基于單片機的智能快遞貨柜的設計

韓晶晶

（山西工商學院計算機信息工程學院 山西省太原市 030006）

在當下的發(fā)展中，快遞市場已經(jīng)在發(fā)展中形成了三級市場的分化和細化，以此形成外資、國有以及民營這三種不同的經(jīng)營區(qū)塊。其中民營的快遞企業(yè)在發(fā)展中，所提供的各種傳統(tǒng)郵政服務，并不符合當下的商業(yè)發(fā)展，在包裹的遞送過程中，采用的門對門的運輸方式，這樣靈活的運作機制，成本投入的相對也較低，深深的受到人們的喜愛。

1 研究背景

在當下經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，使得各大快遞都進入到了中國市場當中，而民營的企業(yè)也不斷的出現(xiàn)，以此形成了競爭較為激烈的市場競爭情況。其中智能快遞箱的研發(fā)，正是在這樣較為激烈的背景下，出現(xiàn)的一種自助快遞的服務設備。在快遞到智能快遞箱之后，收件人就可以通過取貨碼的識別，以此讓其進行自主的取件，由于并不需要人工的參與，使得極大的提升了取件的安全性和準確性。另外，這種智能快遞箱的研發(fā)，使得直接改變了人們的日常習慣，成為高效率的快遞方式。

在工業(yè)4.0 時代到來之后，使得市場當中出現(xiàn)了越來越多的智能化的機器人。在智能快遞機器人的基本理論上，使得極大的推動了當下快遞行業(yè)的發(fā)展。伴隨著信息技術的普及，讓人們在智能快遞箱的研發(fā)上有著良好的技術基礎。但是，為了能夠更好的推動當下快遞行業(yè)的發(fā)展，就需要研發(fā)出一套高效率的智能快遞箱的系統(tǒng)，本文的研究中，主要基于單片機的智能快遞貨柜進行設計與研究。

2 系統(tǒng)總體設計方案

在本文的設計中，其智能快遞機器人的控制系統(tǒng)設計上，主要由硬件與軟件這兩個部分所構(gòu)成。其中主控模塊直接控制硬件。而在軟件部分，則是由紅外尋跡程序所構(gòu)成。

在該系統(tǒng)的設計中，其硬件上主要由系統(tǒng)時鐘、矩陣按鍵、蜂鳴器、GSM 模塊、電控鎖快遞箱等設備構(gòu)成，并基于單片機為最小的控制系統(tǒng)，在實際的使用中，快遞員就可以利用鍵盤進行開鎖，同時也可以利用鍵盤進行短信息的發(fā)送，同時用戶可以進行取件。在這種系統(tǒng)的設計中，輸入的密碼以及取件碼的識別，都需要單片機進行密碼的判斷。在密碼或者取貨碼正確的情況下，箱門就會自動打開，順利完成取件。

3 設計方案重難點與關鍵技術

3.1 難點

在進行矩陣鍵盤的設計中，需要對驗證碼，或者對11 位的手機號進行輸入。同時，還需要對取件人的號碼，利用GSM 模式，實現(xiàn)自動的取貨碼發(fā)出。而在輸入完成了驗證碼之后，則需要讓單片機控制電鎖箱，進行準確的打開箱子。

3.2 關鍵技術

首先在單片機與GSM 模塊的接口電路設計中，要設計出合理的GSM 網(wǎng)絡的短消息發(fā)送程序。而在外部存儲設備與單片機的設計接線位置，需要實現(xiàn)信息的必要寫入與保存。在驗證碼方面，要形成生成、記錄、核對與消除功能。而在單片機的內(nèi)部程序編制過程中，則要保障對各個界面能夠?qū)崿F(xiàn)順利的切換，這樣的操作中要保障精簡效率較高。

最后在用戶的輸入模塊設計中，則要盡可能的降低需要進行的按鍵需求，這樣才可以充分的滿足輸入方面的設計需求。

4 硬件設計

在本文的分析中，其硬件方面的設計，主要是利用Altium designer13 軟件，構(gòu)成智能快遞機器人的硬件系統(tǒng)電路設計。

4.1 主控模塊電路設計

在當下的主控制模塊的使用中，其編程較為的簡單，同時價格方面也有著較高性價比的單邊機可以成為最小的系統(tǒng)構(gòu)成。在實際的使用過程中，可以得到良好的效果。

4.2 步進電機與驅(qū)動電路設計

在系統(tǒng)當中采用的步進電機，是一種有效的將脈沖信號，高效率的轉(zhuǎn)變成角位移的開環(huán)控制元件。而在實際的轉(zhuǎn)速頻率方面，僅僅受到電脈沖信號方面的控制，因此就需要使用L293D 當做驅(qū)動模塊，對其步進電機進行控制。在L293D 當中的VCC 管腳接電源正極，而同時在VCC2 接入7.4V 的電壓，并讓四個不同的GND 管腳實現(xiàn)接地的效果，這樣就可以構(gòu)成較為完整的驅(qū)動電路。

4.3 紅外尋跡模塊電路設計

在系統(tǒng)當中的紅外尋跡模塊的設計，主要是當做控制系統(tǒng)當中最為復雜的一個模塊。在其中設置了紅外對管，因此在系統(tǒng)當中就構(gòu)建了紅外線分色管與光敏接收管，這樣就可以在將其設備進行集成之后，可以形成紅外線接收頭的配合系統(tǒng)，在紅外尋跡模塊當中，同時也包含著運算放大器LM324，以此在單電源的試用下，將其電壓范圍控制在了3.0-4.0V 之間，以此發(fā)揮出良好的效果。

4.4 電源模塊設計

在本文的設計中，其控制系統(tǒng)采用的是7805 芯片的穩(wěn)壓輸出電壓。而在7805 的OUT3 號的管腳處理上，需要接入熔斷器與電容，同時讓GND 直接接地，在IN 斷則需要接入到電源與電容上。

5 系統(tǒng)軟件設計

為了保障在系統(tǒng)的運行中，可以實現(xiàn)自動尋跡與投擲的效果，在本文設計中，就對其系統(tǒng)軟件進行紅外尋跡程序以及投擲進行動作程序的設計。

5.1 紅外尋跡程序

在控制系統(tǒng)當中，主要是通過對不同顏色障礙物，在受到紅外光的照射之后，會基于不同的反射能力，以此實現(xiàn)紅外尋跡的功能。在尋跡模塊的運行中，在黑線上換色的指示燈滅掉之后，混跡模塊就不會在黑線上的之后，讓黃指示燈亮起。而在偏離到黑線的時候，就會左邊的黃色指示燈亮起，而讓右邊的指示燈滅掉。這樣就形成了完整的紅外尋跡操作。

5.2 投擲動作程序

在該程序的設計過程中，主要是利用紅外尋跡程序完成了相應的尋跡操作之后，可以讓智能快遞到達指定的位置，完成投擲操作。

6 機械結(jié)構(gòu)設計

6.1 機械結(jié)構(gòu)分析

在進行快遞機器人的設計過程中，其底盤結(jié)構(gòu)上需要設計出4個輪結(jié)構(gòu)，以此保障快遞機器人在移動的過程中，有著較強的移動靈活性，并實現(xiàn)穩(wěn)定的專項操作。在本文的設計中，采用了2 個驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)類型。同時，在驅(qū)動輪的運行中，保持著較高的運行獨立性，并讓兩個方向輪可以自由靈活的進行擺動，這樣就可以充分的保障快遞機器人可以穩(wěn)定的運行。而為了便于快遞機器人的定位，就需要讓底盤中心點，當做移動當中的坐標記錄點。

6.2 移動方式

在當下的移動方式設計中，其快遞機器人在移動的過程中，可以選擇的類型較多，例如可以選擇履帶式、步行式以及輪式的結(jié)構(gòu)類型。在本文的設計中，則基于輪式的移動方式，在實際的運行過程中，4 個輪子的運行獨立性較強，同時具備著較高的靈活性。

而在驅(qū)動方面，則選擇3 輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向的方式，并讓2 個驅(qū)動獨立進行工作。在實際的運行過程中，可以讓驅(qū)動輪提供前進的動力，并伴隨著動輪進行方向的調(diào)整，以此讓運送人物可以順利的前行。

7 傳感系統(tǒng)設計

7.1 紅外傳感器

在當下的系統(tǒng)設計中，為了讓智能快遞機器人可以滿足各種情況的使用，急需要在設計當中安裝紅外傳感器，以此可以對前方的紅外信息進行采集，并可以及時的識別出一些危險信息，例如火源等信息，進一步的提升快遞系統(tǒng)的安全性。在實際的設計過程中，可以有效的利用紅外頻率，產(chǎn)生一定的電路，這個時候同時會產(chǎn)生一個3.8kHz 的紅外管。而在模塊接收到紅外管之后，還會馬上對其進行信息的處理，以此明確出紅外光的實際強度，并對其進行信息的識別，以此明確自然光還是明火。同時，也可以將其信息提交給主系統(tǒng)，進行信息方面的重新規(guī)劃，進一步的提升信息行駛路徑的安全性。

7.2 光敏傳感器

不僅僅可以感知熱源，智能快遞機器人在運行的過程中，還要具備著較高的光感性。一般情況下，其智能機器人當中可以安裝一定的光敏電阻，并基于光照的實際強度，進行電阻值的變化。同時，為了保障系統(tǒng)當中有著較高的安全性，而且光敏電阻則在無光的狀態(tài)下，其電阻需要達到幾十萬Ω。同時在普通的室內(nèi)光線下，其電阻僅僅為幾千Ω，而在受到強光的照射下，就會使得僅僅幾十Ω。因此，就可以充分的利用光敏電阻的這一特征，在進行系統(tǒng)設計中，讓智能快遞機器人實現(xiàn)行駛情況的分析，并充分的結(jié)合起其他的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)較為精確的信息定位，充分的提升機器人的工作狀態(tài)穩(wěn)定性。

7.3 超聲波傳感器

在當下智能快遞機器人的設計中，其移動過程中可能會遇到一定的阻礙，例如石頭、欄桿等物體。因此，為了有效的解決這樣的問題，就需要在實際的設計中，能夠利用超聲波的方式，對各種障礙物進行處理，以此形成路線的重新規(guī)劃與設計。而在對超聲波傳感器的電路設計過程中，其中信號發(fā)射電路的設計上，可以采用74HC04 型號的反向器。另外，在信號的接收需要采用接收電路。對于這種信號的接受與采集，還要結(jié)合起單片機的信息采集方式。

單片機在運行的過程中，可以發(fā)出一定的超聲波信號，以此在遇到障礙物的時候，其信號波長就會反彈回來。在這個時候，就可以有效的基于信號指示，對障礙物之間的距離以及障礙物實現(xiàn)針對性的調(diào)整。

8 控制器硬件設計

8.1 硬件平臺系統(tǒng)

在當下的智能快遞機器人的硬件平臺系統(tǒng)的設計中，主要由主控制芯片，當做系統(tǒng)的核心位置。其次，還要對程序進行充分的調(diào)試，并采用JTAG 接口類型，以此智慧程序控制機器人的動作。最后，在顯示模塊當中，其人機交互的數(shù)據(jù)可以充分的 通過數(shù)據(jù)顯示屏進行操作。而在系統(tǒng)電路的設計上，主要涉及到電源控制線、紅外控制電路以及超聲控制電路這幾個不同的電路。

8.2 最小系統(tǒng)電路

在當下對于智能快遞進行設計的過程中，其最小系統(tǒng)電路的設計，往往首先要設計好時鐘電路，同時時鐘電路上可以分為有源與無源這兩種不同的類型。相比較無源晶振而言，有源晶振在使用的過程中，可以提供更高之來那個的時鐘之來那個。其次，在進行電源模塊的設計中，需要采用直接供電與轉(zhuǎn)換供電的著兩種不同供電類型。直接供電的過程中，主要是利用9V 電池，當做系統(tǒng)的供電基礎，而在轉(zhuǎn)換電源的使用中，則是將標準電壓轉(zhuǎn)變成9V 的電源類型。

8.3 系統(tǒng)軟件

在進行設計的過程中，需要首先建立出系統(tǒng)的軟件框架。同時，在設計的設計過程中，還要充分的保障其系統(tǒng)的可靠性以及兼容性。這樣就可以在日后的設計過程中，可以讓智能快遞實現(xiàn)全面的升級與完善。而基于單片機的結(jié)構(gòu)特征，還要開發(fā)出相應的系統(tǒng)開發(fā)工具，例如一些編譯器、仿真器以及集成環(huán)境當中，都需要得到全面的研發(fā)，以此充分的保障系統(tǒng)軟件平臺的穩(wěn)定運行，沒讓智能快遞機器人可以穩(wěn)定的運行下去。

8.4 系統(tǒng)主程序

在系統(tǒng)主程序的設計過程中，首先需要基于標準流程進行設計，之后再完成相應的常規(guī)性的設計任務。在設計的過程中，首先要做好系統(tǒng)的初始化工作，例如開展IO 初始化，以此結(jié)合起原系統(tǒng)的內(nèi)存。在系統(tǒng)的初始化處理的過程中，就要對其完成全面的配置，以此盡可能的降低一些為引入IO 引腳存在的干擾性，讓系統(tǒng)可以高效率的運行下去。其次，在系統(tǒng)出現(xiàn)終端初始化之后，就要馬上對系統(tǒng)進行保護操作，一旦出現(xiàn)了系統(tǒng)故障問題，就需要馬上對程序進行終端處理，并對主控制系統(tǒng)發(fā)出預警信息，以此最大程度上降低損失的程度。

8.5 電機控制程序

在對電機進行控制程序的設計中，首先需要進行PWM 程序的設計工作，這樣的設計工作主要是采用動態(tài)調(diào)節(jié)電機的方式，形成良好的運行轉(zhuǎn)速，以此發(fā)揮出控制智能快遞機器人位移移速的效果。其次，還要在電機的運行過程中，能夠形成動態(tài)的檢測，充分的保障電機的高效率運行。最后，為了保障在系統(tǒng)的運行中，還要明確出設計的關鍵環(huán)節(jié)，這樣就可以進一步的保障在實際的設計過程中，其設計的合理性和效率性，最大化系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

9 總結(jié)

綜上所述，在我國當下的社會發(fā)展下，使得人們更多的會選擇網(wǎng)上購物，這樣就對當下的快遞行業(yè)提出了較大的挑戰(zhàn)，本文所設計出的智能化的快遞系統(tǒng)，可以有效的提升快遞的效率與安全性，也是未來快遞行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，可以盡可能的滿足人們對于快遞的需求，同時伴隨著相關技術的完善，該技術也會得到相應的完善。