关于寄物柜设计基于AT89c52单片机.docx

黄山学院本科毕业论文本科生毕业论文（设计）两种自动寄物柜的设计与比较姓 名： 蒋贺飞 指导教师： 侯丽 院 系： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 提交日期： 目录引言41AT89C52单片机4 1.1主要性能参数52条码型寄物柜6 2.1 条形码6 2.1.1 条形码的识别原理6 2.1.2 条形码的扫描6 2.1.3 条形码的编码规则7 2.1.4 条形码校验码公式8 2.1.5 条形码的制作8 2.2 条码型自动寄物柜的硬件系统设计8 2.3 条码型自动寄物柜系统的软件设计11 2.4 软硬件抗干扰技术123指纹寄物柜13 3.1 指纹识别技术13 3.2 指纹寄物柜总体系统结构13 3.3 指纹寄物柜硬件系统设计15 3.4 指纹寄物柜软件系统设计164两种自动寄物柜的设计与比较195结束语20参考文献21致谢21 两种自动寄物柜的设计与比较 指导教师:侯丽 (黄山学院信息工程学院，黄山，安徽245041)摘 要：本文介绍了基于AT89C52 单片机的条码型自动寄物柜与指纹寄物柜的软硬件设计方法。条码型寄物柜通过采用反射式红外传感器、微型打印机等实现了具有人机交互能力、设计简洁可靠，所以这种条码型寄物柜系统得到了广泛的应用,但有安全性差、使用不便和维护成本高等缺点。指纹寄物柜采用指纹识别技术,提高了系统的安全性、使用的便利性,同时降低了维护成本。本文介绍了指纹寄物柜系统的硬件和软件设计。通过比较可知，两种自动寄物柜各有优缺点。条码型寄物柜设计简单，但安全性不及指纹寄物柜，适用于一般场所；指纹寄物柜设计复杂，但安全性较高，适用于安全性要求高的场所。关键词：自动寄物柜；单片机AT89C52；条形码；指纹识别Design and Compare of Two Automatic LockersDirector: Hou li(Information Engineering College, Huangshan University, Huangshan, Anhui 245041)Abstract: This paper introduces some hardware and software design method of barcode automatic locker based on SCM AT89C52 and fingerprints locker. By using reflex infrared sensors, mini printer and so on, we can realize the efficient and credible barcode automatic locker which can carry out man-machine conversation, so barcode automatic locker system is widely used, but it has some shortcomings, such as poor in security, inconvenience to use, high cost of maintenance. Fingerprints locker uses technology of fingerprint identification, it improves the security, makes the system convenience to use, and reduces the cost of maintenance. Hardware and software design of fingerprints locker is introduced in this paper. Through comparison, it can be found that this two lockers has its pluses and minuses. Barcode automatic locker is simple in design, but its security is poor than fingerprints locker, so it appears more in general places. Fingerprints locker is complex in its design, but it has high security, so it appears more in places where need high security.Key Words: automatic locker; SCM AT89C52; barcode; fingerprint identification引言在大型超市、图书馆、游泳馆、火车及汽车站，人们经常需要寄存包裹。采用人工方法存取包裹即费时又费力，与信息社会格格不入。故而本论文设计一套基于单片机AT89C52的自动寄物柜的微机系统，能够完全实现自动化。用户只须按存包键，某一柜门自动打开，同时系统打印条形码、密码和柜号。当用户取包时，只需将条形码贴在扫描器上，待扫描器确认条形码正确后其柜门再次打开，用户取包离开。虽然传统的寄物柜系统得到了广泛的应用，但有安全性差、使用不便和维护成本高等缺点。将指纹识别技术应用到寄物柜系统中，提高了系统的安全性、使用的便利性，降低了维护成本。随着寄物柜的发展，寄物柜出现了电子锁具智能柜 、ABS塑料寄物柜、指纹寄物柜等等式样不一的寄物柜。条码型寄物柜的使用最为普遍；指纹寄物柜的安全性比较高，很有可能发展成最普及的寄物柜。1AT89C52单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM)和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU)和Flash存储单元，功能强大。AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 图1 AT89C52的主要性能参数 1.1 主要性能参数与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8K字节可重擦写Flash闪速存储器，1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz,三级加密程序存储器,256*8字节内部RAM32个可编程I/O口线,3个16位定时/计时器，8个中断源可编程串行UART通道,低功耗空闲和掉电模式2条码型寄物柜2.1 条形码2.1.1 条形码的识别原理要将按照一定规则编译出来的条形码转换成有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程。物体的颜色是由其反射光的类型决定的，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在条形码上反射后，反射光照射到条形码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。根据原理的差异，扫描器可以分为光笔、CCD、激光三种。电信号输出到条形码扫描器的放大电路增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。然后译码器通过测量脉冲数字电信号0，1的数目来判别条和空的数目。通过测量0，1信号持续的时间来判别条和空的宽度。此时所得到的数据仍然是杂乱无章的，要知道条形码所包含的信息，则需根据对应的编码规则（例如：EAN-8码)，将条形符号换成相应的数字、字符信息。最后，由计算机系统进行数据处理与管理，物品的详细信息便被识别了。2.1.2 条形码的扫描条形码的扫描需要扫描器，扫描器利用自身光源照射条形码，再利用光电转换器接收反射的光线，将反射光线的明暗转换成数字信号。不论是采取何种规则印制的条形码，都由静区、起始字符、数据字符与终止字符组成。有些条形码在数据字符与终止字符之间还有校验字符。静区：静区也叫空白区，分为左空白区和右空白区，左空白区是让扫描设备做好扫描准备，右空白区是保证扫描设备正确识别条形码的结束标记为了防止左右空白区（静区）在印刷排版时被无意中占用，可在空白区加印一个符号（左侧没有数字时印号）这个符号就叫静区标记。主要作用就是防止静区宽度不足。只要静区宽度能保证，有没有这个符号都不影响条形码的识别。起始字符：第一位字符，具有特殊结构，当扫描器读取到该字符时，便开始正式读取代码了数据字符：条形码的主要内容。校验字符：检验读取到的数据是否正确。不同编码规则可能会有不同的校验规则。终止字符：最后一位字符，一样具有特殊结构，用于告知代码扫描完毕，同时还起到进行校验计算的作用为了方便双向扫描，起止字符具有不对称结构。因此扫描器扫描时可以自动对条形码信息重新排列。条形码扫描器有光笔、CCD、激光三种。光笔：最原始的扫描方式，需要手动移动光笔，并且还要与条形码接触。CCD：以CCD作为光电转换器，LED作为发光光源的扫描器。在一定范围内，可以实现自动扫描。并且可以阅读各种材料、不平表面上的条形码，成本也较为低廉。但是与激光式相比，扫描距离较短激光：以激光作为发光源的扫描器。又可分为线型、全角度等几种。线型：多用于手持式扫描器，范围远，准确性高。全角度：多为卧式，自动化程度高，在各种方向上都可以自动读取条形码。2.1.3 条形码的编码规则唯一性：同种规格同种产品对应同一个产品代码，同种产品不同规格应对应不同的产品代码。根据产品的不同性质，如：重量、包装、规格、气味、颜色、形状等等，赋予不同的商品代码永久性：产品代码一经分配，就不再更改，并且是终身的。当此种产品不再生产时，其对应的产品代码只能搁置起来，不得重复起用再分配给其它的商品无含义：为了保证代码有足够的容量以适应产品频繁的更新换代的需要，最好采用无含义的顺序码2.1.4 条形码校验码公式首先，把条形码从右往左依次编序号为“1，2，3，4”从序号二开始把所有偶数序号位上的数相加求和，用求出的和乘3，再从序号三开始把所有奇数序号上的数相加求和，用求出的和加上刚才偶数序号上的数的和乘3的积，然后得出和。再用大于这个和的最小的10的倍数减去这个和，就得出校验码。2.1.5 条形码的制作条形码的制作一般用印刷或通过条形码打印机打印条形码。条形码打印机和普通打印机的最大的区别就是，条形码打印机的打印是以热为基础，以碳带为打印介质（或直接使用热敏纸）完成打印，配合不同材质的碳带可以实现高质量的打印效果和在无人看管的情况下实现连续高速打印。2.2 条码型自动寄物柜的硬件系统设计条码型自动寄物柜的硬件系统设计如图2。说明如下：该系统主机CPU 为AT89C52，外接两块8255芯片I/O扩展，74C522键盘管理芯片管理3*4键盘矩阵，微型打印机GP16，TM162 字符点阵式液晶。其中两块8255芯片扩展I/O口48路，分别为16路继电器阵列输出口，16 路反射红外传感器输入和16 路限位开关输入口，其中PA口驱动继电器开锁，PB口外接限位开关显示柜门关或闭，PC口外接红外传感器开关显示柜内有物否。图2 条码型自动寄物柜的硬件系统设计原理简图1） 本次设计采用YM162 16*2字符液晶点阵式LCD数据线挂接总数据线，数据或命令端RS接P2.2，读写端R/W接P2.3，使能E接P2.4，命令写入地址为E3FFH，数据写入地址为E7FFH，状态地址为EBFFH，不需要生成新的字符，只要使用其内部字符库的字符即可，使用时送入需显示数据的ACSII码值即可。2） 微型打印机采用GP16。片选接P2.5，BUSY端接P1.7，数据口接总数据线，其地址为DFFFH，打印机可作为外部RAM对待，向打印机发送命令或数据时，只要向口地址DFFFH写入相应数据字节即可，BUSY信号采用查询P1.7口方式控制打印机。3） 本次设计我们采用专用键盘管理芯片74C922。74C922 为CMOS工艺技术制造，工作电压为315V。“二键锁定“功能，编码输出为三芯输出，可直接与微处理器数据线相连，内部振荡器完成4*4矩形键盘扫描，有按键时，DA变高，接到AT89C52的INTO口，并且设INTO为电平触发，当DA变高时，经过非门变低产生INTO 外部中断，通知AT89C52从P1口读键值，从而完成相应的散转程序功能。根据接线图及真值表，我们知道，10个数字键0-9对应输出(00001001)，存包健对应输出(1010)，取包键对应输出(1011)。4） 本次设计采用两片8255I/O和扩展48路I/O口，其地址分别为7FFCH7FFFH和BFFCHBFFFH。PA口设为输出，通过驱动芯片7407接16路继电器开柜锁，当PA口某位置1时，产生电磁力吸合锁舌，使锁打开，当PA口某位置0时，电磁力消失，释放锁舌。PB口外接16 路限位开关，设为输入口。在柜门的启停位置安装限位开关，当柜门被自动打开时或人工关上时，限位开关发出高或低的电平信号。CPU检测柜门关上与否。PC口外接16 路红外反射传感器开关，设为输入口，红外传感器属于非接触无损检测电子开关，它利用物体对红外线的反射现象来检测物体有无。它由调制脉冲发生器产生的调制脉冲经发射管G辐射出910-940的红外线脉冲，当被检测到物体进入传感器作用范围时，红外线脉冲被反射回来进入接受管D，由接受管D的光电效应和控制器中的解调放大器，将红外线脉冲解调为电脉冲信号，并经选通放大，整流为直流电平，再由抗干扰网络滤去干扰后，触发驱动器，并输出一开关信号。当有物为1，无物为0。此信号通过光电隔离及反相器输入到8255的PC口。图3为红外反射式传感器开关原理图。解调放大器抗干扰网络调制脉冲发生器触发驱动器光耦隔离PC口8255GND图3 红外反射式传感器开关原理图2.3 条码型自动寄物柜系统的软件设计本次设计有主程序和INTO中断程序及相关的子程序组成。设有两个标志位，其中一个标志位flag1为存满标志位，当PC口输入为FFH时，红外反射式传感器检测到所有柜存满，此时液晶LCD显示full!否则显示welcome!另外一个标志位为flag2，即取包键标志位。即当只有按取包键后，flag2 置1，液晶LCD显示Please show barcode，当取包裹人把条形码放置在条形码扫描器前时，系统自动读取条形码，自动打开相应小柜。如果读取条形码失败，还可以有备用办法，此时系统自动发送命令，液晶LCD显示Please input code，用户输入密码，系统检测密码，打开相应小柜。当存包时，flag2 被置0，系统查询所有小柜，随机打开空柜子，并打印条形码。由于篇幅所限，本处给出外部INTO中断流程图4和主程序流程图图5。值得注意的是，本次设计为当一个人操作本系统时，应保证其他柜门已关上这一前提，即不允许两个人同时操作本系统。图4 外部INTO中断流程图图5 主程序流程图2.4 软硬件抗干扰技术复位看门狗及电源监控采用Maxim公司的MAX813芯片。软件方面采用: a:在程序中插入空操作指令实现指令指针PC的容错。插入原则为:在跳转或多字节指令前插入来保证指令的正确执行。在比较重要的指令前插入:如中断，堆栈等及在程序中每隔若干条指令插一次。b:像重复设置各种工作方式控制字这样，通过软硬件双重监控，防止程序跑飞。3指纹寄物柜3.1 指纹识别技术电子式寄物柜在人们需要存储物品时，控制驱动电路打开空柜，然后打印出一张密码纸；人们需要取出物品时，采用传统的密码输入或条形码扫描方式实现打开目标小柜。这一工作方式一定程度上弥补了机械式寄物柜系统的缺陷，但由于其基于提供密码纸这一工作方式，还是存在着安全性低、不易维护且维护成本高等缺点。主要的问题有: 如果密码纸遗失，则存放的私人物品可以很轻易地被他人取走；密码纸出现皱折，则条形码极有可能不能被正确读取；由于安装有卷纸及打印等机械部件，导致设计复杂、成本高、体积大，且容易出现卡纸和打印残缺等故障；由于密码纸的一次性及打印的频繁性，每天将消耗相当数量的纸张及油墨资源；需要经常性地进行加纸、加墨等日常维护，成本高。指纹，作为生物特性的一种重要形式，具有不存在遗忘或丢失的风险，不易伪造被盗，“随身”携带，随时随地可用等优势；与此同时，随着电子技术的快速发展，使得指纹识别系统的开发难度及成本大大降低，所以基于指纹识别的身份认证系统取得了快速发展及应用。与采用机械钥匙或密码形式的身份认证系统相比，指纹的唯一性弥补了钥匙和密码的可替代性；指纹识别的高安全性弥补了钥匙和密码在使用者身份认证上的不足；指纹识别后期成本大大降低，操作也更简便。3.2 指纹寄物柜总体系统结构基于指纹识别的寄物柜系统结构如图6 所示，主要由主设备、寄物柜(从设备)及中继器(可选)等组成。系统中多个寄物柜组成寄物柜阵列，每一寄物柜通过RS485总线与主设备进行通信，系统采用总线型拓扑结构。寄物柜阵列的规模可自由进行扩展，在不加总线中继器的情况下，最少可以驱动32个寄物柜。主设备中继器RS485RS485寄物柜1寄物柜2寄物柜n寄物柜n+1小柜1小柜1小柜1 图6 基于指纹识别的寄物柜系统结构系统工作时，各寄物柜检测本柜内各小柜的使用情况，并在液晶显示器( LCD )上显示出来，同时将使用信息发送到主设备内以供调度。当使用者需要存储物品时，根据LCD显示信息，找到有空闲小柜的寄物柜，并进行存物操作。由于不提供密码纸，使用者有可能忘记物品存放于哪个小柜，这一问题可以通过向主设备发送查找目标小柜请求来解决。主设备收到查找目标小柜请求后，通过向所有寄物柜广播请求者的指纹信息，各寄物柜在收到该请求后，将接收到的指纹信息与本地的指纹信息进行匹配，如匹配成功，则响应主设备，表示所请求的使用者的物品存储于本寄物柜中，主设备获取目标小柜的位置，将目标位置通过LCD及语音的方式提供给使用者，指导使用者到目标寄物柜取物。当本寄物柜未满时，LCD 提示可存储物品；本寄物柜已满时，则根据来自主设备的各寄物柜的存储信息，显示空闲小柜的位置，指导使用者前往使用。当接收到使用者取物请求时，扫描使用者指纹并提取特征，进行和本地存储的指纹信息进行匹配，如果匹配成功，则打开相应的小柜；如匹配不成功，则将此使用者的指纹信息发送到主设备，由主设备负责查找该用户的储物位置，查找成功后通过LCD及语音的方式显示给使用者，以指导其顺利取物。主设备主要实现整个系统的调度管理功能，可以仅包括微控制器(MCU)、RS485通信接口等部分。它可以是一个独立的模块，也可以是采用寄物柜控制板的硬件，只是软件不同。在本系统设计中，采用了独立模块方式，仅负责调度管理，简化了系统设计，降低了难度，且由于电路并不复杂，整个系统不存在增加成本的缺点。3.3 指纹寄物柜硬件系统设计主设备的设计比较简单，只采用了寄物柜控制板上的部分电路，所以不加以说明。寄物柜的控制板结构如图7所示，主要由电源、DSP、闪存( FLASH )、MCU、LCD、按键、语音芯片、RS485接口以及驱动电路等组成，可以控制本寄物柜的20个可独立控制的小柜。MCUDSPFLASH按键语音芯片LCDRS485接口电源驱动电路指纹采集模块小柜1小柜2小柜3小柜20RS485供电图7 基于指纹识别的单个寄物柜控制板结构指纹采集模块采用了FPC1011C电容式指纹传感器，它是目前先进的电容式指纹传感器。由于采用了反射式探测技术，使指纹传感器的表面保护层厚度可以达到普通电容式指纹传感器的100倍左右，因此使指纹传感器具有更高的对干、湿手指的适用性和更长的使用寿命。此指纹传感器与DSP间采用SPI接口，并且无须复杂的设置，图像质量好，简单易用。本系统中，DSP主要实现接收来自MCU的指令，进行指纹特征提取、指纹匹配及指纹存储等操作，并没有其他过多的控制部分，所以对外围要求不高，采用TI公司的TMS320VC5509芯片即可，它的内核采用1-6V，I/O 端口采用3-3V 电源供电，可运行于144MHz时钟下，片内包括了128k*16 bit的RAM，64k的ROM，两个可编程的串行通信模块，并且提供了外部总线接口。本系统中，串行通信模块配置为SPI工作方式，实现读取指纹传感器的图像，外接总线挂接了FLASH 芯片SST39VF1601用于存储采集到的指纹。MCU采用了Ti公司的MSP430F149单片机，此单片机具有丰富的I/O 资源，具有两个可配置的USART接收转发器。本系统中一个USART用于实现RS485通信，另一个则配置为SPI接口实现与DSP的数据交互。LCD、语音芯片、按键及驱动电路采用I/O 端口模拟控制时序实现。RS485通信接口芯片采用TI公司的SN75LBC184，其具有防雷抗静电设计，驱动能力强，接收器输入端有开路故障保护功能，限斜率驱动等优点，使得总线通信稳定可靠。语音芯片采用ISD4002-240，其录放音质量高，可实现240s的语音录放，系统中用于对操作者进行语音提示。液晶显示器采用128 * 64 的点阵YELMB12864LDC，用于显示操作信息，指导使用者操作。按键接口采用4 * 4阵列按键，用于用户的存取操作及管理员进行手动控制。驱动电路用于本寄物柜中的20个小柜的开关控制。3.4 指纹寄物柜软件系统设计本系统中，软件系统设计主要包括DSP软件设计及MCU 软件设计两部分。DSP软件主要实现接收来自MCU的控制指令，进行指纹采集、特征提取、指纹比对及存储等操作，主要的软件流程如图8所示。指纹采集通过SPI接口从FPC1011C 读取指纹图像，特征提取由指纹图像归一化、计算方向图、计算图像有效区域、计算指纹频率、指纹图像增强、二值化、指纹图像细化以及细化后处理等步骤组成。指纹比对将指纹信息和FLASH 内的指纹库逐一比较特征是否匹配，存储操作则实现将指纹信息存储到芯片SST39VF1601内。图8 DSP软件主要流程图MCU 软件主要由按键处理程序、LCD 显示程序、语音芯片控制程序、DSP数据交互程序、RS485总线通信程序以及驱动电路控制程序等子模块构成，实现了根据使用者或者主设备的操作请求，向DSP或者主设备发送相应操作指令，根据响应结果控制本寄物柜中各小柜的开关等功能。另外，为防止指纹信息长期存储可能造成的存储空间不足，MCU软件设置每天的某一固定时间清空指纹信息存储空间，这一时间由工作人员人为设定。主要的软件流程如图9所示。图9 MCU软件主要流程图主设备软件设计比较简单，它定时轮询系统中各寄物柜的存储状况，并将空闲小柜的位置发送到各寄物柜；当接收到寄物柜指纹比对请求时，主设备将接收到的指纹信息广播到各寄物柜，轮询各寄物柜是否比对成功，并将结果返回到请求寄物柜。发起请求的寄物柜可以提示操作者存物品的小柜位置。主设备的主要软件流程如图10所示。图10 主设备软件主要流程图4两种自动寄物柜的设计与比较通过以上介绍，设计条码型寄物柜时，我们全部采用经典智能芯片如AT89C52，8255芯片，字符点阵式液晶显示，GP16打印机，74C922等，系统检测是否有外部中断，根据各种不同性质的中断，把相应的标志位置0或1，存包时，系统完成检测小柜并打开空柜，取包时，系统检测用户的条形码或输入的密码，核对后打开相应小柜，完成了人机互动能力强、软件硬件简单明了、工作可靠的自动寄物柜系统。经实验证明，完全达到设计目的。本文另介绍的一种基于指纹识别的寄物柜系统的设计，主要由DSP和MCU控制，用户存包或取包时，MCU检测请求或响应，根据不同类型的请求或响应对外发布不同控制指令，DSP软件主要实现接收来自MCU的控制指令，进行指纹采集、特征提取、指纹比对及存储等操作，将结果回应到MCU中，MCU根据结果给驱动电路发送控制指令，从而操作各个存取小柜。将指纹识别技术应用到寄物柜系统中，从而大大提高了寄物柜系统的安全性，使用的便利性，同时降低了维护成本。经过本论文以上内容的研究、分析及比较，我们知道指纹寄物柜使用的硬件有MCU、LCD、语音芯片、RS485等，条码型寄物柜需要的硬件比较多，有反射式红外传感器、微型打印机、字符点阵式LCD，键盘专用芯片74C922，8255芯片，继电器阵列和限位开关等，与指纹寄物柜相比较，机械化程度较高，出现故障的可能性较大，相对而言没有指纹寄物柜方便，但指纹寄物柜的设计与实现要求的知识较高；此外，条码型寄物柜打印条形码时要消耗纸张，而指纹寄物柜只是由MCU记忆指纹信息，定期删除，不消耗纸，节省成本及资源；而且密码纸有可能会遗失，指纹是不会遗失的，所以指纹寄物柜的安全性较高。可以很明显的得出一个结论，条码型寄物柜的