基于单片机STC89C52的雨伞借用机设计

刘 煜 金冬冬 毕 墨 金珍珍

（台州职业技术学院，浙江 台州 318000）

基于单片机STC89C52的雨伞借用机设计

刘 煜 金冬冬 毕 墨 金珍珍

（台州职业技术学院，浙江 台州 318000）

介绍了基于单片机STC89C52的雨伞借用机的设计，基于公共自行车的设计理念，避免了突降大雨忘带伞的麻烦，为校园的教师、学生等出行提供了便利，也适用于其它的公共设施。设计以单片机STC89C52为控制核心，PN532非接触式射频读写卡芯片为信息采集单元，控制步进电机来实现伞锁的开启和闭合，设计简单，为校园带来人性化的学习和工作环境，具有一定的市场应用前景。

雨伞借用机；单片机STC89C52；PN532；步进电机

1 引言

日常生活中，天气变化莫测，天气预报往往不能准确预报天气状况，给人们的出行带来极大的不便。现如今在很多超市、商场及一些公共设施也有雨伞借用等措施，但用完还得及时归还原处或者有一定的使用条件，给人们的使用带来了一定的麻烦。对管理者来说，遇到一些故意不还的借伞者，会给管理者带来一定的经济损失。如果能像公共自行车系统一样，在各建筑群中建立雨伞借用设施，只要刷卡，人们就可以随时借用雨伞来应付复杂的天气，到家门口时可以在楼道及时归还雨伞，那将会是极大的便利。基于上述理念，提出了基于单片机STC89C52的雨伞借用机的设计，小范围地适用于校园区域，便于学生和老师上下课的使用，通过技术升级，同样适用于各公共场所、企业和酒店等场所。

2 总体设计方案

根据雨伞借用机的功能，它必须具有刷卡识别功能、信息读写功能、锁伞和解锁功能、报警功能。因此在硬件设计中需包括电源模块、刷卡模块、智能锁模块、单片机核心模块、报警模块。组成框图如图1所示。

图1 雨伞借用机的总体结构

系统选用STC89C52单片机作为主控制器，选用PN532芯片作为非接触式读写芯片，通过刷卡模块读取卡主姓名、卡号、借还车等信息，并利用单片机STC89C52来更改借还信息，控制电机的正反转来实现借伞还伞功能，对于借伞还伞成功或失败等行为给以相应的声音提示。电源模块主要是为其他模块提供所需电源电压，产生12-24V电源以及5V电源。

3 硬件设计

3.1 读卡模块

读卡模块主要采用PN532芯片，该芯片是NXP公司推出的一款低电压、体积小、成本低、高度集成的非接触式读/写卡NFC芯片。它包含80C51微控制器内核，集成了13.56MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议，最远距离可达10cm。支持主机接口：SPI接口、I2C接口、串行UART，具有灵活的中断模式。

PN532芯片采用40脚的HVQFN封装。单片机STC89C52通过PN532芯片完成对卡片内存储器的读写，完成卡内借还车信息的实时读取。PN532复位后通过控制引脚上的逻辑电平识别微控制器指令，PN532芯片收到单片机发送的命令后，根据非接触式射频卡协议格式通过天线及其匹配电路向附近发出一组固定频率的调制信号（13.56 MHz）进行读写卡片，有HUS（全双工串行总线）、I2C（双线式串行总线）和SPI（串行总线）三种通信方式可供选择[1]。本系统设计选用STC89C52作为控制芯片,采用SPI通信方式。PN532模块电路主要由PN532芯片及其匹配天线和总线接口电路组成。

它的功能框图见图2和图3。

图2 卡操作模式

图3 读写器模式

该模块主要实现读取卡主的姓名、卡号、借还伞等信息，当有借还伞状态时，实时对数据进行更新。

3.2 电子锁模块

电子锁模块主要通过步进电机的正反转来控制锁舌，从而实现电子锁功能。

在工业控制系统中，通常要控制机械部件的平移和转动，这些机械部件的驱动大都采用直流电机、交流电机和步进电机。其中，步进电机最适合数字控制。由于电子锁模块中需要靠电机转动一定的角度来开启机械锁来取出雨伞或是转动一定角度来关闭机械锁达到锁伞功能，因此在设计中在电机选择上采用步进电机。当步进电机的驱动器收到一个驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度，可通过控制脉冲的个数控制角位移量，实现准确角度定位。

设计中采用ULN2803来驱动单极步进电机运行，步进电机励磁序列通过单片机STC89C52输出。ULN2803是高电压大电流达林顿晶体管阵列，该阵列中的8路达林顿晶体管是低逻辑电平数字电路与高电压大电流设备（如继电器、电机、灯泡等）接口的理想器件[2]。单片机与步进电机的连接图见图4所示。

3.3 报警模块

模块主要通过有源电磁蜂鸣器发声来实现报警功能。当卡片故障或是无效卡时，发出长报警声，当正常借出或归还时，发出短声。单片机I/O引脚输出的电流较小，输出的TTL电平驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大电路，这里使用一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。当单片机的P2.0引脚输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当单片机的P2.0引脚输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器电流形成回路，发出声音[3]。蜂鸣器的音调不同可通过单片机引脚P2.0输出频率不同的信号来实现。报警电路的原理图如图5所示。

图4 单片机与步进电机的连接电路图

图5 报警电路图

4 软件设计

图6 主程序流程图

系统软件主要完成自助借、还伞等功能，具体流程图如图6所示。当系统刷卡机检测到有卡靠近时，首先判断这张卡是否为通用的借伞卡，如果是，判断卡是否处于未借伞状态，如果是，则开有伞锁进行借伞扣钱，同时锁伞检测无伞则借伞成功。如果判断卡为已借伞状态的话，则进入还伞状态，开无伞锁，并检测是否有伞进入，若有则还伞成功，若无则不成功。当借伞超过一定时长，借伞卡会进入锁死状态，冻结里面的费用，只有到数据管理中心解锁才可以继续使用，数据管理中心负责整个系统借伞卡数据库的建立、维护和管理[4]。

4.1 步进电机程序设计

单极4相步进电机共有3种励磁方式：单4拍、双4拍、8拍。本设计中为了能够让电机转动角度更加精准，采用8拍的励磁方式，表1是单极4相步进电机8拍的励磁方式。

表1 步进电机的8拍励磁方式

根据表1，当步进电机正转时，励磁序列为A-＞AB-＞B-＞BC-＞C-＞CD-＞D-＞DA；

当步进电机反转时，励磁序列为AD-＞D-＞CD-＞C-＞BC-＞B-＞AB-＞A-。因此可把以上序列放在不同的数组中，正转数FFW{}={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09}；反转数组REW{}={0x09，0x08,0x0C,0x04,0x06,0x02, 0x03,0x01}。假定步进电机的步进角为180o，在四相8拍方式下，每拍步进角度为90o，每输出一遍8字节的励磁序列数组时，电机共步进720o[2]。在实际设计时就可以根据电子锁舌的角度需要在程序中进行设置。

4.2 读写卡程序设计

读卡模块主要是识别卡片、读取卡片内的数据并对数据进行实时更改等操作。读写卡程序的流程图见图7所示。

图7 读写卡流程图

5 总结

本系统在社会和市场上都具有一定的应用前景，它可以解决日常生活中常见的突遇下雨无伞可借的窘境，而且整个系统管理比较简单，若进一步与校园卡结合，使用起来也会更加方便快捷，也是实现智能化校园的重要环节。

[1]王蓬，曹卫锋，宋寅卯，等．基于PN532的自助收费式饮水机控制系统设计[J]．物联网技术，2016(2)：9 7-9 9．

[2]彭伟．单片机.C语言程序设计10 0例-基于8051+Protues仿真第2版[M]．北京：电子工业出版社，2015．

[3]冯博，王丽娜．项目式51单片机技术实践教程（C语言版）[M]．北京：电子工业出版社，2015．

[4]钱浩，陈建波，黄建宁，等．校园公共雨伞自助借还系统[J]．科技视界，2016(6)：7 9．

The Design of Umbrella Renting Machine Based on SCM STC89C52

Liu Yu Jin Dongdong Bi Mo Jin Zhenzhen
(Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,Zhejiang)

This article introduces the design of umbrella renting machine based on SCM STC89C52 with the bike’s design concept,in order to avoiding the trouble of sudden heavy rain if people forget to bring their umbrellas,providing convenience for teachers and students in school.It also applies to other public facilities.The design uses SCM STC89C52 as controller,PN532 contactless RF card as information acquisition unit.It controls the stepping motor to achieve the opening and closing of the lock.The design is simple,bringing personalized learning and working environment of the campus with certain applications.

The umbrella renting machine；SCM STC89C52；PN532；stepping motor

TP368.12

A

1008-6609(2016)10-0016-03

金珍珍（19 8 2-），女，浙江台州人，硕士，讲师，研究方向为电子电气教学及应用。

大学生科技创新项目：雨伞借用机的设计与制作，项目编号：2015D K C 18。