基于單片機(jī)的智能書報(bào)柜設(shè)計(jì)

楊思琪，李智婧，蔣興梅，付宜帆，于海霞

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

智能書報(bào)柜是一個(gè)可以體現(xiàn)在架圖書的實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)[1]，它即可以使用RFID技術(shù)查找在架圖書中所有物品的標(biāo)識(shí)，又具備監(jiān)控圖書書籍、庫(kù)存、追蹤書號(hào)、展示書籍等功能[2]。智能書報(bào)柜具有快速檢測(cè)特性，準(zhǔn)確定位等功能。通過在書架上安裝RFID設(shè)備，便能順利查找每一本圖書上的RFID標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)清點(diǎn)圖書館圖書庫(kù)存及圖書定位等功能。

文中開發(fā)設(shè)計(jì)了占地面積小、穩(wěn)定性強(qiáng)、可準(zhǔn)確記錄圖書館圖書信息、可靠性高的一款智能書報(bào)柜[3]。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本次智能書報(bào)柜系統(tǒng)的硬件采用STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)作為控制器，同時(shí)將該系統(tǒng)分成了RFID模塊、LED顯示模塊、按鍵模塊和報(bào)警模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52簡(jiǎn)介

STC89C52是一款低功耗CMOS微控制器、只讀存儲(chǔ)器、可編程FLASH存儲(chǔ)器。STC系列單片機(jī)使用典型的MCS-51內(nèi)核，該內(nèi)核與工業(yè)領(lǐng)域的引腳輸入和輸出兼容，同時(shí)也對(duì)芯片作了諸多改進(jìn)[4]。

STC89C52單片機(jī)具有512字節(jié)的RAM，32位輸入/輸出線，內(nèi)置E2PROM、復(fù)位電路和4個(gè)外部中斷，具有全雙工串行口[5]。

2.2 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻技術(shù)較常見的應(yīng)用包括無線射頻識(shí)別RFID，通常稱為感應(yīng)電子芯片、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標(biāo)簽、電子條形碼等。其原理是傳感器向接收器發(fā)送頻率特定的無線電波，接收器電路發(fā)送內(nèi)部代碼，掃描器接收此代碼[6,9]。

RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它能夠自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體并通過射頻信號(hào)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。一套完整的RFID系統(tǒng)由閱讀器與應(yīng)答器構(gòu)成。閱讀器發(fā)射出特定頻率的無限電波能量傳送給應(yīng)答器，再由應(yīng)答器驅(qū)動(dòng)傳遞內(nèi)部的ID卡信息，之后，顯示器接收此信息[8]。

2.3 顯示模塊

LCD顯示模塊是一個(gè)16×16的黑白屏幕矩陣。它通過SPI接口模塊連接微控制器接口和芯片選擇線，并以掃描模式顯示圖像。微處理器通過SPI接口向16位數(shù)據(jù)模塊的LED屏幕傳輸信息，然后通過SN74HC595N對(duì)16位數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，之后通過SN74LS138N選擇數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)。依次發(fā)送并顯示16行數(shù)據(jù)，當(dāng)速度超過每秒50幀時(shí)，由于人類視覺的滯留效應(yīng)會(huì)看到一幅完整的畫面[10]。液晶顯示屏如圖2所示。

圖2 液晶顯示屏實(shí)物

2.4 按鍵模塊

按鍵模塊是具有數(shù)字、移動(dòng)、確認(rèn)和退出等功能的矩陣式鍵盤。行列選線均采用一位輸入、一位輸出模式，行選線通過上拉電阻連接電源，在無按鍵的情況下保持高電平狀態(tài)，利用中斷掃描的方式工作；在有鍵按下時(shí)，該處的輸入為低電平并產(chǎn)生中斷信息，然后利用鍵盤掃描程序確定按下的鍵。鍵盤接口電路如圖3所示。

圖3 鍵盤接口電路

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊由蜂鳴器、電阻和三極管組成。圖4中的限流電阻R1起到了分壓器的作用。當(dāng)微控制器在I/O口輸入低電平時(shí)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。循環(huán)回路使蜂鳴器發(fā)出聲響，蜂鳴器與顯示屏并聯(lián)，LCD顯示屏?xí)S著蜂鳴器的響動(dòng)而發(fā)光。在書報(bào)柜打開運(yùn)行過程中，當(dāng)書報(bào)柜有異常情況時(shí)，蜂鳴器將依靠PNP型三極管放大信號(hào)并發(fā)出“嘀”的聲音，提醒工作人員書報(bào)柜出現(xiàn)異常，在借閱者刷卡結(jié)束后，蜂鳴器聲音停止。報(bào)警功能可以一定程度上對(duì)電路起到保護(hù)作用。

圖4 報(bào)警模塊

3 軟件制作

軟件是智能書報(bào)柜設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)包含主程序部分、LCD顯示子程序、按鍵子程序、讀卡子程序、報(bào)警子程序。本系統(tǒng)為了嚴(yán)格確保智能書報(bào)柜系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)采用時(shí)間中斷來完成讀取數(shù)據(jù)、按鍵分析以及定時(shí)存儲(chǔ)卡上數(shù)據(jù)等任務(wù)。

主程序需要完成的功能包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、定時(shí)器初始化、顯示初始化等。進(jìn)入初始化流程后，可以完成每一個(gè)單元的設(shè)置和配置，最后是智能書報(bào)柜設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序。通過鍵盤按鍵、射頻卡的讀刷取等子模塊分別控制本文設(shè)計(jì)的各種所需功能。刷卡程序的設(shè)計(jì)包括對(duì)射頻卡的識(shí)別以及讀寫等；智能書報(bào)柜系統(tǒng)接口通信模塊主要接收外部指令以及書報(bào)柜系統(tǒng)的輸出結(jié)果指令，以此保證通信的可靠性和有效性。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

4 結(jié)果調(diào)試

第一步是硬件調(diào)試，檢查線路是否存在錯(cuò)誤，如電路短路、開路等，若發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)解決。調(diào)試準(zhǔn)確無誤后執(zhí)行電路板焊接及實(shí)物制作。首先，下載程序并單擊調(diào)試按鈕以查找問題。例如在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)由于電路板電路中的印刷問題導(dǎo)致電路短路，甚至電路模塊無法接通，就需要將電路板上短路的電路進(jìn)行焊接?；蛘叻澍Q器有時(shí)會(huì)因?yàn)槠渌驅(qū)е侣曇糨^小或者未蜂鳴等。

第二步是軟件調(diào)試，系統(tǒng)開機(jī)前通常會(huì)進(jìn)行全面系統(tǒng)檢查。通過測(cè)試和檢查，可以更好地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤與問題并及時(shí)處理，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)智能產(chǎn)品的要求愈來愈高，而傳統(tǒng)的書報(bào)柜因?yàn)樵龃罅藛T工的工作量與成本壓力，已無法滿足當(dāng)前需求，因此設(shè)計(jì)一款新型智能書報(bào)柜乃大勢(shì)所趨。本文針對(duì)以上問題研究了一款新型可刷卡自助智能書報(bào)柜。此次設(shè)計(jì)的書報(bào)柜采用RFID技術(shù)、ID刷卡識(shí)別模式及閱讀模式進(jìn)行借還書檢測(cè)，不僅可以方便用戶及時(shí)查看書籍、存儲(chǔ)書籍及借還書籍，還可以方便管理員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物