基于单片机的智能储存柜的设计
1绪论1.1课题研究背景及意义
存储柜是在公共场合十分常见的设备，一般分为机械式和电子式两种。机械式存储柜采用的是传统的机械锁构架，使用者凭借提供的钥匙开关储存柜。这一系统的缺点非常明显，如果钥匙丢失，不仅使用者自己无法打开储存柜，还可能导致使用者的物品被他人取走，储存柜的管理人员还要给该柜更换锁具。而如今最常见到的电子式储存柜采用的还是条形码或密码纸方式，这样一来，虽然在便利性上有了一定的提高，但在安全性上依旧没有根本的提高。条码纸也可能会遇到一些问题，如丢失和损坏。而且由于使用了打印机和卷筒纸等耗材，使得成本和维修频率进一步增高。
本次设计将指纹识别这项生物识别技术使用到了存储柜之中作为密码凭证之一，大大增加了储存柜的安全系数，用户不必再担心凭证丢失，提高了用户存储包裹的体验。指纹是我们手指的的特征，属于人体的结构，不存在丢失和遗忘这种说法。随着指纹采集设备处理速度的不断进步，用户的存储包变得更加方便快捷，大大降低了系统的使用和维护成本，尤其是小型化的指纹识别系统，待机功耗非常低，不使用消耗性元器件和资源，符合我国倡导的低碳环保的趋势和理念，在存放贵重的物品时还需要进行多重密码的验证，实现多级化管理，进一步提高安全性，在密码或者指纹不匹配会报警提醒。当前疫情的形式下，储物柜还拥有自动消毒功能，当用户取出物品后系统会自动对储存柜进行消毒，让下一个用户能放心使用，加上语音交互功能将带给用户更好的体验。
1.2国内外研究现状
1.2.1 国外现状
1964年，日本Alpha公司开始与美国flexible公司进行技术合作和研究，它们在日本新宿汽车站投放使用了他们的首批产品，这次的产品是一款采用投币的存储系统。1995年，alpha开始生产带有RFID的智能存储柜。2001年，他们开始在日本生产和销售第一批电池指纹锁储物柜。2009年，日本仙台站首次引入“免费集装箱提示系统”，可以实时确认站内集装箱是否免费。从alpha的发展历史可以看出，作为日本最大的储物柜销售研发公司，alpha于1964年首次在公共场所使用，frid于1995年启动，指纹识别于2001年应用于储物柜。总的来说，阿尔法多年来一直在技术上领先中国。智能储物柜的使用场景大多出现在地铁站、街道、机场、超市、游乐园等流动性大的公共场所。为需要临时存储的客户提供存储和保管服务。一般是有偿使用，各地价格不一。根据使用储物柜空间的不同，以及储存物品体积的不同价格也有所不同。在不同的场合和地段价格也不一致，在地铁和火车站一般为400日元，在社区和街道一般为200日元，而在机场一般为500日元。
日本的智能储物柜有很多功能，大部分都有以下功能：
实现RFID功能，用户可以通过手机远程了解橱柜的使用现状和剩余情况，用户可以方便地从移动终端进行查询；
可与“西瓜卡”（日本国家公共交通卡）捆绑使用，实现支付和用户认证功能。
在美国和欧洲一些国家，由于智能存储柜便于系统管理和控制，以及节省了大量的人力，且实现了和网络管理系统的联网，所以十分的受欢迎。英国生产的HSD过程管理储物柜已经十分的普及，但该设备太过的复杂，且生产出来后不能根据使用环境的变化进行扩展，有较为明显的缺陷。
2018年，Gaurang Panchal和Debasis Samanta在期刊中提出了基于指纹生物识别的加密密钥生成及其在存储安全应用中的一种新方法，以确保存储安全遵循生物识别注册，密钥绑定，安全草图，模糊保管库或模板存储以及用户密钥。使用基于阈值的比较或错误计算来验证用户。生物识别数据或密钥的存储使系统面临威胁。此外，用户验证机制可能不准确，因为阈值选择具有挑战性，提出了一种用于存储设备的新的代码方式。
2019年，East LLC提出创建和维护生物识别安全储存箱及类似容器和设施的系统、方法和设备，并且在同年申请了专利，该专利将更多更先进的生物识别技术运用于存储设备，用于更高级别的物品存放与保护。
1.2.2国内现状
国内于1997年，由北京沃瑞尔电子有限公司首先提出了结合条形码技术的电子存包柜，用户使用这类存包柜存包时，系统会打印出一张含有用户存包柜号信息的条形码纸。用户取包时，直接通过扫描条码纸就能打开相应的存包柜。这种储存柜解决了使用密码存包带来的密码容易被窃取问题，存取包操作也比较方便快捷，但是由于内部使用的打印部件及打印纸需要经常进行加墨和维护，使得存包柜的后期维护成本较高。
2003年伴随着生物特征识别技术的兴起与研究，指纹识别的技术得以应用于存包系统。刘云桥、赵理提出了一种基于指纹的保管柜系统，但是该系统是基于台式PC的，以致系统的成本过高而得不到普及。
2006年，马洪文在设计基于单片机的自动存储系统时，提出了基于AT89C51单片机的软件设计方法与硬件设计方法。通过外接8255芯片、微型打印机及字符点阵式LCD、反射式红外传感器,键盘专用芯片74C922,限位开关及继电器阵列实现了人机交互能力强、简洁可靠的设计目的，虽然键盘布局变得更加简单，但是依旧使用了打印机和老式的点阵式按键，还有很大的改进空间。
2008年，结合指纹识别技术的发展陈岁生、卢建刚两人提出了基于指纹识别技术的存取柜系统的设计与改进方案，该方案由于需要上位机的介入，导致结构比较复杂，并且最多只能控制20个储存柜，当需要控制更多储存柜时，控制芯片和指纹采集器都需要扩展，导致成本过高。
2009年，张先震、黄山、李宁、李秀君提出了自动储物柜控制系统设计的方案，该方案系统由中央控制与门控部分两部分组成,中央控制由微机构成,包括储物柜状态界面和控制界面;门控部分用AT89C52单片机作为主控芯片,辅以相关的键盘、显示、语音、条码扫描及条码打印电路,采用了串口通讯的方式将主控芯片与其他子功能模块连接在一起。系统能够实现语音提示、LCD同步显示、对条形码数据进行扫描,并将其结果通过译码电路进行识别、自动产生一组随机数据并将其转化为条码打印出来等功能。
2011年，熊成在硕士论文中提出了基于DSP的指纹存包系统的设计，该系统融合了指纹识别技术与嵌入式DSP技术。该系统的指纹图像特征信息经过压缩后，占用的存储空间可以减少到几十个字节到几百个字节，因此可以和其他的生物特征识别技术结合，灵活地构成各类系统。该系统可以十分灵活的进行多种功能的扩展，还可以根据需求扩展更多单元格的储存柜。该系统与基于单片机的储存柜系统相比，虽然可以扩展更多的功能，但是其消耗的功率也成倍的增加。
2014年，闫利超、邸金红提出了一种基于单片机的自动存物柜的设计方案，以STC89C52为核心，3*4矩阵键盘为输入的方式,LCD1602液晶显示器为显示屏,用LED灯的亮和灭来模拟存物柜的开启与关闭状态,采用外部中断扫描方式生成随机口令来确认和显示,从而实现存物柜的自动存取功能。该设计在存物时会生成随机随机密码，取物品时输入随机生成的密码后才能开启柜门，该系统不但需要记住所生成的随机密码，在忘记随机密码时还存在物品取不出来的问题，缺点十分的明显。
2015年，郁美霞在硕士论文中提出开发一套基于校园一卡通的智能储物柜系统。本系统采用射频读卡设备采集校园卡信息并发送给上位机监控系统，监控系统通过访问学校信息中心校园卡信息数据库进行比对。拿东西的时候，不仅要刷卡，还要输入自己设置还好的密码，该系统的优势是实现了多极化分层管理，但缺点也十分明显，该设计中只是用校园卡替代了传统的钥匙，还是会出现遗失甚至是盗用的情况，安全性较传统的储物柜并没有明显的提高。
2017年，在设计学校储存系统的进程中，张荣娟提出了在学校现有校园卡的基础上开发智能存储系统这一方案。由于校园卡原本就带有射频标签，只需要在存储系统系统中加入射频技术即可，这样在成本不高的基础上就能使整个存储系统变得简单方便。但是安全性过低，开柜门仅仅只需要校园卡，当校园卡遗失或被盗用后，柜门可十分轻易的被打开。
2019年，吕晓颖提出电子超市自动存储柜设计与制作方案，该存储系统的设计方案中同样也是基于单片机所完成的，该方案的核心控制部分为STC89C52单片机，并且在实验调试过程中使用了5个存储柜搭建的实验环境。存放物品时,会产生4位随机密码,把存储的东西放置好后,液晶显示屏上显示FULL,表示已使用该存储柜,相应的指示灯亮。当需要从储物柜中取出物品时，需要提供之前存物时所给出的密码凭证。当密码凭证匹配通过时，会将之前存物的柜门打开，并闪烁于柜号相对应的信号灯，还会在人机交互界面上标出当前的空柜。此装置具有存取功能,能显示存储柜状态,并可以异常报警,具有常规的存储柜所具备的存储功能。但需要时刻记住生成的随机四位数密码，在使用的便捷性上稍显不足。
2020年，陈赓、刘志壮、廖子涵等人提出了指纹存取储物柜的设计方案本方案设计的是一种基于STM32单片机的存储柜。该系统由STM32单片机、as608指纹模块和电阻式触摸屏组成。用户可以通过触摸屏选择菜单输入指纹，避免了传统存储柜使用条码打印纸时因条码丢失而造成的资源浪费和不便及安全隐患。
1.2.3研究现状综述
综合以上的叙述,采用条形码的电子储存柜安全性不高，且需要定期添加纸张和墨水，缺点十分明显。而采用射频识别技术的储物柜，当开柜门的卡片遗失或被盗用后，柜门可十分轻易的被打开，安全性过低。在科学技术飞速发展的今天，人们的固有特征被当作打开储物柜的凭证，在许多场合取代了条形码和刷卡，很大程度上增加了便捷性与安全性，在对比上述两类储存柜的缺点并考虑到当前的疫情形式，本文研究与设计了一款具有显示提示信息、蜂鸣器报警、指纹识别、自动消毒、语音播报以及多级密码管理等多种功能的智能储存柜系统——基于单片机的智能储物柜，本系统提出了一种低成本、低功耗、功能强大的智能储存柜系统的设计方案。
1.3设计主要内容
本文设计一种以指纹识别技术、语音提示技术为核心的智能储存柜系统，使用户储存东西更加方便简洁，提高了安全性、可靠性。采用单片机为主控，经过AS608光学传感器、按键（轻触开关）配合进行用户使用，定制的语音芯片、LCD1602和蜂鸣器达到人机交互的作用。在这里使用继电器模拟存储柜的开关、LED灯模拟消毒系统。
2系统总体方案设计
2.1 系统结构设计
系统的设计主要由下列部分组成。单片机主控模块采用采用STC89C52单片机，指纹模块、按键模块为外部输入部分，电源模块单独组成外部供电部分，经过单片机进行数据分析与处理，继而控制整个系统运行，将提示信息显示到显示模块上，并实现语音播报，密码错误时通过报警模块响应。用继电器来控制储存柜柜门的开启和关闭的状态，当用户取出物品后系统会对储存柜自动消毒系统结构框图如图2.1所示。
2.2系统硬件的选型
2.2.1单片机的选型
现有的单片机种类很多，在这里列举如下：
英特尔公司的MCS-51系列单片机已经形成了一系列经典而又不乏生命力的单片机。许多半导体厂商、电器公司以8051为基本核心，推出了一系列兼容CHMOS的微控制器——80C51系列微控制器；
Microshipd的主要产品是pic系列8位MCU。这一系列的单片机在抵抗干扰能力以及运行的速度上都有良好的表现。并且该系列产品的种类丰富齐全，价格也相对比较低。
ST意法半导体公司生产以AMR内核的STM32单片机,32位单片机外设丰富，功能强大；
Texas Instruments公司开发生产的单片机主要用于能耗不大的场所。该公司MSP430单片机为经典系列，是一种能耗功率极小的单片机
根据控制要求和设计的需求，以及方便设计开发，使用最为成熟的单片机，在这里所使用的型号为STC89C52RC单片机。该单片机使用简便，网上资料齐全，遇到难题都可查询翻阅到。大大减少了设计难度。系统控制使用到的I/O端口不超过26个，从设计的成本和要求，STC89C52RC这款单片机足以胜任，性价比高。因此方案选择这款单片机。见图2.2STC89C52RC。
2.2.2指纹模块的选型
指纹传感器，是一种特殊的传感器件，分为光学指纹传感器和半导体指纹传感器。想要采集指纹特征，指纹传感器是必不可少的。
方案一：光学指纹传感器。光学指纹识别是最早的指纹传感器，它通过光的全反射（FTIR）来采集指纹的表面纹理图像。通过手指触摸棱镜表面，LED提供恒定光源，图像由电荷耦合器件集成电路采集；
方案二：半导体指纹传感器。半导体指纹传感器采集指纹特征的原理是利用电容和电场的变化，以及温度和压力的变化等一系列物理量的采集来实现的。
光学指纹模块的成本相对较低。与半导体指纹对比，光学指纹传感器耐磨性好；而半导体指纹锁在干湿手的适应性和防伪能力方面更具优势。在识别速度方面，半导体指纹头也优于光学指纹传感器，但是本设计要求可以识别指纹即可，在成本上考虑选择方案二。见图2.3AS608光学传感器。
2.3 AS608光学指纹传感器
2.2.3显示模块的选型
根据系统的要求，以及功能的实现，能够准确显示实时的数据，使操作简单，界面人性化。在这里我们有很多的选择：
方案一：液晶LCD1602显示器。液晶LCD1602显示器数据连接单片机的形式有8位和4位。在占用I/O口上不多不少而且成本低，满足了显示多个数据，在软件驱动上简单。
方案二：数码管。数码管是一种能显示数字及其它信息的电子显示装置。但是数码管占用的I/O口多，一次性显示的数据需要多个数码管，这和系统的要求不一致。
方案三：OLED显示屏。OLED显示屏功耗小，体积小，占用I/O口少，分辨率为128x64，尺寸有0.96、1.3寸。满足显示多组数据，但是增加了系统的成本以及软件编程的难度。
在这里选择方案一。见图2.4LCD1602液晶显示器。
图2.4 LCD1602液晶显示器
2.2.4报警模块的选型
根据设计要求，指纹和密码输入错误时需要有报警提示，那么可以选择单片机驱动蜂鸣器。对于蜂鸣器的选择有俩种方案。
方案一：有源蜂鸣器。当用直流电流信号时可以驱动其内部的震荡源。成本较无源蜂鸣器会高一些，但是符合本设计。
方案二：无源蜂鸣器。当使用直流电流信号时，内部振荡源无法驱动，成本比较低，但是在本设计中使用的是直流信号。
因此选择方案一。见图2.5有源蜂鸣器。
图2.5 有源蜂鸣器
2.2.5按键模块的选型
根据系统的要求，需要外部触发给系统，实时显示按下的数字，能够及时反映，那么按键的选择也分很多种。
方案一：电容式按键。电容按钮的工作原理是测量面板在被触摸时，会改变线路中的电容，从而检测是否导通。当人的手指接触时，会有一定的电容，形成电容板的一极，电容的另一极是PCB板的铜片，这种按键使用寿命长，产品美观。但是这种按键使用成本高。
方案二：接触式开关。触摸按键开关主要是指按键开关，又称触摸开关。接触开关是一种电子开关器件，属于电子元器件的范畴。它最早是在日本被设计出来的，被称为[敏感开关]。使用时，可按开关操作方向合上，以满足操作力的条件。卸下压力后，开关将断开。其内部结构是通过金属弹片的受力变化来实现的。其接触电阻小，手感好，并伴有“嘀嗒”的清脆响声。
在这里选择方案二。见图2.6按键模块（轻触开关）.
3硬件系统设计
3.1系统总体设计
根据系统结构图展开，设计硬件电路见图3.1系统电路图，本设计的硬件部分由主控电路、按键电路、指纹传感器电路、显示电路、蜂鸣报警器电路、语音播报电路、自动消毒电路、继电器电路、供电电路、3.3V稳压电路以及串口下载电路11部分电路组成。
3.2主要硬件电路设计
3.2.1核心控制电路设计
STC89C52RC的最小系统必不能缺少电源、时钟、复位这些部分。电源、时钟等电路是最小系统不可缺少的，而最小系统又是整个设计的系统关键控制部分。通过内存扩展、a/d扩展等方式，单片机可以完成更复杂的功能。
（1）电源电路。单片机多数都是3.3V、5V供电，一般都在VCC和GND处并接一个10uf、0.1uf的电容用来滤波稳定电源信号。本设计用的到单片机是5V供电。稳定的电源信号能够提供单片机稳定的工作环境以及确保单片机正常工作。
（2）时钟电路。单片机中有一个自激振荡电路。只要将单片机的xtal1（18）引脚和xtal2（19）引脚与晶体振荡器（简称石英晶体）连接，这样就能构成自激振荡器，从而能够产生出时钟脉冲信号。
（3）复位电路。当STC89C52单片机的RST引脚引入高电平，并能维持两个机器周期时，单片机将进行复位操作。如果引脚持续保持高电平，MCU将处于循环复位状态。复位电路的功能是确保微控制器在启动时处于初始状态。
最小系统电路图见图3.2。
图3.2 主控电路图
单片机引脚功能见表3.1：
表3.1 单片机引脚功能
引脚名称功能VCC芯片电源，接+5VGND接地端RST复位信号输入XTAL1,XTAL2晶振的输入和输出P0.0~P0.7IO引脚，需接电阻到电源P1.0~P1.7普通IO引脚P2.0~P2.7访问外部存储器时，做高8位的地址使用P3.0~P3.7IO引脚，也可做地址位，有第二功能
3.2.2按键电路设计
本设计需要12个按键，因此首先排除了12个独立按键，占用了大量的MCU I/O端口资源。可以选择3x4矩阵键，12个键可以排列成三行四列。在第一行中，每个键的一端连接在一起，形成行的线条形式。在第一列中，每个键的另一端连接在一起，形成列的线条形式。这样，就有三行四列，一共有七行相连。将7根导线连接到单片机P2口的7个I/O口上，通过扫描键盘可以准确检测出12个按键。合理利用了单片机资源，如图3.3矩阵按键电路。
3.2.4显示电路设计
本设计采用的液晶LCD1602显示屏额定工作电压为5V，自带光源在无外界光源照明的情况下也可正常使用。但不能显示汉字等复杂的字符，能显示字符的范围也只有两行。数据连接1602一般有俩种方法，一种是8位数据库并行连接，另外一种是高四位连接，本设计使用第一种方法。除了连接数据传输口和供电脚外，还有RW （读/写脚）、RS（命令/数据脚）、E（使能脚）、V0（液晶显示对比度调节端），如图3.5 LCD1602显示电路。
4系统软件设计
4.1主程序流程图
软件按照C语言的模块化设计。首先需要完成主程序的初始化，然后设置各相关模块的标志位。如果设置的缓冲区指示需要处理相应的程序，则主程序立即分配相应处理子模块的程序。然后对相应模块的驱动程序进行了集成和调试。主程序流程图如图4.1所示。
在开始后首先根据用户的选择判断是存物还是取物：
当判断为存物时，先显示待存入的柜号（在实物制作过程中，我将设置1到3号三个柜子），柜子的使用优先级将依次递增，如存入优先使用1号柜，在1号柜已经存入时才会选择存入2号。在给用户分配待存入的柜号后，根据用户选择判断存入是否为贵重物品。判断为贵重物品时，用户先使用按键设置六位数密码，然后录入指纹信息，完成取物凭证的保存。判断为非贵重物品时，用户只需使用按键设置六位数密码即可完成取物凭证的保存。在完成好凭证的保存后，将控制继电器动作打开柜门并伴随有语音提示柜门打开，用户存入物品后语音提示关闭柜门。在关闭柜门后，完成存物，流程结束。
当判断为取物时，语音提示输入密码。在验证密码与指纹后，如验证不通过，显示屏显示错误并语音播报错误，返回验证之前状态。验证通过时，继电器动作打开柜门，并伴有打开柜门的语音提示。用户取出物品后，语音提示关闭柜门。关上柜门后，完成物品取回，流程结束。
主函数部分程序如下所示：
资料包括：
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