【《基于STC89C51单片机的自动售水器结构设计》8700字（论文）】

PAGE4PAGE1基于STC89C51单片机的自动售水器结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u15322摘要 278641引言 268091.1课题设计背景和设计目的 2106121.2研究内容 4260081.3论文结构安排 4262372.系统总体设计 5137082.1系统总体方案 5158932.2射频识别技术 5170322.3传感器检测技术 675432.4硬件编程工具 6195922.5电路设计软件 6219342.6逻辑实现语言的选择 7136633.系统硬件设计 8108353.1主控芯片选择 8161413.2流量检测模块 10222823.3按键模块 10147903.4LED1602显示电路 11189193.5射频识别读写模块 1218434.系统软件设计 135644.1软件主程序构造 13175854.2射频识别 14159164.3液晶模块 15155164.4按键扫描程序 16142325.系统测试 17324925.1硬件测试 17282945.2软件测试 18173195.3整体测试 19149506.总结 2035746.1系统总结 20238846.2未来展望 21摘要21世纪科学技术革命以来，高新产业的智能化日益发展，电子信息，光纤通信技术，RFID技术，网络连通技术在日常生活中的每时每刻都在应用，我们的日常生活越来越方便，人们发展科技的重点永远都是为人们减轻负担。本文主要分析人们在公共供水系统或者学校等地方可以使用的自动售水机，。本文在分析自动售水机的结构基础上，完整讲解了自动售水机的运行原理，设计了一种用单片机STC89C51为主要驱动的自动售水机设计规划。本次毕业设计的自动售水机，在设计IC卡识别，出水检测，LCD显示，出货故障检测等性能方面较原有售水系统有所创新和改进，这种基于单片机的自动售水机，对比传统超市售货优点明显，出货速度快，在了解电路原理的技术上，简化了许多不必要的硬件，进一步缩小了体积也节约了成本。为人们提供了一直低成本，高效率的自动售水机控制系统。关键词：自动售水器；STC89C51；射频识别；液晶显示；1引言1.1课题设计背景和设计目的随着电子技术的新一轮革命，计算机技术的发展，人们对自由的向往，市场上各种懒人机器的层出不穷，甚至有机器人代替人类做事的想法，这在以往都是天马行空的想法，但在科技的进一步发展中，却可能成为现实。近年来，无人售货机，无人超市等设施在各大城市开始涌现，人们开始对这一全新的商业模式展开探讨，无人超市随着中国商业大佬马云在杭州等地的试点营业而无疾而终，但无人售货这一模式却在许多技术人才以及商业人才的头脑中扎了根，无人售货机可以大幅度减少人力资源的消耗，却也缩小了商品零售的商铺费用，因而能以进一步的价格优势打入市场，目前各高校里面以及广泛流行的自动售货机数不胜数，也正是如此，我们看到了许多自动售货机的缺陷，很多都是昙花一现，不到一年就报废等缺点。从世界的范围看，自动售货机的卖点多种多样，有的通过统一管理的方式来运行，通过电话线网线将自动售货机里的销售额以及货物存储量实时传输给主控电脑，目的是保障售货机里的商品信息能及时被店家了解，可以根据货物销售情况，准确补货，除此之外，自动售货机能够从节能的角度来说，能够大幅度节省人工对能量的消耗，减少必要的人工损耗，大幅度降低了财力在这方面的浪费，提高了效率。为了应对现如今快速发展的社会经济和商品经济，人们越来越关注购物体验以及便捷性，在产业机构化升级以及共享经济的发展，越来越多的商家、厂商需要关注如何让更多的顾客便捷的产生消费行为。随着高新技术的发展，还有物联网识别技术的普及，无人自主售货机器、支付方式的产出日益普及和完善化，满足了群众个性化的需求。消费者通过无人式的消费，节省大量的时间，同时越来越受年轻一代消费者的欢迎。同时，当代年轻人越来越快的生活节奏和社会日益发展的生产力与自助购物模式相匹配。现如今在城市的很多区域都有自助式购物方式的身影，例如在城市景区，商业办公楼，公共交通站点，医疗卫生场所以及众多人口聚集处。不单单使消费者的购物行为便捷化，种类丰富的设计造型，也成为了一道风景。现如今，在欧美国家，自助式购物在公共场所已经大大，我国也已逐步推进并创新，在疫情时代下更是出现了自助病例售货机和自助口罩售货机。该技术的普及大大彰显了我国的生产力、消费力、以及电子智能化的发展。该技术从广义来看是将现金、磁卡等后便可以销售商品的机械，但是从狭义方面来看就是可以实现自动销售的工具。从供给关系上的优点来看，自动售货机可以替代众多简单机械的劳动行为，而且符合当今经济市场发展规律。从市场上现有的24小时营业自助购物店面或机器来看，所需成本远远小于传统的经营模式，而且占地面积小，更能吸引非目标人群的好奇心。在城市自动化和现代化发展的要求下，自动售货机完全符合要求不但能充分利用空间资源，提高了消费群体的消费，优势十分显著。在大学四年的学习下，通过对本课题的研究，完成了对自身能力的测试，也在一方面开始与社会实际的运用接轨,在另一方面可以清楚地认识到电子方面的硬件知识以及嵌入式编程,同时在对课题的实现过程中也可以发现智能化程度的高低与资金投入之间的关系,为日后在电子方面的发展提供了参考依据;另一方面在对整个系统的搭建和调试过程中不断发现和解决问题,以及对该系统的控制方案不断进行改进和创新,自己的思维能力和调试能力都能得到有效提高。本次研究通过对STC系列单片机编程,C语言的学习,串口通信协议等方面的深入学习，打牢了后续学习电子方面的基础,也通过这次实物的制作研究激发以后探索电子类设计的热情。通过本次设计也可以有效的提升自己对控制器的理解和使用熟练度,以待日后能够更好的使用它们服务社会。1.2研究内容本次的设计主题的核心是基于STC89C51单片机模块进行设计与研究，并完成自动售水器的自动化功能实现。本设计的编译器主要采用keilUvision4，并基于C语言进行后期的程序编写以及运行调试。在电路设计方面，采用了AltiumDesigner电子设计软件。并通过单片机组件与流量检测模块、通信模块，上位机模块，指示灯模块、电源电路模块来系统的模拟自动售水这一功能。本篇论文主要采用三个维度进行论述，分别是软件编程设计、整体硬件设计以及整体系统构成。1.3论文结构安排本文介绍了一种基于单片机的自动售水机控制系统，本次设计的论文将从5大章对整体设计过程进行阐述，具体的安排如下：第一章节“引言”，主要描述了基于单片机的自动售水机控制系统的研究的背景、国内外研究的现状、本系统对于发展意义、研究的目的、研究进行主要工作以及本设计的论文结构安排。第二章节“总体介绍”，主要描述了基于单片机的自动售水机控制系统的总体方案设计和介绍主要硬件电路的相关对比并选择出最佳设计方案。第三章节“硬件介绍”，主要描述基于单片机的自动售水机控制系统各模块所涉及的硬件知识进行比较详细的相关介绍。第四章节“软件设计”，主要阐述了基于单片机的自动售水机控制系统的软件设计与实现以及分析。第五章节“系统调试”包括对设计软、硬件的简单调试，以及调试出现的问题及分析。第六章节“总结”包括对设计软、硬件的学习过程以及做出的成果进行总结。2.系统总体设计2.1系统总体方案本设计由STC89C52单片机核心板电路，通过射频识别模块完成对水卡信息的识别，然后按键模块可以调控流量的启停，通过流量传感器检测流量通过的多少并在程序中设计计费，交由液晶显示模块显示。主要硬件框图如下：图2-1：系统总体框图2.2射频识别技术RFID技术已在各种行业被广泛应用，RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，是一种非接触性的自动识别技术，不需要人工干预就可以进行信息识别。这种技术最大的优点在于即使在比较恶劣的条件下，也依然能完成工作。应用起源于二战，美国军方用于识别敌方飞机。20世纪80年代逐渐走向成熟。除了军事方面在其他很多方面，人们都有辨识物品的需要，普通的标签浪费人力物力，且误码率较高。RFID技术解决了传统方法误码率高，劳动强度大、工作简单充分等问题，提高了信息系统的实时性和准确性。主要结构分为电子标签、阅读器以及天线。电子标签包与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。电子标签内有两个数据区域，分别是ID区和用户数据区。ID区用于存储唯一的UID代码，用户数据区可以供用户存储数据，进行读写、修改。并通过天线进行射频连接。电子标签通过电磁波与阅读器进行信息交换，最终由阅读器将识别结果发给主机。2.3传感器检测技术传感器模块在本次设计里相当于充当眼睛的作用，所以传感器的选择十分重要，既要考虑到成本方面，同时还要考虑它的灵敏度和抗干扰。经过多种方案的对比本次设计选择流量传感器当做本次的检测器件。它的工作方式是将待测目标的，所以它的检测不容易受到一些无关因素的影响。传感器在当今现代化的生产实践中具有不可替代的作用，传感器将伴随一些探测设备以及一些高新技术的应用而更加成熟，灵敏度和性能都将得到很大程度的提高。2.4硬件编程工具KEIL是微软公司推出的专门用于硬件变成调试的工作软件，能够给开发人员一个统一的开发病平台，便于各部门的统一调用，本平台所编成以及生成的代码能够快速的变成对应的文件，在整个系统的调用以及调试工程中也能够在友好快捷的界面提示系完成，这个平台在系统完成调试编码后就能够把整个代码转化为让硬件系统识别的机器代码格式。然后通过硬件数据进行上位的代码烧录工作，整个过程能够方便快捷的实现。2.5电路设计软件在电路以及系统设计方面，本次设计主要使用了AltiumDesigner软件。此软件是开发商Protel，在Alitum公司联合下推出的能够便捷快速制作自己封装库的电子产品优化开发系统。而且它除了继承了protel99SE,还包括protelDXP在内。在保持原先版本系列优点不变的情况下，额外为消费者开放了许多实用功能，如布线自动化，设计原理图,仿真电路图,PCB制作,信号完整性分析和设计输出,也是目前初学者中学习者最多的电路设计及仿真软件,集成了多种库,自带制作库的向导,能使初学者快速了解封装方面的知识,快速制作属于自己的库。2.6逻辑实现语言的选择本次使用的是理工科必备的学习课程，C语言进行编程，尽管目前多次语言技术更替，但C语言始终是全世界使用范围最广且最便捷的编程语言，C语言不但能以简易的方式编译、处理各类处理器的接口内存，同时它只产生较少的机器语言，并且基本任何智能处理器上可以通用，因此不管是最终目的是什么，C语言都是一个很好的实现工具，并且学习它的过程中会发现，许多其他语言的语法和C语言都有相似之处，这就是学习通用语言的好处。

3.系统硬件设计3.1主控芯片选择本次基于单片机的自动售水机的主控芯片的选择是关键，这影响到了整个系统的工作效率，主控芯片作为整个系统的核心，必须能够实现所需求的所有功能，有以下两个方案可供选择：方案一:使用STM32F103系列单片机。STM32系列单片机是arm系列单片机，被广大开发人员和电子爱好者广泛使用。STM使用的Cortex-33内核具有强大的内部资源，可以在不同的环境中处理信号。特殊处理芯片的选择使多个模块同时高效地工作和反应，同时具有高效的故障保护和高性能的特点稳定性功能强大，价格低廉，市场环境广阔。由于各种智能设备的迅速发展，STM32系列单片机具有利用率高的优点，具有非常丰富的开发信息和经验，非常适合学生设计不同的系统和开发。同时STM32F103系列单片机具有下列功能：1.STM32F103系列单片机的外部快速I/0多达21个，而且所有的I/0口都可以进行其内部16个外部中断的映像，虽然STMF103系列单片机的工作电压范围为2.0V^3.6V，但5的信号可以从其几乎所有的端口进行输入。通过软件的设计，可以将其每一个端口都能够配置成推挽输出、开漏输出、上拉电阻输出、上拉电阻输入、下拉电阻输出、下拉电阻输出等其他外设功能，能够从软件层面上优化外部电路，使得其I/0无需在外部电路上进行有关于输出能力的设置。2.STM32F103系列单片机中集成了多个高精度的ADC转换器，且其强大的处理能力能够维持双通道采样和保持的功能，从最高36V的电压，到最低0V。这区间的电压都允许在当中的两个ADC转换器所包含的16个输入通道，进行采集。3.STM32F103系列单片机拥有7条路线使数据传输直接作用于存储器与存储器、设备与存储器之间，但不被CPU进行额外干预，从而能够大大的节省CPU资源，从而释放CPU的空间便于其去进行其他操作。4.能够在20脚的JTAG(JointTestActionGroup，联合测试工作组)进行访真调试并且能够具备SWD功能。方案二:STC89系列单片机特点显著，运行速度较高，可能性较高。并且可以在线编程的突出特点，内部采用8051架构微处理器，具有低功耗和超低价的特点，其外部引出四个8为并行I0，且每个I/0可单独操作。而且51单片机一直被当作嵌入式入的经典芯片，一直被低成本原则系统的产品设计所使用。除此之外，STC89系列单片的外设接口、内部资源以及串口通讯接口都十分丰富，能够满足多样化的使用条件，且此单片机具有较低的功耗。但综合以上分析的情况和实际生活中的需要，我们发现，较高的性价比才是产品最大的卖点，同时可以树立较大的价格壁垒，因此我们选用较为便宜的STC89C51单片机，自带AD采集，这样的综合成本能达到最低，且功能完成也能达到要求。所涉及到的芯片引脚图如下图所示：图3-1芯片引脚图3.2流量检测模块本次电路的流量计算模块设计，借鉴了流量传感器模块。发射超声波并记录在超声波在流体中的传播时搭载的流体流速信息。在计算接收到的超声波通过计算得出流速，并换成成流量体积和金额。（流量检测原理图如下）在实物硬件制作中未实际出水故采用计时换算为代表。图3-2流量检测原理图系统总体原理图主要包括STC12C5A单片机的最小系统搭建，主要包括时钟电路，复位电路，电源电路，其中电源电路是通过USB串口供电。其他的功能模块包括指示灯模块，主要由半导体LED和电阻串联组成；串口通信模块，主要由两根数据线和两根电源线组成构成。3.3按键模块本次设计对于键盘的选择，有以下两种方案：1.在系统中设置独立按键，按键之间相互独立。并且独立按键能够作为连接单片机I/O口的单一电路，每一个独立按键都很占用一个I/O口，独立按键在操作方面非常灵活，如果在不需要多个按键时，可以采用独立按键进行设置，如果一旦需要的按键数量较多，I/O口的资源在一定程度上会被浪费。2.采用矩阵按键。矩阵按键有多种规格，一般为4*4或者2*3等规格，矩阵按键通过行扫描和列扫描的方式对按键进行读取，因此也可称为行列键盘。因此如果需要的按键较多，例如输入数字、密码等，矩阵按键是一个非常好的选择。通过以上对比，矩阵按键在需要按键较多时是很好的选择，可节省大量的I/O资源，但是本次设计需要的按键也比较少，矩阵按键相对来说更适合本次的要求。因此本设计选择采用的是独立按键。采用独立按键。而按键之间为独立式的，不会互相影响。独立按键在操作方面非常灵活，如果在不需要多个按键时，可采用独立按键进行设置，本次设计使用按键主要是系统调试所需。图3-3按键模块原理图3.4LED1602显示电路在本次基于单片机的自动售水系统的设计中，显示模块也是非常重要的，它可以用来进行数据信息的显示，本次因为结合到智能时代的要求，显示模块对可视化性有着很好的提升作用，液晶显示的原理其实和LED显示原理一样，都是通过压差来驱动LED亮起，而液晶屏的区别在于是多个小型LED集成到一块小屏上面，然后控制小屏上各个LED的亮度，就组成了不同的文字。接口方式如下图：图3-4LCD接口电路3.5射频识别读写模块本次使用ZX522RFID传感器来完成IC卡技术识别，模块采用UHF远距离射频识别技术，当信号被传输到在出入口附近安装的远距离阅读器，并被阅读器正确完整接收之后，传输电磁信号会由接口485通过远距离读卡机，传播到单片机中完成数据处理，然后单片机读取数据将IC卡信息传输到液晶屏上显示：图3.5射频识别接口电路图4.系统软件设计4.1软件主程序构造主体程序主要通过对IC卡数据的读取和对指示灯LED的控制为主，主要难度程序在于串口数据的读取和发送，中断服务函数的编写，主体程序流程图如下：图4-3：主体程序流程图4.2射频识别射频识别技术主要通过IC卡中特定电磁芯片来对信息进行识别获取，主要是在模块通电后，对对应芯片进行初始化处理，然后对芯片信息进行识别，然后对信息进行传输给单片机，主要流程如下图：图4.2射频识别模块流程图4.3液晶模块液晶显示部分程序主要是对液晶的初始化，就是开液晶中断，打开对应的寄存位。然后显示部分就是首先将液晶清零，然后读地址，准备行列选择，然后写入对应数组字符，流程图如下图4-3：液晶显示程序流程图4.4按键扫描程序针对本次设计，系统主要设置了单独按键，在启动键盘的扫描之后。对模块进行初始化设置，之后确定是否按下按键并确定是哪一个按键被按下。当上述步骤检测完成后，通常按键所用的开关都是机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上就稳定的接通，在断开时也不会一下子彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动，所以每当按键被按下就去除按键抖动，并且进行一定时间的时间延时后进行判断。最后完成识别闭合键的完整过程。其流程如下所示：图4.4按键扫描流程图 5.系统测试5.1硬件测试在整体的硬件检查和故障调试当中，最重要的是检查每个大模块之间的连接情况，处理与单片机主机之间电路焊接和单片机中每个引脚的连接是否合理，能否让信息信号合理的接通。如果在引脚的连接上出现问题，在后期往往会引发一系列错误反应，尤其是在进行软件测试的时候机器无法得到有效的反应和提示。对于整个系统的软件系统无法快速的找到解决方法。下一步检查设备的极性和规格是否能相互匹配。然后使用万用表，对可能出现的断短路进行探测和合理规避。这次设计所需要元器件整体上采的是直插元器件，运用一般焊接工艺就能达到要求。一般焊接时间不应该超过8s。焊接时应首先焊接单片机部分，因为单片机为主控制器，如果单片机的焊接质量出现问题，其他的芯片即使焊上整个板子也将无法使用。因此，焊接完单片机后，应该首先进行上电测试，保证单片机的焊接正确，其次应该焊接显示部分，以方便程序下载和调试。当根据需要焊接完所有的芯片、元器件后，进行完整的功能测试，避免虚焊和漏焊。焊接完成之后，首先需要检查一下电源附近是否存在疑似短路的可能，我选择万用表的两根电笔一根接在单片机的地侧，一根接在电源侧，这样就可以观察万用表上的电压值，正常的话大致在5V左右。假若采用的USB5V的电源，表上读数应该在5V以上一点，说明单片机正常使用。假若并没有出现正确的读数说明单片机可能不能正常工作，要及时更换单片机。如果万用表发出正常的声音，就说明焊接的结果是成功的，没有出现疑似短路的问题。一步一步的进行检测调试每一个模块，保证每一个模块都要连接成功，一定要做到细心不能粗心大意，这些工作决定了系统最后能否实现正常的功能。5.2软件测试当整个硬件完成连接后，确保不同的硬件模块都能正常数据传输后，然后要实现的工作就是进行逻辑的处理，首先就是检测各个模块数据的获取进行检测，是否能够进行相关数据的完美获取以及数据获取格式是否是我们所要求的具体格式。然后也要对于不同模块接口之间的数据传输进行相关的调试，使得整个数据处理流程能够稳定安全的处理下去，然后在各个数据获取时候进行相关页面的提示以至于用户用来进行系统运行阶段的检测，软件代码逻辑调试也是整个系统需要的重要步骤，本次软件测试主要是对各个模块的功能进行测试，包括了射频识别精准度，流量检测准确度。最终通过整体数据处理，整体运行没有错误，运行结果如下图：图5.2运行结果图5.3整体测试在整个系统的软件以及硬件各模块测试调试后，我们要进行相关的整体错误提示工作的完成，就是在相应的数据监测警报后，我们要实现其中界面的友好提示，使得用户能够清楚系统具体那个模块出现了问题，通过不同的模块函数的编写以及调试的实现，真个系统功能的开发并不是一帆风顺的，只有通过不同的反复调试以及不同的反复揣摩工作，然后才能实现相关的功能，再多测的编码调试中才能发现不同的问题bug，在最后以一个完美的系统展现在用户面前，能够顺利的完成整个基于单片机的