基于C52單片機及物聯網技術的臨時鎖存行李箱工具研究

鄧學旭，李雪松

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引 言

如今整個社會已經進入了智能發(fā)展的時代，隨著AI（Artificial Intelligence）的產生和興起，整個社會智能化的趨勢也日漸加劇。中國鐵路局在中國各大城市鋪設鐵路，高鐵事業(yè)遍布世界各地，火車站、高鐵站等公共場所不斷增加。但是隨著基礎公共設施的不斷建設興起不僅為人類的生活提供了便利，也為火車站、高鐵站帶來了巨大的人流量，這就增加了一些安全隱患問題，如：偷盜、搶劫等違法行為。況且，對于一些獨自旅行的人來說總會經歷想去上廁所行李沒人照看或進出一些不方便攜帶行李箱的地方的窘境。目前市面上有些類似的產品是超市的儲物柜，但是超市中的儲物柜只能放置一些較小的物品，并不能放置行李箱這類較大的物品，并且如果儲物柜被盜竊，物主本人不能第一時間知曉，這也導致此類商品并不能起代替作用。作者是對于大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目對基于C52 單片機的智能行李箱鎖存器進行了設計，并通過APP 程序進行設置、修改密碼，同時智能行李箱鎖存器通過APP 程序向使用者的手機發(fā)送消息，可以及時了解到自己物品的安全。

1 產品總體設計

1.1 系統(tǒng)原理

火車站臨時鎖存行李箱由硬件設施和能進行程序控制兩大部分構成。

有單獨的硬件模塊和相應的電路，可以在硬件設施上實現特定的功能。主要包括MCU 和APP 程序：它是主操作控制核心；CPU 會發(fā)出各個工作之間的前后順序并控制各個模塊和程序；二維碼顯示部分：掃描產品上方的二維碼進入APP 程序來進行密碼開鎖的操作；電源輸入部分：給各個單元供電并調節(jié)電壓；無線通信模塊：通過此模塊和手機APP進行無線通信；壓力傳感模塊：用來判斷是否有人惡意破壞機箱和鎖具；報警電路部分：當用戶連續(xù)輸入三次錯誤的密碼或者有人惡意地去破壞鎖具或機箱時會發(fā)出報警信號。

在軟件設施上包括主部程序、系統(tǒng)初始化程序、啟動及關閉程序、壓力傳感程序、開關鎖定程序、延時程序和無線傳輸程序。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

1.2 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)以APP 程序為載體，通過簡單便攜的設置、輸入密碼操縱進行開關所。圍繞著C52 單片機接入了各個模塊和程序，并且在系統(tǒng)會要求用戶設置6 位數的密碼用于驗證使用者的身份，系統(tǒng)設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計方案圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件電路

這種結構以C52 微控制器為整個系統(tǒng)的運行核心，通過編程應用程序存儲、判斷和協(xié)調密碼所有其他模塊和程序都直接連接到微控制器，并通過其他模塊和電路連接，以滿足不同的使用目的并發(fā)揮不同的作用。通過手機上特定的APP程序作為顯示信息的顯示屏，待用戶用APP 軟件掃描產品上方的二維碼時，系統(tǒng)會根據不同產品上的二維碼定位產品，用戶先設置開啟鎖具的密碼，在成功設置密碼后系統(tǒng)會將用戶設置的密碼記錄到單片機的儲存系統(tǒng)中，等到下次用戶來取回行李箱時APP 便會要求取貨人輸入密碼，如果正確便會打開鎖。如果三次輸入不正確或者有人惡意破會鎖具鎖存器便會發(fā)出警報并向物主的手機發(fā)送實時信息。繼電器模擬開關鎖的操作。通過這種方式，單個模塊和電路返回到微控制器的工作方式，工作分工清晰，這就是不同模塊相互組合，相互協(xié)調的方式，可以更加高效、敏捷地達到所需要的目的。

2.2 硬件設計

最小微控制周期：C52 微控制器在芯片上有一個ROM EPROM 芯片，可以執(zhí)行最簡單和有用的微控制器系統(tǒng)。因為其優(yōu)越的性能和性價比，在學生學習和一些工廠控制系統(tǒng)中有著十分廣泛的應用。STC89C52 具有三個16 位定時器/計數器以及多種功能的I/O 線，使用的是MCS-51 的內部核心。在實際使用過程中，只有時鐘電路和虛構區(qū)域，直接連接到C52 微控制器上即是最小的微控制器系統(tǒng)。單片機內最小的系統(tǒng)的電路圖如圖3所示。

圖3 單片機最小系統(tǒng)原理圖

繼電器模擬鎖存電路：在臨時鎖存行李箱器系統(tǒng)中，繼電器是模擬關鎖和開鎖的操作。電磁繼電器主要由線圈、鐵芯、銜鐵等構成。觸頭系統(tǒng)是因為它的觸點都接在了控制電路中，而且其本身電流非常小，所以便沒有裝設滅弧裝置。它的觸點通常是橋式觸點，有動合和動斷兩種觸發(fā)的形式。通過電磁效應，即在線圈兩端施加一定的電壓，就會產生一定的電流流過線圈并產生相應的磁場。同時磁場就會將銜鐵吸向鐵芯的方向，銜鐵的動觸點與靜觸點相互吸合后，便模擬了關鎖的效果。斷電后電磁力就會消失，銜鐵將會被彈簧拉回，使得動觸點與靜觸點相互釋放，便模擬了開鎖的效果。通過這樣的吸合和釋放就能實現電路的連通及斷開的目的，實現放置、拿出鐵鎖的作用。本設計將外接的電磁鎖作為取鎖和開鎖操作的模擬。繼電器控制的負載電路如圖4所示。

圖4 繼電器控制模擬負載電路圖

報警電路：當用戶連續(xù)輸入錯誤的密碼達到三次或者鎖內配備的壓力感應器感應到較大的壓力時則會進行警告。報警電路是給使用者或者偷盜者聲音警示的作用，原理是利用C52 單片機中特定的端口來控制蜂鳴器。三極管起著推動作用。當單片機的特定端口處于低電平時，三極管將接通。此時蜂鳴器通電發(fā)出聲音，實現報警功能。反之則不發(fā)生。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括主部程序、系統(tǒng)初始化程序、啟動及關閉程序、壓力傳感程序、開關鎖定程序、延時程序、無線傳輸模塊和存儲程序。

其中主程序起著整理，調用各個程序的相互配合、相互依賴的作用。初始化程序是用來初始化APP 程序和工作系統(tǒng)的，為了使系統(tǒng)和APP 程序能夠正常的進行工作。啟動和關閉程序是最最基本的軟件程序，有著打開和關閉系統(tǒng)的作用。用主程序來控制開關鎖程序、延時程序和儲存程序等，使其有條不紊地正常工作。

4 理論分析及計算

電阻應變傳感器是由電阻應變片和彈性傳感器組成的壓力傳感器。一根長度為l，其橫截面為，電阻率為，則有：

其中金屬絲的徑向應變和軸向應變存在著以下關系式：

式中，為金屬材料的泊松比。

由勃底特茲明經研究發(fā)現，金屬材料的電阻率的相對變化和其體積的相對變化之間存在著下式的聯系：

式中為特定的常數，將上述的式（2）（3）一同代入式（1）中得：

其中，式中被稱為金屬的應變靈敏度（或靈敏系數）。電阻應變片將壓力信號轉化成電阻的變化量后卻不便于直接測量結果。通常采用電橋電路來實現將電阻的變化量轉換為電壓的變化量。直流電橋電路中分為單臂電橋電路、半橋差動電路和全橋差動電路。其中全橋差動電路的靈敏性較高，電路圖如圖5所示。

圖5 全橋差動電路電路圖

電橋電路一開始處于平衡，其中====，此刻的輸出電壓為零伏。若收到壓力的話，則輸出的總電壓為下式：

單片機收到壓力傳感器傳來的電壓值，經過和預設的電壓值相比較。若比預設的電壓值大則進行警報，反之則不警報。

5 實驗測試與分析

5.1 硬件測試

系統(tǒng)的總體調試包括以下幾個方面，首先用萬用表來測量整個系統(tǒng)和各個模塊的電路焊接情況，看看是否有短路發(fā)生或者沒有用錫絲連接好的地方或引腳，然后加以仔細糾正，校對繼電器的能否正常工作等問題。

在測試時，用戶通過手機APP 輸入密碼，系統(tǒng)判斷密碼基本正確，有時繼電器模擬的電子鎖可能會卡住，或者彈不出來。這個問題的反饋后續(xù)會在APP上制作一個反饋界面，并配備單獨的人工客服用來解決這類的售后問題。在進行壓力大小測試時，我們采用的是砝碼來測試，通過不斷地加入砝碼的數量來達到增加壓力的目的。通過將砝碼掛在鎖具上，觀察當到達的所設置的臨界值時，是否會發(fā)出警報。

5.2 軟件測試

APP 程序的登錄程序，調試掃描二維碼是否能夠正常進行登錄以及主界面的開鎖、關鎖、設置密碼和修改密碼能否進行正常工作；編寫報警程序，調試蜂鳴器能否順利進行警報；編寫核對密碼解鎖程序，調試成功輸入密碼能否順利進行開鎖；編寫密碼設置，修改以及判斷程序，若用戶忘記密碼必須用設置密碼的賬號登錄小程序來進行重置密碼。調試能否進行對密碼的修改以及對不同的密碼能否進行正確的判斷。

調試各個子程序看看能否成功單獨運行以及各個子程序之間能否正確地傳遞所需要的參數，檢驗子程序和總程序能否實現預先設定的目標。

5.3 測試結果

測試結果如表1所示。

表1 測試結果圖

5.4 結果分析

經過了十輪的測試結果，其中出現一組錯誤。我們的猜測是可能是因為繼電器失靈或者是單片機的工作判斷失誤所引起的。經過我們組內技術人員的檢查，發(fā)現是因為連接繼電器模擬模塊的電路出現了人為性的失誤，并不是硬件或軟件所引起的問題。但是基于此問題，我們開始了一段新的展望，例如：在使用過程中，也出現了類似的問題該如何解決？

經過我們組內成員的探討，一致決定在所設計的APP 上加入一種新的反饋功能。如果使用的鎖具出現了打不開或者程序崩潰等不可抗力的原因導致不能正常的使用，可以點擊反饋功能，和客服聯系溝通，通過遠程操控來幫助用戶解決問題。在壓力測試方面，經過十輪的測試，結果均沒出現問題，當電壓值大于等于所設置的閾值電壓時蜂鳴器就會發(fā)出警報進行警示。

6 結 論

此設計可以滿足一個人旅行或出差時，想去上廁所或者進出一些不方便攜帶行李箱的地方。同時本項目立足于“互聯網+”計劃，使用二維碼當作使用APP 的工具，還順應于共享的觀念。同時用手機APP 掃二維碼，設置密碼便可以輕易開鎖，操作簡單簡便，在車站，機場等人流量大的地方以及社恐人士有著非常強的實用價值。特別是對于一些獨自旅游，出差等等不得不一個人外出的情況。解決人們在外出旅游，工作時在車站、機場等地想去衛(wèi)生間行李箱卻無人照看的緊急情況。