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標(biāo)題: 基于單片機(jī)的智能儲(chǔ)存柜的設(shè)計(jì) [打印本頁(yè)]

作者: 小強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室 時(shí)間: 2023-4-3 12:32
標(biāo)題: 基于單片機(jī)的智能儲(chǔ)存柜的設(shè)計(jì)
1緒論
1.1課題研究背景及意義
存儲(chǔ)柜是在公共場(chǎng)合十分常見的設(shè)備，一般分為機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式存儲(chǔ)柜采用的是傳統(tǒng)的機(jī)械鎖構(gòu)架，使用者憑借提供的鑰匙開關(guān)儲(chǔ)存柜。這一系統(tǒng)的缺點(diǎn)非常明顯，如果鑰匙丟失，不僅使用者自己無(wú)法打開儲(chǔ)存柜，還可能導(dǎo)致使用者的物品被他人取走，儲(chǔ)存柜的管理人員還要給該柜更換鎖具。而如今最常見到的電子式儲(chǔ)存柜采用的還是條形碼或密碼紙方式，這樣一來(lái)，雖然在便利性上有了一定的提高，但在安全性上依舊沒有根本的提高。條碼紙也可能會(huì)遇到一些問(wèn)題，如丟失和損壞。而且由于使用了打印機(jī)和卷筒紙等耗材，使得成本和維修頻率進(jìn)一步增高。
本次設(shè)計(jì)將指紋識(shí)別這項(xiàng)生物識(shí)別技術(shù)使用到了存儲(chǔ)柜之中作為密碼憑證之一，大大增加了儲(chǔ)存柜的安全系數(shù)，用戶不必再擔(dān)心憑證丟失，提高了用戶存儲(chǔ)包裹的體驗(yàn)。指紋是我們手指的的特征，屬于人體的結(jié)構(gòu)，不存在丟失和遺忘這種說(shuō)法。隨著指紋采集設(shè)備處理速度的不斷進(jìn)步，用戶的存儲(chǔ)包變得更加方便快捷，大大降低了系統(tǒng)的使用和維護(hù)成本，尤其是小型化的指紋識(shí)別系統(tǒng)，待機(jī)功耗非常低，不使用消耗性元器件和資源，符合我國(guó)倡導(dǎo)的低碳環(huán)保的趨勢(shì)和理念，在存放貴重的物品時(shí)還需要進(jìn)行多重密碼的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)多級(jí)化管理，進(jìn)一步提高安全性，在密碼或者指紋不匹配會(huì)報(bào)警提醒。當(dāng)前疫情的形式下，儲(chǔ)物柜還擁有自動(dòng)消毒功能，當(dāng)用戶取出物品后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)儲(chǔ)存柜進(jìn)行消毒，讓下一個(gè)用戶能放心使用，加上語(yǔ)音交互功能將帶給用戶更好的體驗(yàn)。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外現(xiàn)狀
1964年，日本Alpha公司開始與美國(guó)flexible公司進(jìn)行技術(shù)合作和研究，它們?cè)谌毡拘滤奁囌就斗攀褂昧怂麄兊氖着a(chǎn)品，這次的產(chǎn)品是一款采用投幣的存儲(chǔ)系統(tǒng)。1995年，alpha開始生產(chǎn)帶有RFID的智能存儲(chǔ)柜。2001年，他們開始在日本生產(chǎn)和銷售第一批電池指紋鎖儲(chǔ)物柜。2009年，日本仙臺(tái)站首次引入“免費(fèi)集裝箱提示系統(tǒng)”，可以實(shí)時(shí)確認(rèn)站內(nèi)集裝箱是否免費(fèi)。從alpha的發(fā)展歷史可以看出，作為日本最大的儲(chǔ)物柜銷售研發(fā)公司，alpha于1964年首次在公共場(chǎng)所使用，frid于1995年啟動(dòng)，指紋識(shí)別于2001年應(yīng)用于儲(chǔ)物柜。總的來(lái)說(shuō)，阿爾法多年來(lái)一直在技術(shù)上領(lǐng)先中國(guó)。智能儲(chǔ)物柜的使用場(chǎng)景大多出現(xiàn)在地鐵站、街道、機(jī)場(chǎng)、超市、游樂園等流動(dòng)性大的公共場(chǎng)所。為需要臨時(shí)存儲(chǔ)的客戶提供存儲(chǔ)和保管服務(wù)。一般是有償使用，各地價(jià)格不一。根據(jù)使用儲(chǔ)物柜空間的不同，以及儲(chǔ)存物品體積的不同價(jià)格也有所不同。在不同的場(chǎng)合和地段價(jià)格也不一致，在地鐵和火車站一般為400日元，在社區(qū)和街道一般為200日元，而在機(jī)場(chǎng)一般為500日元。
日本的智能儲(chǔ)物柜有很多功能，大部分都有以下功能：
實(shí)現(xiàn)RFID功能，用戶可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程了解櫥柜的使用現(xiàn)狀和剩余情況，用戶可以方便地從移動(dòng)終端進(jìn)行查詢；
可與“西瓜卡”（日本國(guó)家公共交通卡）捆綁使用，實(shí)現(xiàn)支付和用戶認(rèn)證功能。
在美國(guó)和歐洲一些國(guó)家，由于智能存儲(chǔ)柜便于系統(tǒng)管理和控制，以及節(jié)省了大量的人力，且實(shí)現(xiàn)了和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，所以十分的受歡迎。英國(guó)生產(chǎn)的HSD過(guò)程管理儲(chǔ)物柜已經(jīng)十分的普及，但該設(shè)備太過(guò)的復(fù)雜，且生產(chǎn)出來(lái)后不能根據(jù)使用環(huán)境的變化進(jìn)行擴(kuò)展，有較為明顯的缺陷。
2018年，Gaurang Panchal和Debasis Samanta在期刊中提出了基于指紋生物識(shí)別的加密密鑰生成及其在存儲(chǔ)安全應(yīng)用中的一種新方法，以確保存儲(chǔ)安全遵循生物識(shí)別注冊(cè)，密鑰綁定，安全草圖，模糊保管庫(kù)或模板存儲(chǔ)以及用戶密鑰。使用基于閾值的比較或錯(cuò)誤計(jì)算來(lái)驗(yàn)證用戶。生物識(shí)別數(shù)據(jù)或密鑰的存儲(chǔ)使系統(tǒng)面臨威脅。此外，用戶驗(yàn)證機(jī)制可能不準(zhǔn)確，因?yàn)殚撝颠x擇具有挑戰(zhàn)性，提出了一種用于存儲(chǔ)設(shè)備的新的代碼方式[1]。
2019年，East LLC提出創(chuàng)建和維護(hù)生物識(shí)別安全儲(chǔ)存箱及類似容器和設(shè)施的系統(tǒng)、方法和設(shè)備，并且在同年申請(qǐng)了專利，該專利將更多更先進(jìn)的生物識(shí)別技術(shù)運(yùn)用于存儲(chǔ)設(shè)備，用于更高級(jí)別的物品存放與保護(hù)[2]。
1.2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)于1997年，由北京沃瑞爾電子有限公司首先提出了結(jié)合條形碼技術(shù)的電子存包柜，用戶使用這類存包柜存包時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打印出一張含有用戶存包柜號(hào)信息的條形碼紙。用戶取包時(shí)，直接通過(guò)掃描條碼紙就能打開相應(yīng)的存包柜。這種儲(chǔ)存柜解決了使用密碼存包帶來(lái)的密碼容易被竊取問(wèn)題，存取包操作也比較方便快捷，但是由于內(nèi)部使用的打印部件及打印紙需要經(jīng)常進(jìn)行加墨和維護(hù)，使得存包柜的后期維護(hù)成本較高。
2003年伴隨著生物特征識(shí)別技術(shù)的興起與研究，指紋識(shí)別的技術(shù)得以應(yīng)用于存包系統(tǒng)。劉云橋、趙理提出了一種基于指紋的保管柜系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)是基于臺(tái)式PC的，以致系統(tǒng)的成本過(guò)高而得不到普及[4]。
2006年，馬洪文在設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，提出了基于AT89C51單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)方法與硬件設(shè)計(jì)方法。通過(guò)外接8255芯片、微型打印機(jī)及字符點(diǎn)陣式LCD、反射式紅外傳感器,鍵盤專用芯片74C922,限位開關(guān)及繼電器陣列實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互能力強(qiáng)、簡(jiǎn)潔可靠的設(shè)計(jì)目的，雖然鍵盤布局變得更加簡(jiǎn)單，但是依舊使用了打印機(jī)和老式的點(diǎn)陣式按鍵，還有很大的改進(jìn)空間[5]。
2008年，結(jié)合指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展陳歲生、盧建剛兩人提出了基于指紋識(shí)別技術(shù)的存取柜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案，該方案由于需要上位機(jī)的介入，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且最多只能控制20個(gè)儲(chǔ)存柜，當(dāng)需要控制更多儲(chǔ)存柜時(shí)，控制芯片和指紋采集器都需要擴(kuò)展，導(dǎo)致成本過(guò)高[6]。
2009年，張先震、黃山、李寧、李秀君提出了自動(dòng)儲(chǔ)物柜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，該方案系統(tǒng)由中央控制與門控部分兩部分組成,中央控制由微機(jī)構(gòu)成,包括儲(chǔ)物柜狀態(tài)界面和控制界面;門控部分用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片,輔以相關(guān)的鍵盤、顯示、語(yǔ)音、條碼掃描及條碼打印電路,采用了串口通訊的方式將主控芯片與其他子功能模塊連接在一起。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音提示、LCD同步顯示、對(duì)條形碼數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描,并將其結(jié)果通過(guò)譯碼電路進(jìn)行識(shí)別、自動(dòng)產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為條碼打印出來(lái)等功能[7]。
2011年，熊成在碩士論文中提出了基于DSP的指紋存包系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)融合了指紋識(shí)別技術(shù)與嵌入式DSP技術(shù)。該系統(tǒng)的指紋圖像特征信息經(jīng)過(guò)壓縮后，占用的存儲(chǔ)空間可以減少到幾十個(gè)字節(jié)到幾百個(gè)字節(jié)，因此可以和其他的生物特征識(shí)別技術(shù)結(jié)合，靈活地構(gòu)成各類系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以十分靈活的進(jìn)行多種功能的擴(kuò)展，還可以根據(jù)需求擴(kuò)展更多單元格的儲(chǔ)存柜。該系統(tǒng)與基于單片機(jī)的儲(chǔ)存柜系統(tǒng)相比，雖然可以擴(kuò)展更多的功能，但是其消耗的功率也成倍的增加[8]。
2014年，閆利超、邸金紅提出了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)存物柜的設(shè)計(jì)方案，以STC89C52為核心，3*4矩陣鍵盤為輸入的方式,LCD1602液晶顯示器為顯示屏,用LED燈的亮和滅來(lái)模擬存物柜的開啟與關(guān)閉狀態(tài),采用外部中斷掃描方式生成隨機(jī)口令來(lái)確認(rèn)和顯示,從而實(shí)現(xiàn)存物柜的自動(dòng)存取功能。該設(shè)計(jì)在存物時(shí)會(huì)生成隨機(jī)隨機(jī)密碼，取物品時(shí)輸入隨機(jī)生成的密碼后才能開啟柜門，該系統(tǒng)不但需要記住所生成的隨機(jī)密碼，在忘記隨機(jī)密碼時(shí)還存在物品取不出來(lái)的問(wèn)題，缺點(diǎn)十分的明顯[9]。
2015年，郁美霞在碩士論文中提出開發(fā)一套基于校園一卡通的智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用射頻讀卡設(shè)備采集校園卡信息并發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)學(xué)校信息中心校園卡信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。拿東西的時(shí)候，不僅要刷卡，還要輸入自己設(shè)置還好的密碼，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了多極化分層管理，但缺點(diǎn)也十分明顯，該設(shè)計(jì)中只是用校園卡替代了傳統(tǒng)的鑰匙，還是會(huì)出現(xiàn)遺失甚至是盜用的情況，安全性較傳統(tǒng)的儲(chǔ)物柜并沒有明顯的提高[10]。
2017年，在設(shè)計(jì)學(xué)校儲(chǔ)存系統(tǒng)的進(jìn)程中，張榮娟提出了在學(xué)?，F(xiàn)有校園卡的基礎(chǔ)上開發(fā)智能存儲(chǔ)系統(tǒng)這一方案。由于校園卡原本就帶有射頻標(biāo)簽，只需要在存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)中加入射頻技術(shù)即可，這樣在成本不高的基礎(chǔ)上就能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單方便。但是安全性過(guò)低，開柜門僅僅只需要校園卡，當(dāng)校園卡遺失或被盜用后，柜門可十分輕易的被打開[11]。
2019年，呂曉穎提出電子超市自動(dòng)存儲(chǔ)柜設(shè)計(jì)與制作方案，該存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中同樣也是基于單片機(jī)所完成的，該方案的核心控制部分為STC89C52單片機(jī)，并且在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中使用了5個(gè)存儲(chǔ)柜搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。存放物品時(shí),會(huì)產(chǎn)生4位隨機(jī)密碼,把存儲(chǔ)的東西放置好后,液晶顯示屏上顯示FULL,表示已使用該存儲(chǔ)柜,相應(yīng)的指示燈亮。當(dāng)需要從儲(chǔ)物柜中取出物品時(shí)，需要提供之前存物時(shí)所給出的密碼憑證。當(dāng)密碼憑證匹配通過(guò)時(shí)，會(huì)將之前存物的柜門打開，并閃爍于柜號(hào)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈，還會(huì)在人機(jī)交互界面上標(biāo)出當(dāng)前的空柜。此裝置具有存取功能,能顯示存儲(chǔ)柜狀態(tài),并可以異常報(bào)警,具有常規(guī)的存儲(chǔ)柜所具備的存儲(chǔ)功能。但需要時(shí)刻記住生成的隨機(jī)四位數(shù)密碼，在使用的便捷性上稍顯不足[12]。
2020年，陳賡、劉志壯、廖子涵等人提出了指紋存取儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)方案本方案設(shè)計(jì)的是一種基于STM32單片機(jī)的存儲(chǔ)柜。該系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、as608指紋模塊和電阻式觸摸屏組成。用戶可以通過(guò)觸摸屏選擇菜單輸入指紋，避免了傳統(tǒng)存儲(chǔ)柜使用條碼打印紙時(shí)因條碼丟失而造成的資源浪費(fèi)和不便及安全隱患[13]。
1.2.3研究現(xiàn)狀綜述
綜合以上的敘述,采用條形碼的電子儲(chǔ)存柜安全性不高，且需要定期添加紙張和墨水，缺點(diǎn)十分明顯。而采用射頻識(shí)別技術(shù)的儲(chǔ)物柜，當(dāng)開柜門的卡片遺失或被盜用后，柜門可十分輕易的被打開，安全性過(guò)低。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們的固有特征被當(dāng)作打開儲(chǔ)物柜的憑證，在許多場(chǎng)合取代了條形碼和刷卡，很大程度上增加了便捷性與安全性，在對(duì)比上述兩類儲(chǔ)存柜的缺點(diǎn)并考慮到當(dāng)前的疫情形式，本文研究與設(shè)計(jì)了一款具有顯示提示信息、蜂鳴器報(bào)警、指紋識(shí)別、自動(dòng)消毒、語(yǔ)音播報(bào)以及多級(jí)密碼管理等多種功能的智能儲(chǔ)存柜系統(tǒng)——基于單片機(jī)的智能儲(chǔ)物柜，本系統(tǒng)提出了一種低成本、低功耗、功能強(qiáng)大的智能儲(chǔ)存柜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
1.3設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
本文設(shè)計(jì)一種以指紋識(shí)別技術(shù)、語(yǔ)音提示技術(shù)為核心的智能儲(chǔ)存柜系統(tǒng)，使用戶儲(chǔ)存東西更加方便簡(jiǎn)潔，提高了安全性、可靠性。采用單片機(jī)為主控，經(jīng)過(guò)AS608光學(xué)傳感器、按鍵（輕觸開關(guān)）配合進(jìn)行用戶使用，定制的語(yǔ)音芯片、LCD1602和蜂鳴器達(dá)到人機(jī)交互的作用。在這里使用繼電器模擬存儲(chǔ)柜的開關(guān)、LED燈模擬消毒系統(tǒng)。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由下列部分組成。單片機(jī)主控模塊采用采用STC89C52單片機(jī)，指紋模塊、按鍵模塊為外部輸入部分，電源模塊單獨(dú)組成外部供電部分，經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，繼而控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，將提示信息顯示到顯示模塊上，并實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)，密碼錯(cuò)誤時(shí)通過(guò)報(bào)警模塊響應(yīng)。用繼電器來(lái)控制儲(chǔ)存柜柜門的開啟和關(guān)閉的狀態(tài)，當(dāng)用戶取出物品后系統(tǒng)會(huì)對(duì)儲(chǔ)存柜自動(dòng)消毒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。

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2.2系統(tǒng)硬件的選型
2.2.1單片機(jī)的選型
現(xiàn)有的單片機(jī)種類很多，在這里列舉如下：
英特爾公司的MCS-51系列單片機(jī)已經(jīng)形成了一系列經(jīng)典而又不乏生命力的單片機(jī)。許多半導(dǎo)體廠商、電器公司以8051為基本核心，推出了一系列兼容CHMOS的微控制器——80C51系列微控制器；
Microshipd的主要產(chǎn)品是pic系列8位MCU。這一系列的單片機(jī)在抵抗干擾能力以及運(yùn)行的速度上都有良好的表現(xiàn)。并且該系列產(chǎn)品的種類豐富齊全，價(jià)格也相對(duì)比較低。
ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)以AMR內(nèi)核的STM32單片機(jī),32位單片機(jī)外設(shè)豐富，功能強(qiáng)大；
Texas Instruments公司開發(fā)生產(chǎn)的單片機(jī)主要用于能耗不大的場(chǎng)所。該公司MSP430單片機(jī)為經(jīng)典系列，是一種能耗功率極小的單片機(jī)

根據(jù)控制要求和設(shè)計(jì)的需求，以及方便設(shè)計(jì)開發(fā)，使用最為成熟的單片機(jī)，在這里所使用的型號(hào)為STC89C52RC單片機(jī)。該單片機(jī)使用簡(jiǎn)便，網(wǎng)上資料齊全，遇到難題都可查詢翻閱到。大大減少了設(shè)計(jì)難度。系統(tǒng)控制使用到的I/O端口不超過(guò)26個(gè)，從設(shè)計(jì)的成本和要求，STC89C52RC這款單片機(jī)足以勝任，性價(jià)比高。因此方案選擇這款單片機(jī)。見圖2.2STC89C52RC。

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2.2.2指紋模塊的選型
指紋傳感器，是一種特殊的傳感器件，分為光學(xué)指紋傳感器和半導(dǎo)體指紋傳感器。想要采集指紋特征，指紋傳感器是必不可少的。
方案一：光學(xué)指紋傳感器。光學(xué)指紋識(shí)別是最早的指紋傳感器，它通過(guò)光的全反射（FTIR）來(lái)采集指紋的表面紋理圖像。通過(guò)手指觸摸棱鏡表面，LED提供恒定光源，圖像由電荷耦合器件集成電路采集；
方案二：半導(dǎo)體指紋傳感器。半導(dǎo)體指紋傳感器采集指紋特征的原理是利用電容和電場(chǎng)的變化，以及溫度和壓力的變化等一系列物理量的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
光學(xué)指紋模塊的成本相對(duì)較低。與半導(dǎo)體指紋對(duì)比，光學(xué)指紋傳感器耐磨性好；而半導(dǎo)體指紋鎖在干濕手的適應(yīng)性和防偽能力方面更具優(yōu)勢(shì)。在識(shí)別速度方面，半導(dǎo)體指紋頭也優(yōu)于光學(xué)指紋傳感器，但是本設(shè)計(jì)要求可以識(shí)別指紋即可，在成本上考慮選擇方案二。見圖2.3AS608光學(xué)傳感器。

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2.3 AS608光學(xué)指紋傳感器
2.2.3顯示模塊的選型
根據(jù)系統(tǒng)的要求，以及功能的實(shí)現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，使操作簡(jiǎn)單，界面人性化。在這里我們有很多的選擇：
方案一：液晶LCD1602顯示器。液晶LCD1602顯示器數(shù)據(jù)連接單片機(jī)的形式有8位和4位。在占用I/O口上不多不少而且成本低，滿足了顯示多個(gè)數(shù)據(jù)，在軟件驅(qū)動(dòng)上簡(jiǎn)單。
方案二：數(shù)碼管。數(shù)碼管是一種能顯示數(shù)字及其它信息的電子顯示裝置。但是數(shù)碼管占用的I/O口多，一次性顯示的數(shù)據(jù)需要多個(gè)數(shù)碼管，這和系統(tǒng)的要求不一致。
方案三：OLED顯示屏。OLED顯示屏功耗小，體積小，占用I/O口少，分辨率為128x64，尺寸有0.96、1.3寸。滿足顯示多組數(shù)據(jù)，但是增加了系統(tǒng)的成本以及軟件編程的難度。
在這里選擇方案一。見圖2.4LCD1602液晶顯示器。

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圖2.4 LCD1602液晶顯示器

2.2.4報(bào)警模塊的選型
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，指紋和密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)需要有報(bào)警提示，那么可以選擇單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。對(duì)于蜂鳴器的選擇有倆種方案。
方案一：有源蜂鳴器。當(dāng)用直流電流信號(hào)時(shí)可以驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部的震蕩源。成本較無(wú)源蜂鳴器會(huì)高一些，但是符合本設(shè)計(jì)。
方案二：無(wú)源蜂鳴器。當(dāng)使用直流電流信號(hào)時(shí)，內(nèi)部振蕩源無(wú)法驅(qū)動(dòng)，成本比較低，但是在本設(shè)計(jì)中使用的是直流信號(hào)。
因此選擇方案一。見圖2.5有源蜂鳴器。

圖2.5 有源蜂鳴器
2.2.5按鍵模塊的選型
根據(jù)系統(tǒng)的要求，需要外部觸發(fā)給系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示按下的數(shù)字，能夠及時(shí)反映，那么按鍵的選擇也分很多種。
方案一：電容式按鍵。電容按鈕的工作原理是測(cè)量面板在被觸摸時(shí)，會(huì)改變線路中的電容，從而檢測(cè)是否導(dǎo)通。當(dāng)人的手指接觸時(shí)，會(huì)有一定的電容，形成電容板的一極，電容的另一極是PCB板的銅片，這種按鍵使用壽命長(zhǎng)，產(chǎn)品美觀。但是這種按鍵使用成本高。
方案二：接觸式開關(guān)。觸摸按鍵開關(guān)主要是指按鍵開關(guān)，又稱觸摸開關(guān)。接觸開關(guān)是一種電子開關(guān)器件，屬于電子元器件的范疇。它最早是在日本被設(shè)計(jì)出來(lái)的，被稱為[敏感開關(guān)]。使用時(shí)，可按開關(guān)操作方向合上，以滿足操作力的條件。卸下壓力后，開關(guān)將斷開。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是通過(guò)金屬?gòu)椘氖芰ψ兓瘉?lái)實(shí)現(xiàn)的。其接觸電阻小，手感好，并伴有“嘀嗒”的清脆響聲。
在這里選擇方案二。見圖2.6按鍵模塊（輕觸開關(guān)）.
3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖展開，設(shè)計(jì)硬件電路見圖3.1系統(tǒng)電路圖，本設(shè)計(jì)的硬件部分由主控電路、按鍵電路、指紋傳感器電路、顯示電路、蜂鳴報(bào)警器電路、語(yǔ)音播報(bào)電路、自動(dòng)消毒電路、繼電器電路、供電電路、3.3V穩(wěn)壓電路以及串口下載電路11部分電路組成。

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3.2主要硬件電路設(shè)計(jì)
3.2.1核心控制電路設(shè)計(jì)
STC89C52RC的最小系統(tǒng)必不能缺少電源、時(shí)鐘、復(fù)位這些部分。電源、時(shí)鐘等電路是最小系統(tǒng)不可缺少的，而最小系統(tǒng)又是整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)關(guān)鍵控制部分。通過(guò)內(nèi)存擴(kuò)展、a/d擴(kuò)展等方式，單片機(jī)可以完成更復(fù)雜的功能。
（1）電源電路。單片機(jī)多數(shù)都是3.3V、5V供電，一般都在VCC和GND處并接一個(gè)10uf、0.1uf的電容用來(lái)濾波穩(wěn)定電源信號(hào)。本設(shè)計(jì)用的到單片機(jī)是5V供電。穩(wěn)定的電源信號(hào)能夠提供單片機(jī)穩(wěn)定的工作環(huán)境以及確保單片機(jī)正常工作。
（2）時(shí)鐘電路。單片機(jī)中有一個(gè)自激振蕩電路。只要將單片機(jī)的xtal1（18）引腳和xtal2（19）引腳與晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱石英晶體）連接，這樣就能構(gòu)成自激振蕩器，從而能夠產(chǎn)生出時(shí)鐘脈沖信號(hào)。
（3）復(fù)位電路。當(dāng)STC89C52單片機(jī)的RST引腳引入高電平，并能維持兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)將進(jìn)行復(fù)位操作。如果引腳持續(xù)保持高電平，MCU將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位電路的功能是確保微控制器在啟動(dòng)時(shí)處于初始狀態(tài)。
最小系統(tǒng)電路圖見圖3.2。

圖3.2 主控電路圖
單片機(jī)引腳功能見表3.1：
表3.1 單片機(jī)引腳功能

引腳名稱	功能
VCC	芯片電源，接+5V
GND	接地端
RST	復(fù)位信號(hào)輸入
XTAL1,XTAL2	晶振的輸入和輸出
P0.0~P0.7	IO引腳，需接電阻到電源
P1.0~P1.7	普通IO引腳
P2.0~P2.7	訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，做高8位的地址使用
P3.0~P3.7	IO引腳，也可做地址位，有第二功能

3.2.2按鍵電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)需要12個(gè)按鍵，因此首先排除了12個(gè)獨(dú)立按鍵，占用了大量的MCU I/O端口資源?？梢赃x擇3x4矩陣鍵，12個(gè)鍵可以排列成三行四列。在第一行中，每個(gè)鍵的一端連接在一起，形成行的線條形式。在第一列中，每個(gè)鍵的另一端連接在一起，形成列的線條形式。這樣，就有三行四列，一共有七行相連。將7根導(dǎo)線連接到單片機(jī)P2口的7個(gè)I/O口上，通過(guò)掃描鍵盤可以準(zhǔn)確檢測(cè)出12個(gè)按鍵。合理利用了單片機(jī)資源，如圖3.3矩陣按鍵電路。

3.2.4顯示電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用的液晶LCD1602顯示屏額定工作電壓為5V，自帶光源在無(wú)外界光源照明的情況下也可正常使用。但不能顯示漢字等復(fù)雜的字符，能顯示字符的范圍也只有兩行。數(shù)據(jù)連接1602一般有倆種方法，一種是8位數(shù)據(jù)庫(kù)并行連接，另外一種是高四位連接，本設(shè)計(jì)使用第一種方法。除了連接數(shù)據(jù)傳輸口和供電腳外，還有RW （讀/寫腳）、RS（命令/數(shù)據(jù)腳）、E（使能腳）、V0（液晶顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)端），如圖3.5 LCD1602顯示電路。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1主程序流程圖

軟件按照C語(yǔ)言的模塊化設(shè)計(jì)。首先需要完成主程序的初始化，然后設(shè)置各相關(guān)模塊的標(biāo)志位。如果設(shè)置的緩沖區(qū)指示需要處理相應(yīng)的程序，則主程序立即分配相應(yīng)處理子模塊的程序。然后對(duì)相應(yīng)模塊的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了集成和調(diào)試。主程序流程圖如圖4.1所示。

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在開始后首先根據(jù)用戶的選擇判斷是存物還是取物：
當(dāng)判斷為存物時(shí)，先顯示待存入的柜號(hào)（在實(shí)物制作過(guò)程中，我將設(shè)置1到3號(hào)三個(gè)柜子），柜子的使用優(yōu)先級(jí)將依次遞增，如存入優(yōu)先使用1號(hào)柜，在1號(hào)柜已經(jīng)存入時(shí)才會(huì)選擇存入2號(hào)。在給用戶分配待存入的柜號(hào)后，根據(jù)用戶選擇判斷存入是否為貴重物品。判斷為貴重物品時(shí)，用戶先使用按鍵設(shè)置六位數(shù)密碼，然后錄入指紋信息，完成取物憑證的保存。判斷為非貴重物品時(shí)，用戶只需使用按鍵設(shè)置六位數(shù)密碼即可完成取物憑證的保存。在完成好憑證的保存后，將控制繼電器動(dòng)作打開柜門并伴隨有語(yǔ)音提示柜門打開，用戶存入物品后語(yǔ)音提示關(guān)閉柜門。在關(guān)閉柜門后，完成存物，流程結(jié)束。
當(dāng)判斷為取物時(shí)，語(yǔ)音提示輸入密碼。在驗(yàn)證密碼與指紋后，如驗(yàn)證不通過(guò)，顯示屏顯示錯(cuò)誤并語(yǔ)音播報(bào)錯(cuò)誤，返回驗(yàn)證之前狀態(tài)。驗(yàn)證通過(guò)時(shí)，繼電器動(dòng)作打開柜門，并伴有打開柜門的語(yǔ)音提示。用戶取出物品后，語(yǔ)音提示關(guān)閉柜門。關(guān)上柜門后，完成物品取回，流程結(jié)束。
主函數(shù)部分程序如下所示：
資料包括：

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