自动存包柜的设计与仿真

自动存包柜的设计与仿真内容摘要：

电平有效。 当该信号为高电平的时候，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。 OE：数据输出允许信号，低电平有效。 当该信号为低电平的时候，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。 当该信号为高电平的时候，输出线为高阻态 [8]。 系统 I/O 接口扩展 由于我们采集的数据量较多，因此 CPU 的 I/O 口线不够用，所以我们使用8255A 扩 展 I/O 口，以满足系统的要求。 8255A 是 Intel公司生产的通用可编程并行 I/O 接口芯片。 1 8255A 内部结构 8255A 内部由四部分电路组成。 它们是 A 口、 B 口和 C 口， A 组控制器和 B组 控制器，数据缓总线冲器及读写控制逻辑，如图 26 所示： 10 数据总线缓冲器数据总线缓冲器读写控制逻辑读写控制逻辑A 组控制A 组控制B 组控制B 组控制A 组端口A ( 8 )A 组端口A ( 8 )A 组端口C ( 4 )A 组端口C ( 4 )B 组端口B ( 8 )B 组端口B ( 8 )B 组端口C ( 4 )B 组端口C ( 4 )D 7 D 0I / 0PA 7 PA 0I / OPC 7 PC 4I / OPC 3 PC 0I / OPB 7 PB 0RDWRA 0A 1CSREST 图 26 8255A 的内部结构 （ 1） A 口、 B 口和 C 口。 A 口、 B 口和 C 口均为 8 位 I/O 数据口，但结构上略有差别。 A 口由一个 8 位的数据输出缓 冲 /锁存器和一个 8 位的数据输入缓冲 /锁存器组成。 B 口由一个 8 位的数据输出缓冲 /锁存器和一个 8 位的数据输入缓冲器组成。 三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入 /输出数据或控制信息。 （ 2） A、 B 组控制电路。 这是两组根据 CPU 的命令字控制 8255 工作方式的电路。 A 组控制 A 口及 C 口的高 4 位， B 组控制 B 口及 C 口的低 4 位。 （ 3） 数据总线缓冲器。 它是一个 8 位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连，传送数据或控制信息。 （ 4） 读 /写控制逻辑。 这部分电路接收 MCS51 送来的读 /写命令和选口地址，用于控制 对 8255A 的读 /写 [9]。 2 8255A 的引脚功能 8255A 有 40 条引脚，采用双列直插式封装。 引脚如图 27 所示： 11 图 27 8255A 引脚图 （ 1） 数据总线（ 8 条）： D0～ D7:三态双向数据总线， 8255A 与 CPU 数据传送的通道，当 CPU 执行输入输出指令时，通过它实现 8 位数据的读 /写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 （ 2） 控制总线（ 6 条）： RESET:复位信号，输入高电平有效。 一般和单片机的复位相连，复位后，8255A 所有内部寄存器清 0，所有口都为输入方式。 CS:片选信号线 ，当这个输入引脚为低电平时有效，表示芯片被选中，允许8255A 与 CPU 进行通讯。 RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许 8255A 通过数据总线向CPU 发送数据或状态字。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许 CPU 将数据或控制字写入 8255A。 A0、 A1：地址输入线。 这两位的 4 种组合 00、 0 11 分别用于选择 A、B、 C 口和控制寄存器。 （ 3） 并行 I/O 总线（ 24 条）：这些总线用于和外设相连，分别与 A、 B、 C口相对应，用于 8255A 和外设之间传送数据，共分三组： PA0～ PA7:端口 A 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器 /缓冲器，一个 8位的数据输入锁存器。 12 PB0～ PB7:端口 B 输入输出线，一个 8 位的 I/O 锁存器，一个 8 位的输入输出缓冲器。 PC0～ PC7:端口 C 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器 /缓冲器，一个 8位的数据输入缓冲器。 （ 4） 电源线（ 2 条）： VCC 为＋ 5V 电源线，允许变化 177。 10%； GND 为地线。 3 输入输出电路 自动存包柜的设计中输入输出部分是十分重要的一个环节，输入输出系统就是人与计算机之间建立联系，交换信息的设备，即人机交互设备。 在这里我们需要输入存包取包命令，检 测箱内是否有物体，在顾客需要的时候检测密码，并自动打开柜门，还需要显示是否有空箱以及空箱的位置，来为顾客提供选择。 键盘设计 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。 该系统中键盘的主要功能是用于顾客选择适当 的包柜存包 ，用按键来控制柜门的打开， 键 盘是用 8031 单片机 经 74LS373 扩展一片 8255A构成键盘借口电路的。 键盘的闭合与否，映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平，相反如果高电平表示断开的话，那么低电平就表示键闭合，所以通过对行线电平的高低状态 的检测，便可以确认按键按下与否。 常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。 我们在这里选用矩阵式键盘接口，如图 31 所示： 5 VR 1R 2R 3R 40 12 3 45 9101415 19 图 31 矩阵式键盘 13 矩阵式键盘工作原理：按键设置在行、列线交点上，行列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到 +5V 电源上。 平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。 列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平；列线电平如果为高，则行线电平也为高电平。 这是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。 由于矩阵键盘中行、 列 线为多键共用，各按键均影响该键在行和列的电平，因此各按键彼此将互相发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置 [10]。 键盘实际是一组按键开关的集合，是向系统提供操作人员干预命令和数据的接口设备这里我们选用 4*4 矩阵键盘接口，用 14 个按键控制箱门的打开，其中，数字键 10 个，分别为 0~9，功能键 4 个，“ ON/C”表示存包键，“ =”表示取包键，“ +”表示确定键，“ — ”表示取消键。 如图 32 所示： 图 32 4*4 矩阵键盘 该键盘工作方式采用的是外部中断扫描，中断式键盘 扫描原理是：当有键按下将会触发一个中断源，提醒处理器进行键值扫描查询。 键盘的中断方式一般有定时中断和外部中断两种，本系统采用的是外部中断 INT0。 单片机先让行线输出低电平，当有键按下时列线电平不全为高，将触发外部中断 INT0，单片机进入中断后先延时去抖动，再扫描查寻键盘，读出键值，然后处理相应的键值处理子程序，无键按下则不进入中断，单片机不扫描，从而节约了大量的资源 [11]。 显示系统设计 为了使操作人员及时掌握生产情况，在一般的微型计算机控制系统或者智能 14 仪器当中，都配有显示程序。 常用的显示器件有： ① 显示和记录仪表， ② CRT显示终端， ③ LED 或者 LCD 显示器， ④ 大屏幕显示器。 本次设计所采用的是 LED数码管。 LED 数码管是由发光二极管组成，由于材料的不同，可以发出各种单色光线。 根据发光二极管内部的连接方式不同，又有共阴极或共阳极两种形式。 如图33 所示： abcdefgdpbacdefgdp 共阴极 共阳极 图 33 LED 显示器 LED 数码管具有结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高等优点。 本次设计我们使用两个 4 位数码管来显示 8 位密码，数码管如图 34 所示： 图 34 4 位数码显示管 输出系统功能扩展 由于本人能力有限，考虑不周，此次设计的存包柜与实际应用的自动存包柜 15 相差甚远，功能不全，而且还存在一些问题。 按实际应用中，根据各种需要，可以在此设计基础上进行扩展。 如： （ 1）限位开关：利用电磁铁或可控硅、电磁耦合器，再加上一些机械装置，就能实现柜门的自动开关。 （ 2）光电开关：对存包柜进 行检测，实时显示无物的箱号。 （ 3）打印机：将产生的随机密码打印出来。 （ 4）语音服务：用户存取包时，语音致词“欢迎使用”、“请关门”、“谢谢使用”等。 （ 5）报警服务：用户忘记关门时，提醒顾客关门。 4 系统程序设计及仿真 为了使本系统的整个程序清晰明白，便于调试和修改，程序设计时把系统的各种功能分为若干部分，于每一部分功能编制相对独立的程序块，对各程序在运行的时候各负其责。 主程序模块设计 该模块的功能包括显示的初始化，判断是否有空箱，键盘扫描，密码扫描等功能。 存储柜通上电以后，单片机上电，首先 进行程序的初始化，包括定时器，外部中断等初始化，以及各参数初始值的设定。 默认存储柜为初始状态，根据存包指令，扫面计数器的存储包状态，用数码管显示存储柜号和密码。 主流程图如图 41 所示： 16 通 电 开 始通 电 开 始显 示 空 箱显 示 空 箱初 始 化初 始 化状 态 判 断状 态 判 断取 包取 包存 包存 包读 密 码读 密 码门 是 否 关 好门 是 否 关 好打 印 密 码打 印 密 码门 开门 开取 物 关 门取 物 关 门门 是 否 关 好门 是 否 关 好报 警报 警返 回返 回报 警 提 醒关 门报 警 提 醒关 门 密 码 是 否 正 确 N YYNNY 41 主程序流程图 键输入子程序模块 键盘采用扫描工作方式 ,输入程序功能有以下 4 个方面： (1) 判断键盘上有无键闭合，其方法为扫描口 PA0～ 7 输出全“ 0”，读 PC口的状态，若 PC0～ 3 为全“ 1”（键盘上行线全为高电平）则键盘上没有闭合键 ,若 PC0～ 3 不全为“ 1”，则有键处于闭合状态。 17 (2) 去除键的机械抖动 ，其方法为判断出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动。 (3) 判别键闭合的键号，方法对键盘的列线进行扫描，扫描口 PA0～ 7 依次输出： 相应的依次读 PC 口的状态，若 PC0～ 3 为全“ 1”则列线为“ 0”的这一列上没有键闭合。 闭合键的键号等于为低电平的列号加上为低电平的行的首键号。 (4) 使 CPU 对键的一次闭合仅做一次处理，采用。