劉 煜 金冬冬 畢 墨 金珍珍

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

基于單片機(jī)STC89C52的雨傘借用機(jī)設(shè)計(jì)

劉 煜 金冬冬 畢 墨 金珍珍

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

介紹了基于單片機(jī)STC89C52的雨傘借用機(jī)的設(shè)計(jì)，基于公共自行車的設(shè)計(jì)理念，避免了突降大雨忘帶傘的麻煩，為校園的教師、學(xué)生等出行提供了便利，也適用于其它的公共設(shè)施。設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52為控制核心，PN532非接觸式射頻讀寫卡芯片為信息采集單元，控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)傘鎖的開(kāi)啟和閉合，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，為校園帶來(lái)人性化的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

雨傘借用機(jī)；單片機(jī)STC89C52；PN532；步進(jìn)電機(jī)

1 引言

日常生活中，天氣變化莫測(cè)，天氣預(yù)報(bào)往往不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣狀況，給人們的出行帶來(lái)極大的不便。現(xiàn)如今在很多超市、商場(chǎng)及一些公共設(shè)施也有雨傘借用等措施，但用完還得及時(shí)歸還原處或者有一定的使用條件，給人們的使用帶來(lái)了一定的麻煩。對(duì)管理者來(lái)說(shuō)，遇到一些故意不還的借傘者，會(huì)給管理者帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。如果能像公共自行車系統(tǒng)一樣，在各建筑群中建立雨傘借用設(shè)施，只要刷卡，人們就可以隨時(shí)借用雨傘來(lái)應(yīng)付復(fù)雜的天氣，到家門口時(shí)可以在樓道及時(shí)歸還雨傘，那將會(huì)是極大的便利?；谏鲜隼砟睿岢隽嘶趩纹瑱C(jī)STC89C52的雨傘借用機(jī)的設(shè)計(jì)，小范圍地適用于校園區(qū)域，便于學(xué)生和老師上下課的使用，通過(guò)技術(shù)升級(jí)，同樣適用于各公共場(chǎng)所、企業(yè)和酒店等場(chǎng)所。

2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)雨傘借用機(jī)的功能，它必須具有刷卡識(shí)別功能、信息讀寫功能、鎖傘和解鎖功能、報(bào)警功能。因此在硬件設(shè)計(jì)中需包括電源模塊、刷卡模塊、智能鎖模塊、單片機(jī)核心模塊、報(bào)警模塊。組成框圖如圖1所示。

圖1 雨傘借用機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，選用PN532芯片作為非接觸式讀寫芯片，通過(guò)刷卡模塊讀取卡主姓名、卡號(hào)、借還車等信息，并利用單片機(jī)STC89C52來(lái)更改借還信息，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)借傘還傘功能，對(duì)于借傘還傘成功或失敗等行為給以相應(yīng)的聲音提示。電源模塊主要是為其他模塊提供所需電源電壓，產(chǎn)生12-24V電源以及5V電源。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 讀卡模塊

讀卡模塊主要采用PN532芯片，該芯片是NXP公司推出的一款低電壓、體積小、成本低、高度集成的非接觸式讀/寫卡NFC芯片。它包含80C51微控制器內(nèi)核，集成了13.56MHz下的各種主動(dòng)/被動(dòng)式非接觸通信方法和協(xié)議，最遠(yuǎn)距離可達(dá)10cm。支持主機(jī)接口：SPI接口、I2C接口、串行UART，具有靈活的中斷模式。

PN532芯片采用40腳的HVQFN封裝。單片機(jī)STC89C52通過(guò)PN532芯片完成對(duì)卡片內(nèi)存儲(chǔ)器的讀寫，完成卡內(nèi)借還車信息的實(shí)時(shí)讀取。PN532復(fù)位后通過(guò)控制引腳上的邏輯電平識(shí)別微控制器指令，PN532芯片收到單片機(jī)發(fā)送的命令后，根據(jù)非接觸式射頻卡協(xié)議格式通過(guò)天線及其匹配電路向附近發(fā)出一組固定頻率的調(diào)制信號(hào)（13.56 MHz）進(jìn)行讀寫卡片，有HUS（全雙工串行總線）、I2C（雙線式串行總線）和SPI（串行總線）三種通信方式可供選擇[1]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用STC89C52作為控制芯片,采用SPI通信方式。PN532模塊電路主要由PN532芯片及其匹配天線和總線接口電路組成。

它的功能框圖見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 卡操作模式

圖3 讀寫器模式

該模塊主要實(shí)現(xiàn)讀取卡主的姓名、卡號(hào)、借還傘等信息，當(dāng)有借還傘狀態(tài)時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

3.2 電子鎖模塊

電子鎖模塊主要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制鎖舌，從而實(shí)現(xiàn)電子鎖功能。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通常要控制機(jī)械部件的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，這些機(jī)械部件的驅(qū)動(dòng)大都采用直流電機(jī)、交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。其中，步進(jìn)電機(jī)最適合數(shù)字控制。由于電子鎖模塊中需要靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度來(lái)開(kāi)啟機(jī)械鎖來(lái)取出雨傘或是轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來(lái)關(guān)閉機(jī)械鎖達(dá)到鎖傘功能，因此在設(shè)計(jì)中在電機(jī)選擇上采用步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，可通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)控制角位移量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確角度定位。

設(shè)計(jì)中采用ULN2803來(lái)驅(qū)動(dòng)單極步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列通過(guò)單片機(jī)STC89C52輸出。ULN2803是高電壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列，該陣列中的8路達(dá)林頓晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路與高電壓大電流設(shè)備（如繼電器、電機(jī)、燈泡等）接口的理想器件[2]。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接圖見(jiàn)圖4所示。

3.3 報(bào)警模塊

模塊主要通過(guò)有源電磁蜂鳴器發(fā)聲來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。當(dāng)卡片故障或是無(wú)效卡時(shí)，發(fā)出長(zhǎng)報(bào)警聲，當(dāng)正常借出或歸還時(shí)，發(fā)出短聲。單片機(jī)I/O引腳輸出的電流較小，輸出的TTL電平驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大電路，這里使用一個(gè)三極管C8550來(lái)放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。當(dāng)單片機(jī)的P2.0引腳輸出高電平時(shí)，三極管截止，沒(méi)有電流流過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)單片機(jī)的P2.0引腳輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器電流形成回路，發(fā)出聲音[3]。蜂鳴器的音調(diào)不同可通過(guò)單片機(jī)引腳P2.0輸出頻率不同的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。報(bào)警電路的原理圖如圖5所示。

圖4 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接電路圖

圖5 報(bào)警電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件主要完成自助借、還傘等功能，具體流程圖如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)刷卡機(jī)檢測(cè)到有卡靠近時(shí)，首先判斷這張卡是否為通用的借傘卡，如果是，判斷卡是否處于未借傘狀態(tài)，如果是，則開(kāi)有傘鎖進(jìn)行借傘扣錢，同時(shí)鎖傘檢測(cè)無(wú)傘則借傘成功。如果判斷卡為已借傘狀態(tài)的話，則進(jìn)入還傘狀態(tài)，開(kāi)無(wú)傘鎖，并檢測(cè)是否有傘進(jìn)入，若有則還傘成功，若無(wú)則不成功。當(dāng)借傘超過(guò)一定時(shí)長(zhǎng)，借傘卡會(huì)進(jìn)入鎖死狀態(tài)，凍結(jié)里面的費(fèi)用，只有到數(shù)據(jù)管理中心解鎖才可以繼續(xù)使用，數(shù)據(jù)管理中心負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)借傘卡數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、維護(hù)和管理[4]。

4.1 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)

單極4相步進(jìn)電機(jī)共有3種勵(lì)磁方式：?jiǎn)?拍、雙4拍、8拍。本設(shè)計(jì)中為了能夠讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度更加精準(zhǔn)，采用8拍的勵(lì)磁方式，表1是單極4相步進(jìn)電機(jī)8拍的勵(lì)磁方式。

表1 步進(jìn)電機(jī)的8拍勵(lì)磁方式

根據(jù)表1，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁序列為A-＞AB-＞B-＞BC-＞C-＞CD-＞D-＞DA；

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁序列為AD-＞D-＞CD-＞C-＞BC-＞B-＞AB-＞A-。因此可把以上序列放在不同的數(shù)組中，正轉(zhuǎn)數(shù)FFW{}={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09}；反轉(zhuǎn)數(shù)組REW{}={0x09，0x08,0x0C,0x04,0x06,0x02, 0x03,0x01}。假定步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為180o，在四相8拍方式下，每拍步進(jìn)角度為90o，每輸出一遍8字節(jié)的勵(lì)磁序列數(shù)組時(shí)，電機(jī)共步進(jìn)720o[2]。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)就可以根據(jù)電子鎖舌的角度需要在程序中進(jìn)行設(shè)置。

4.2 讀寫卡程序設(shè)計(jì)

讀卡模塊主要是識(shí)別卡片、讀取卡片內(nèi)的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更改等操作。讀寫卡程序的流程圖見(jiàn)圖7所示。

圖7 讀寫卡流程圖

5 總結(jié)

本系統(tǒng)在社會(huì)和市場(chǎng)上都具有一定的應(yīng)用前景，它可以解決日常生活中常見(jiàn)的突遇下雨無(wú)傘可借的窘境，而且整個(gè)系統(tǒng)管理比較簡(jiǎn)單，若進(jìn)一步與校園卡結(jié)合，使用起來(lái)也會(huì)更加方便快捷，也是實(shí)現(xiàn)智能化校園的重要環(huán)節(jié)。

[1]王蓬，曹衛(wèi)鋒，宋寅卯，等．基于PN532的自助收費(fèi)式飲水機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016(2)：9 7-9 9．

[2]彭偉．單片機(jī).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)10 0例-基于8051+Protues仿真第2版[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2015．

[3]馮博，王麗娜．項(xiàng)目式51單片機(jī)技術(shù)實(shí)踐教程（C語(yǔ)言版）[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2015．

[4]錢浩，陳建波，黃建寧，等．校園公共雨傘自助借還系統(tǒng)[J]．科技視界，2016(6)：7 9．

The Design of Umbrella Renting Machine Based on SCM STC89C52

Liu Yu Jin Dongdong Bi Mo Jin Zhenzhen
(Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,Zhejiang)

This article introduces the design of umbrella renting machine based on SCM STC89C52 with the bike’s design concept,in order to avoiding the trouble of sudden heavy rain if people forget to bring their umbrellas,providing convenience for teachers and students in school.It also applies to other public facilities.The design uses SCM STC89C52 as controller,PN532 contactless RF card as information acquisition unit.It controls the stepping motor to achieve the opening and closing of the lock.The design is simple,bringing personalized learning and working environment of the campus with certain applications.

The umbrella renting machine；SCM STC89C52；PN532；stepping motor

TP368.12

A

1008-6609(2016)10-0016-03

金珍珍（19 8 2-），女，浙江臺(tái)州人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娮与姎饨虒W(xué)及應(yīng)用。

大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目：雨傘借用機(jī)的設(shè)計(jì)與制作，項(xiàng)目編號(hào)：2015D K C 18。