基于51單片機(jī)的開放式實(shí)驗(yàn)室電子元件存取柜

摘 要：針對高校開放式實(shí)驗(yàn)室中存在的管理員對電子元器件的管理問題以及學(xué)生對元器件的存取問題，設(shè)計(jì)了一款電子元器件存取柜。存取柜包含上位機(jī)端和存取端，上位機(jī)端通過Wi-Fi模塊將存取柜與手機(jī)進(jìn)行連接，將芯片柜內(nèi)信息、數(shù)量等情況發(fā)送到手機(jī)，存取端能夠?qū)崿F(xiàn)用戶通過串口屏幕選擇所需元器件進(jìn)行存取，執(zhí)行機(jī)構(gòu)解鎖對應(yīng)存儲盒，對應(yīng)存儲盒提示燈亮起，便于尋找所需元器件，規(guī)范了用戶使用，不隨意拿放。同時(shí)方便了管理者對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理，能夠在上百種元器件中及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)量不足的元器件并進(jìn)行補(bǔ)充，保障實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；芯片柜；實(shí)驗(yàn)室；無線通信

中圖分類號：TN602；TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0075-04

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.017

0 引 言

在信息時(shí)代飛速發(fā)展的今天，電子技術(shù)是時(shí)代進(jìn)步的基礎(chǔ)保障。各大高?；蛘咂髽I(yè)中每天都在進(jìn)行著多種電子實(shí)驗(yàn)，而芯片是每個(gè)電子實(shí)驗(yàn)不可缺少的元件，現(xiàn)存的芯片種類更是成百上千，因此能夠便捷快速地從各種型號中取出自己所需的芯片顯得尤為重要。現(xiàn)在市面上的芯片存儲柜采用多抽屜推拉式結(jié)構(gòu)進(jìn)行存放，實(shí)驗(yàn)者在使用特定型號芯片時(shí)，需要依據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)簽在多個(gè)抽屜中進(jìn)行尋找，費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且可能還有尋找不到的情況。實(shí)驗(yàn)室管理員對芯片的管理工作也十分困難，需要定期依次打開抽屜查看芯片剩余量，并對數(shù)量不足的芯片進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，以免影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度?，F(xiàn)在市面上還不存在一種方便實(shí)驗(yàn)人員選取芯片，以及方便管理人員對芯片進(jìn)行智能化管理的芯片柜，為此希望通過研發(fā)這款智能芯片柜，來解決以上問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過設(shè)計(jì)上位機(jī)端和用戶存取端來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能，系統(tǒng)整體框如圖1所示。上位機(jī)端采用手機(jī)APP通過Wi-Fi模塊與存取端進(jìn)行聯(lián)結(jié)，其中存取端將當(dāng)前元器件信息以及所剩數(shù)量和每次存取數(shù)量發(fā)送到手機(jī)APP，手機(jī)APP將每次管理員補(bǔ)充的元器件數(shù)量發(fā)送到存取端顯示屏幕上顯示出來；用戶存取端包含：抽屜式元器件柜、觸控屏幕、開關(guān)舵機(jī)、指示燈、蜂鳴器，用戶在觸控屏上選擇存或取，然后選擇指定型號并且輸入存或取數(shù)量，按下確定鍵，元器件柜解鎖相對應(yīng)的抽屜，其中每個(gè)抽屜內(nèi)部包含一個(gè)LED指示燈，顯示屏幕上顯示出當(dāng)前元器件盒的所在位置，按下完成鍵，元器件盒鎖定，取元器件完成。系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，STC12C5A60S2單片機(jī)具有兩個(gè)硬件串口，系統(tǒng)中需要使單片機(jī)與手機(jī)APP與串口屏進(jìn)行串口通信，因此需要將兩個(gè)硬件串口聯(lián)結(jié)，STC12C5A60S2單片機(jī)能滿足此需求，其還有成本低，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)分析與理論計(jì)算

2.1 舵機(jī)開關(guān)鎖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用長38 cm、寬16 cm、高47 cm、內(nèi)置6行3列共18個(gè)儲藏盒的箱體作為此存取柜主體。箱體后部為鏤空設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，通過加裝亞克力條并在此上固定舵機(jī)粘與箱體后部方可進(jìn)行固定，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上加裝搖臂，當(dāng)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到正下方時(shí)，可以嵌入到儲藏盒后端，能夠起到儲藏盒無法被拉出的效果，以致儲藏盒被鎖定。當(dāng)舵機(jī)搖臂轉(zhuǎn)到正上方時(shí)，搖臂從儲藏盒后端嵌入部分移除，使此儲物盒可以被拉出，當(dāng)用戶在屏幕上點(diǎn)擊取指令時(shí)，并選擇好所取的元器件名稱和輸入所需要的數(shù)量，點(diǎn)擊確認(rèn)取指令，單片機(jī)系統(tǒng)會在內(nèi)部搜索所對應(yīng)的元器件，并尋找所對應(yīng)的元器件位置，通過信號控制打開所對應(yīng)的舵機(jī)，用戶即可取出元器件。取件完成后，放好元器件盒，點(diǎn)擊取完成指令，所對應(yīng)舵機(jī)便可進(jìn)行自動(dòng)鎖存。當(dāng)用戶使用完元器件之后，如果需要再次放入存取柜，那么點(diǎn)擊存指令，然后選擇存的元器件型號和數(shù)量，系統(tǒng)自動(dòng)打開對應(yīng)的存儲盒舵機(jī)，用戶將元器件放入后，歸位元器件盒，點(diǎn)擊存入完成指令，系統(tǒng)自動(dòng)將對應(yīng)存儲盒進(jìn)行鎖定。從而確保使用者存入元器件時(shí)不會放在錯(cuò)誤的儲藏盒里，使得存取元器件能夠規(guī)范，箱體內(nèi)各類元器件數(shù)量能夠得到準(zhǔn)確記錄，某個(gè)元器件數(shù)量不足時(shí)可以得到及時(shí)補(bǔ)充，解決實(shí)驗(yàn)室大量元器件難以管理，以及管理者對開放式實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部元器件數(shù)量難以及時(shí)了解的問題。

2.2 多路舵機(jī)控制設(shè)計(jì)

通過對實(shí)驗(yàn)室元器件種類進(jìn)行調(diào)查，系統(tǒng)采用了16個(gè)儲藏盒，同時(shí)搭載了16塊SG90型號舵機(jī)分別對儲藏盒進(jìn)行鎖定和打開操作，因?yàn)槭褂枚鏅C(jī)數(shù)量多，單片機(jī)直接對舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，會占用大量單片機(jī)資源，此外單片機(jī)引腳數(shù)量有限，因此采用外接PCA9685控制板對16路舵機(jī)進(jìn)行控制，并且只需一塊PCA9685就能同時(shí)控制16路舵機(jī)，單片機(jī)通過IIC協(xié)議與PCA9685控制板進(jìn)行通信，將舵機(jī)需要的PWM頻率、需要控制的舵機(jī)信息和舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度發(fā)送給PCA9685控制板，能夠更簡便地對多路舵機(jī)進(jìn)行控制，PCA9685控制板采用IIC協(xié)議通信，只需要占用單片機(jī)2個(gè)引腳，并且PCA9685控制板內(nèi)置PWM驅(qū)動(dòng)器和時(shí)鐘，無須單片機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送信息，節(jié)省了單片機(jī)資源，使單片機(jī)程序運(yùn)行更高效，避免單片機(jī)直接控制16路舵機(jī)占用大量單片機(jī)IO以及定時(shí)器資源，使串口通信處理信息更加快速。

2.3 串口通信設(shè)計(jì)

通過串口屏顯示實(shí)時(shí)信息，需要串口屏幕將箱體信息、存取操作按鈕、芯片名稱數(shù)量等進(jìn)行顯示。單片機(jī)使用串口1與串口屏幕進(jìn)行通信，接收串口屏幕發(fā)送的指令以及給串口屏幕發(fā)送對應(yīng)的信息，此串口屏幕作為與使用者的交互端，同時(shí)通過單片機(jī)串口2將芯片信息發(fā)送到Wi-Fi模塊。Wi-Fi無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，采用的ESP8266是一款超低功耗的透傳模塊，可以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，因而實(shí)現(xiàn)APP對功能的遠(yuǎn)程控制以及接收數(shù)據(jù)。ESP8266接收到信息后將信息進(jìn)行解碼，提取有效信息，將信息再次發(fā)送到手機(jī)APP，同時(shí)ESP8266接收管理員通過手機(jī)APP發(fā)送的信息，包括增加的某款元器件的數(shù)量等，通過串口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過串口1接收到信息后，進(jìn)行處理后發(fā)送到串口2，與串口屏進(jìn)行通信，將信息發(fā)送到串口屏上。實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP到單片機(jī)和串口屏之間的相互通信。最終實(shí)現(xiàn)：串口屏正常顯示數(shù)據(jù)，單片機(jī)正確處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到指令后正確處理數(shù)據(jù)，以及手機(jī)APP正確收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.4 聲光提示設(shè)計(jì)

通過每個(gè)儲物盒下搭配一顆LED燈珠的方式，采用亮光的方式達(dá)到方便快捷尋找出對應(yīng)元器件的功能，并加入蜂鳴器電路作為提示。當(dāng)用戶在屏幕上選擇某款元器件時(shí)，相對應(yīng)的儲物盒舵機(jī)打開，底部的LED燈珠亮起進(jìn)行提示，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行提示。當(dāng)取完后關(guān)閉儲物盒，在顯示屏幕上按下關(guān)閉鍵，舵機(jī)關(guān)閉，對應(yīng)指示燈熄滅，蜂鳴器同時(shí)發(fā)出提示，表示完成操作，聲光提示可以方便使用者快速在多種元器件中尋找到自己所需要的元件。

3 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，用PCA9685芯片作為單片機(jī)的控制芯片，使用了7寸TJC8048X270_011屏幕作為本設(shè)計(jì)的人機(jī)交互屏，配備聲光提示功能，使用蜂鳴器和16顆LED燈珠，同時(shí)使用ESP8266模塊與手機(jī)APP進(jìn)行通信，整體電路如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包含單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，Wi-Fi模塊程序設(shè)計(jì)，串口屏程序設(shè)計(jì)及UGI頁面設(shè)計(jì)，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)包括對通過IIC通信協(xié)議對PCA9685芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸從而對舵機(jī)進(jìn)行控制，通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)給串口屏和Wi-Fi模塊。Wi-Fi模塊程序設(shè)計(jì)包括處理來自單片機(jī)和手機(jī)APP的信息。系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

單片機(jī)控制產(chǎn)生50 Hz波程序如下：

void setPWMFreq（float freq）

{uint prescale，oldmode，newmode;

float prescaleval;freq *= 0.92;

prescaleval = 25000000;

prescaleval /= 4096;

prescaleval /= freq;

prescaleval -= 1;

prescale = floor（prescaleval + 0.5）;

oldmode = PCA9685_read（PCA9685_MODE1）;

newmode = （oldmodeamp;0x7F） | 0x10; // sleep

PCA9685_write（PCA9685_MODE1， newmode）;

PCA9685_write（PCA9685_PRESCALE， prescale）; r

PCA9685_write（PCA9685_MODE1， oldmode）;

delayms（2）;

PCA9685_write（PCA9685_MODE1， oldmode | 0xa1）; }

控制舵機(jī)關(guān)鍵代碼為（部分）：

setPWMFreq（50）; //設(shè)置50hz

UartInit（）;//初始化定時(shí)器和串口

init（）;//舵機(jī)復(fù)位

switch（receiveData）{

case 0x01： setPWM（0， 0， no）; break; //控制0號舵機(jī)開關(guān)

case 0x02： setPWM（0， 0， off）; break; //控制0號舵機(jī)開

case 0x31： setPWM（1， 0， off）; break; //控制1號舵機(jī)關(guān)

case 0x32： setPWM（1， 0， no）; break; //控制1號舵機(jī)開關(guān)

case 0x31： setPWM（2， 0， off）; break; //控制2號舵機(jī)關(guān)

case 0x32： setPWM（2， 0， no）; break; //控制2號舵機(jī)開關(guān)

case 0x31： setPWM（3， 0， off）; break; //控制3號舵機(jī)關(guān)

case 0x32： setPWM（3， 0， no）; break; } //控制3號舵機(jī)開關(guān)

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

系統(tǒng)最終呈現(xiàn)形式如圖4、圖5所示，串口顯示屏位于箱體正前方，箱體有多個(gè)存儲盒，每個(gè)存儲盒下方有1個(gè)LED提示燈，每個(gè)存儲盒后方有一個(gè)舵機(jī)，起到開關(guān)鎖功能，同時(shí)顯示屏幕上有元器件按鈕，按鈕是依據(jù)實(shí)際位置進(jìn)行編排。

測試中，分別對舵機(jī)能否正常開關(guān)鎖以標(biāo)號A表示，通過對串口屏輸入指令，箱體執(zhí)行操作是否正常以標(biāo)號B表示，單片機(jī)與手機(jī)APP和串口屏數(shù)據(jù)傳輸是否正常以標(biāo)號C表示，每次測試5次，每五次為一組，共測試5組，結(jié)果如表1所示。

通過測試結(jié)果可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、串口通信及數(shù)據(jù)傳輸一切正常。使用便攜程度的調(diào)查結(jié)果也顯示實(shí)驗(yàn)室管理員和實(shí)驗(yàn)者對此形式元器件柜表示滿意。

5 結(jié) 論

開放式實(shí)驗(yàn)室電子元件存取柜是一款基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能化元器件管理系統(tǒng)，其采用了LED指示燈，可以幫助使用者快速找到所需元器件，大大提高了使用效率。同時(shí)，通過舵機(jī)開關(guān)鎖儲物盒和串口屏幕進(jìn)行人機(jī)交互，能夠規(guī)范管理者使用元器件，避免元器件的損壞和丟失，同時(shí)還能正確統(tǒng)計(jì)所剩元器件的類目，方便管理員進(jìn)行管理。

此外，系統(tǒng)還采用了Wi-Fi技術(shù)，將信息發(fā)送到手機(jī)APP，方便管理員隨時(shí)隨地進(jìn)行管理。管理員可以通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看元器件的使用情況和庫存情況，及時(shí)補(bǔ)充和調(diào)整元器件的存放位置，確保元器件的充足和有序。這種智能化管理方式，不僅提高了管理的效率和準(zhǔn)確性，還能夠節(jié)省管理員的時(shí)間和精力，提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平和元器件的使用率。

經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)表現(xiàn)效果良好。未來，我們將繼續(xù)完善系統(tǒng)的功能和性能，不斷提高其穩(wěn)定性和可靠性，為高校開放式實(shí)驗(yàn)室的管理和教學(xué)提供更好的支持和服務(wù)。

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作者簡介：王高樂（2002.06—），男，漢族，山東聊城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程；袁吉秀（2003.01—），女，漢族，山東泰安人，本科在讀，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程；邸世光（1977.09—），男，漢族，山東德州人，助教，本科，研究方向：電子信息工程；張力（1978.07—），女，漢族，山東德州人，助教，本科，研究方向：電子信息工程。

收稿日期：2023-08-14

基金項(xiàng)目：德州市大數(shù)據(jù)與智能感知技術(shù)工程研究中心項(xiàng)目；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（X202213857055）

Open Laboratory Electronic Component Access Cabinet Based on

51 Single-Chip Microcomputer

WANG Gaole， YUAN Jixiu， DI Shiguang， ZHANG Li

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou 253034， China）

Abstract： Aiming at the management problem of electronic components and the access problem of students in the open laboratory of colleges and universities， an electronic components access cabinet is designed. It contains the upper end and the access end. The upper end connects the access cabinet with the mobile phone through Wi-Fi module， and sends the information and quantity in the chip cabinet to the mobile phone. The access end enables the user to select the required components through the serial screen， the actuator unlocks the corresponding storage box， and the prompt light of the corresponding storage box is on to facilitate searching for the required components. It standardizes the use of user， not free to take or put. At the same time， it is convenient for the manager to manage the laboratory， and the insufficient components can be found and supplemented in time among hundreds of components， so as to meet the normal conduct of the experimenters' experiments.

Keywords： Single-Chip Microcomputer; Internet of Things; chip cabinet; laboratory; wireless communication