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      基于單片機的智能快遞貨柜的設計

      2021-11-20 21:47:09韓晶晶
      電子技術與軟件工程 2021年5期
      關鍵詞:電路設計紅外單片機

      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。

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