鄭云祥，張心怡，鄒林，劉會衡（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著外賣行業(yè)的發(fā)展，外賣服務(wù)已進入老百姓的日常生活中，并以不可替代的方式給人們的生活需求帶來了足夠的便利。隨著新冠肺炎疫情的爆發(fā)和傳播，為了在外賣配送過程中避免一定的人員接觸，傳統(tǒng)外賣配送方式并不能很好的解決某些實際問題，在提倡少接觸、不接觸的背景下，應(yīng)該給予外賣配送一個新的思路。

如今，電子行業(yè)發(fā)展迅速，以嵌入式為代表的智能系統(tǒng)設(shè)計越來越成熟，通過以單片機為核心的無接觸外賣配送系統(tǒng)是基于疫情當(dāng)下的特殊環(huán)境而考慮的解決方案，并且也能很好地運用在非疫情期間。無接觸智能外賣配送系統(tǒng)通過外賣暫存柜與騎手的配合，通過手機讓消費者知曉當(dāng)前外賣所存地點，可以有效避免消費者與騎手之間的接觸，騎手不用像往常擔(dān)心外賣超時問題，同時消費者又能靈活的選擇時間去取餐。外賣暫存柜通過恒溫系統(tǒng)可以最大限度地保留食物的熱度，使柜子能夠更為可靠地對外賣進行存放管理，大大增加了系統(tǒng)的實用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

無接觸智能外賣配送系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它主要由STC89C52 單片機為主控制器，其與外圍電路構(gòu)成整個系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要研究智能化外賣存取與統(tǒng)一管理，其中包括LCD 顯示、數(shù)字鍵盤、二維碼掃碼模塊、加熱系統(tǒng)及恒溫控制系統(tǒng)組成，其中恒溫系統(tǒng)通過單片機、溫度傳感器與繼電器的配合，可以有效地實現(xiàn)暫存柜的加熱與溫度控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖2 所示，主要是由系統(tǒng)總體軟件設(shè)計方案、溫度控制程序以及掃碼控制程序組成。其中總體方案流程如下：對系統(tǒng)以及外圍器件進行初始化，外賣柜通過物聯(lián)網(wǎng)與手機APP 接合，當(dāng)騎手將外賣配送至?xí)捍婀?，系統(tǒng)發(fā)出二維碼到點餐者手機APP 里并等待取餐，點餐者也可通過APP 里一同生成的數(shù)字驗證碼通過數(shù)字鍵盤輸入進行取餐。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

當(dāng)取餐者取餐時，系統(tǒng)會對其二維碼或者驗證碼進行比對，當(dāng)比對成功，信息反饋給單片機操作外賣柜打開，當(dāng)完成取餐并關(guān)上外賣柜后，系統(tǒng)返回到初始化。QT960 掃碼模塊自帶蜂鳴器，所以當(dāng)比對失敗則會發(fā)出警報，并通過LCD1602 顯示警報內(nèi)容。

暫存柜溫度控制由單片機主導(dǎo)控制，由DS18B20 進行實時測溫，并通過單總線協(xié)議反饋給單片機，單片機與預(yù)設(shè)溫度進行比較，繼電器控制加熱電路實現(xiàn)對箱內(nèi)溫度的控制，通過PID 控制算法可以預(yù)測誤差變化并及時修正從而減小溫度誤差、提高精準(zhǔn)度。

■2.2 控制方式

溫控系統(tǒng)通過PID 控制原理進行溫度控制，PID 是一種線性的控制器，由于其算法簡單、魯棒性好與可靠性高，故被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，又稱為比例-積分-微分控制器。主要由比例（P）積分（I）與微分（D）三個單元組成。其中比例控制是基于偏差進行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)；積分環(huán)節(jié)能夠?qū)φ`差進行記憶、主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差感；微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化速率，并能在偏差信號變得太大之前在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。三者的組合是“過去、現(xiàn)在、未來”的完美結(jié)合。PID 基本控制原理如圖3 所示。

圖3 PID 控制原理

其控制原理數(shù)學(xué)描述為：

其傳遞函數(shù)表達式：

其中Kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

圖4 為MATLAB 仿真的PID 控制響應(yīng)曲線。通過仿真可以看出PID 自身擁有的快速響應(yīng)、反應(yīng)迅速的特點。

圖4 PID 響應(yīng)曲線

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■3.1 STC89C52 單片機

STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，與80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash、56 字節(jié)RAM、I/O 口線、看門狗定時器、三個位定時器/計數(shù)器、一個6 向量2 級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路。STC89C52為許多嵌入式系統(tǒng)提供了高效價廉的方案，是一個低成本、可靠的片上系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，STC89C52 主要處理二維碼模塊返回的信息并比對，控制暫存柜的開啟，以及處理DS18B20 傳送的溫度信息并做出反饋。STC89C52 單片機最小系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 單片機最小系統(tǒng)

■3.2 二維碼模塊

本設(shè)計的二維碼模塊選用了微光互聯(lián)生產(chǎn)的QT960 模塊。該模塊具有體積小、厚度薄、掃碼快等優(yōu)點，集成方便，成本較低，且支持RS232、TTL、USB 輸出。該模塊還提供前端的開發(fā)代碼，可進行二次開發(fā)，掃碼速度高達50ms/次，支持一維和二維碼，因此完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求。通過對手機APP 里的用戶配送二維碼的掃描，將信息通過串口發(fā)送給單片機，單片機與系統(tǒng)進行對比，對比一致則開啟相對應(yīng)的外賣暫存箱，若比對失敗則會通過該模塊自帶的蜂鳴器發(fā)出信息并通過LCD1602 進行文字提示。數(shù)字鍵盤則是為了防止當(dāng)二維碼掃描出現(xiàn)異常無法工作時所采取的第二種取餐方式，本系統(tǒng)以二維碼取餐為主。

■3.3 LCD 顯示模塊

顯示電路采用LCD1602，是目前最常用的液晶顯示模塊。LCD1602 液晶顯示模塊可以只用D4-D7 作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。這樣的話，可以節(jié)省MCU 的I/O 口資源。LCD1602 可以顯示2 行16 個字符，支持ASCII 碼，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN 三個控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。本系統(tǒng)中LCD1602 主要用于顯示掃碼提示、錯誤提示等基本信息如“

請掃碼取餐。”“掃碼錯誤，請確認二維碼是否有效?！钡取Ｆ渲蠰CD1602 原理圖如圖6 所示。

圖6 LCD1602 原理圖

■3.4 直流電源模塊

7805 是最常用的三端穩(wěn)壓集成電路，其電路簡單、實用，能夠滿足單片機與加熱電阻等模塊的供電。一般情況下7805 輸入在9V、12V、15V 不等，最高不超過35V，但其輸出電壓會穩(wěn)定在5V，極限電流值為1.5V。該系統(tǒng)中7805 主要用于提供5V 供電，電路原理圖如圖7 所示。

圖7 7805 穩(wěn)壓芯片原理圖

■3.5 溫度控制模塊

DS18B20 是比較常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、低功耗、抗干擾能力強、精度高的特點。由3～5.5V 電壓驅(qū)動，通過DS18B20 可將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號處理，系統(tǒng)采用加熱電阻對箱體進行加熱，通過單片機與繼電器相連來對電源進行通斷。當(dāng)箱內(nèi)實際溫度低于預(yù)設(shè)溫度時，單片機P1.1 口輸出低電平導(dǎo)致繼電器吸合開關(guān)促使加熱電路接通，加熱電阻開始工作達到升溫的目的；當(dāng)箱內(nèi)實際溫度高于預(yù)設(shè)溫度時，單片機P1.1 口輸出高電平促使繼電器關(guān)閉達到溫度控制的目的。溫度控制框圖如圖8 所示；加熱控制電路原理如圖9 所示。

圖8 溫度控制框圖

圖9 加熱控制電路原理圖

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)外賣配送相比，無接觸外賣配送是一個新的目標(biāo)和起點?；赟TC89C52 的無接觸智能外賣配送系統(tǒng)具有靈活、安全、操作簡單方便等特點。系統(tǒng)通過與騎手的協(xié)同合作，讓外賣配送變得快捷化、簡單化，外賣暫存柜的溫控系統(tǒng)能夠最大限度地留存食物的熱度，二維碼與數(shù)字驗證碼的配合也能更人性化地解決系統(tǒng)可能出現(xiàn)的掃碼異常等意外問題。