA 脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。P0 口 39 脚 32 脚 是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总线的低 8 位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LS 型的 TTL 负载。P1 口 脚至 8 脚 是准双向 8 位 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。P1 口能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。P2 口 21 脚至 28 脚 是准双向 8 位 I/O 口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。P2 可以驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL负载。 P3 口 10 脚至 17 脚 是准双向 8 位 I/O 口，在 MCS-51 中，这 8 个
