基于单片机的智能快递货柜的设计

韩晶晶

（山西工商学院计算机信息工程学院 山西省太原市 030006）

在当下的发展中，快递市场已经在发展中形成了三级市场的分化和细化，以此形成外资、国有以及民营这三种不同的经营区块。其中民营的快递企业在发展中，所提供的各种传统邮政服务，并不符合当下的商业发展，在包裹的递送过程中，采用的门对门的运输方式，这样灵活的运作机制，成本投入的相对也较低，深深的受到人们的喜爱。

1 研究背景

在当下经济高速发展的背景下，使得各大快递都进入到了中国市场当中，而民营的企业也不断的出现，以此形成了竞争较为激烈的市场竞争情况。其中智能快递箱的研发，正是在这样较为激烈的背景下，出现的一种自助快递的服务设备。在快递到智能快递箱之后，收件人就可以通过取货码的识别，以此让其进行自主的取件，由于并不需要人工的参与，使得极大的提升了取件的安全性和准确性。另外，这种智能快递箱的研发，使得直接改变了人们的日常习惯，成为高效率的快递方式。

在工业4.0 时代到来之后，使得市场当中出现了越来越多的智能化的机器人。在智能快递机器人的基本理论上，使得极大的推动了当下快递行业的发展。伴随着信息技术的普及，让人们在智能快递箱的研发上有着良好的技术基础。但是，为了能够更好的推动当下快递行业的发展，就需要研发出一套高效率的智能快递箱的系统，本文的研究中，主要基于单片机的智能快递货柜进行设计与研究。

2 系统总体设计方案

在本文的设计中，其智能快递机器人的控制系统设计上，主要由硬件与软件这两个部分所构成。其中主控模块直接控制硬件。而在软件部分，则是由红外寻迹程序所构成。

在该系统的设计中，其硬件上主要由系统时钟、矩阵按键、蜂鸣器、GSM 模块、电控锁快递箱等设备构成，并基于单片机为最小的控制系统，在实际的使用中，快递员就可以利用键盘进行开锁，同时也可以利用键盘进行短信息的发送，同时用户可以进行取件。在这种系统的设计中，输入的密码以及取件码的识别，都需要单片机进行密码的判断。在密码或者取货码正确的情况下，箱门就会自动打开，顺利完成取件。

3 设计方案重难点与关键技术

3.1 难点

在进行矩阵键盘的设计中，需要对验证码，或者对11 位的手机号进行输入。同时，还需要对取件人的号码，利用GSM 模式，实现自动的取货码发出。而在输入完成了验证码之后，则需要让单片机控制电锁箱，进行准确的打开箱子。

3.2 关键技术

首先在单片机与GSM 模块的接口电路设计中，要设计出合理的GSM 网络的短消息发送程序。而在外部存储设备与单片机的设计接线位置，需要实现信息的必要写入与保存。在验证码方面，要形成生成、记录、核对与消除功能。而在单片机的内部程序编制过程中，则要保障对各个界面能够实现顺利的切换，这样的操作中要保障精简效率较高。

最后在用户的输入模块设计中，则要尽可能的降低需要进行的按键需求，这样才可以充分的满足输入方面的设计需求。

4 硬件设计

在本文的分析中，其硬件方面的设计，主要是利用Altium designer13 软件，构成智能快递机器人的硬件系统电路设计。

4.1 主控模块电路设计

在当下的主控制模块的使用中，其编程较为的简单，同时价格方面也有着较高性价比的单边机可以成为最小的系统构成。在实际的使用过程中，可以得到良好的效果。

4.2 步进电机与驱动电路设计

在系统当中采用的步进电机，是一种有效的将脉冲信号，高效率的转变成角位移的开环控制元件。而在实际的转速频率方面，仅仅受到电脉冲信号方面的控制，因此就需要使用L293D 当做驱动模块，对其步进电机进行控制。在L293D 当中的VCC 管脚接电源正极，而同时在VCC2 接入7.4V 的电压，并让四个不同的GND 管脚实现接地的效果，这样就可以构成较为完整的驱动电路。

4.3 红外寻迹模块电路设计

在系统当中的红外寻迹模块的设计，主要是当做控制系统当中最为复杂的一个模块。在其中设置了红外对管，因此在系统当中就构建了红外线分色管与光敏接收管，这样就可以在将其设备进行集成之后，可以形成红外线接收头的配合系统，在红外寻迹模块当中，同时也包含着运算放大器LM324，以此在单电源的试用下，将其电压范围控制在了3.0-4.0V 之间，以此发挥出良好的效果。

4.4 电源模块设计

在本文的设计中，其控制系统采用的是7805 芯片的稳压输出电压。而在7805 的OUT3 号的管脚处理上，需要接入熔断器与电容，同时让GND 直接接地，在IN 断则需要接入到电源与电容上。

5 系统软件设计

为了保障在系统的运行中，可以实现自动寻迹与投掷的效果，在本文设计中，就对其系统软件进行红外寻迹程序以及投掷进行动作程序的设计。

5.1 红外寻迹程序

在控制系统当中，主要是通过对不同颜色障碍物，在受到红外光的照射之后，会基于不同的反射能力，以此实现红外寻迹的功能。在寻迹模块的运行中，在黑线上换色的指示灯灭掉之后，混迹模块就不会在黑线上的之后，让黄指示灯亮起。而在偏离到黑线的时候，就会左边的黄色指示灯亮起，而让右边的指示灯灭掉。这样就形成了完整的红外寻迹操作。

5.2 投掷动作程序

在该程序的设计过程中，主要是利用红外寻迹程序完成了相应的寻迹操作之后，可以让智能快递到达指定的位置，完成投掷操作。

6 机械结构设计

6.1 机械结构分析

在进行快递机器人的设计过程中，其底盘结构上需要设计出4个轮结构，以此保障快递机器人在移动的过程中，有着较强的移动灵活性，并实现稳定的专项操作。在本文的设计中，采用了2 个驱动轮的结构类型。同时，在驱动轮的运行中，保持着较高的运行独立性，并让两个方向轮可以自由灵活的进行摆动，这样就可以充分的保障快递机器人可以稳定的运行。而为了便于快递机器人的定位，就需要让底盘中心点，当做移动当中的坐标记录点。

6.2 移动方式

在当下的移动方式设计中，其快递机器人在移动的过程中，可以选择的类型较多，例如可以选择履带式、步行式以及轮式的结构类型。在本文的设计中，则基于轮式的移动方式，在实际的运行过程中，4 个轮子的运行独立性较强，同时具备着较高的灵活性。

而在驱动方面，则选择3 轮驱动转向的方式，并让2 个驱动独立进行工作。在实际的运行过程中，可以让驱动轮提供前进的动力，并伴随着动轮进行方向的调整，以此让运送人物可以顺利的前行。

7 传感系统设计

7.1 红外传感器

在当下的系统设计中，为了让智能快递机器人可以满足各种情况的使用，急需要在设计当中安装红外传感器，以此可以对前方的红外信息进行采集，并可以及时的识别出一些危险信息，例如火源等信息，进一步的提升快递系统的安全性。在实际的设计过程中，可以有效的利用红外频率，产生一定的电路，这个时候同时会产生一个3.8kHz 的红外管。而在模块接收到红外管之后，还会马上对其进行信息的处理，以此明确出红外光的实际强度，并对其进行信息的识别，以此明确自然光还是明火。同时，也可以将其信息提交给主系统，进行信息方面的重新规划，进一步的提升信息行驶路径的安全性。

7.2 光敏传感器

不仅仅可以感知热源，智能快递机器人在运行的过程中，还要具备着较高的光感性。一般情况下，其智能机器人当中可以安装一定的光敏电阻，并基于光照的实际强度，进行电阻值的变化。同时，为了保障系统当中有着较高的安全性，而且光敏电阻则在无光的状态下，其电阻需要达到几十万Ω。同时在普通的室内光线下，其电阻仅仅为几千Ω，而在受到强光的照射下，就会使得仅仅几十Ω。因此，就可以充分的利用光敏电阻的这一特征，在进行系统设计中，让智能快递机器人实现行驶情况的分析，并充分的结合起其他的数据信息，实现较为精确的信息定位，充分的提升机器人的工作状态稳定性。

7.3 超声波传感器

在当下智能快递机器人的设计中，其移动过程中可能会遇到一定的阻碍，例如石头、栏杆等物体。因此，为了有效的解决这样的问题，就需要在实际的设计中，能够利用超声波的方式，对各种障碍物进行处理，以此形成路线的重新规划与设计。而在对超声波传感器的电路设计过程中，其中信号发射电路的设计上，可以采用74HC04 型号的反向器。另外，在信号的接收需要采用接收电路。对于这种信号的接受与采集，还要结合起单片机的信息采集方式。

单片机在运行的过程中，可以发出一定的超声波信号，以此在遇到障碍物的时候，其信号波长就会反弹回来。在这个时候，就可以有效的基于信号指示，对障碍物之间的距离以及障碍物实现针对性的调整。

8 控制器硬件设计

8.1 硬件平台系统

在当下的智能快递机器人的硬件平台系统的设计中，主要由主控制芯片，当做系统的核心位置。其次，还要对程序进行充分的调试，并采用JTAG 接口类型，以此智慧程序控制机器人的动作。最后，在显示模块当中，其人机交互的数据可以充分的 通过数据显示屏进行操作。而在系统电路的设计上，主要涉及到电源控制线、红外控制电路以及超声控制电路这几个不同的电路。

8.2 最小系统电路

在当下对于智能快递进行设计的过程中，其最小系统电路的设计，往往首先要设计好时钟电路，同时时钟电路上可以分为有源与无源这两种不同的类型。相比较无源晶振而言，有源晶振在使用的过程中，可以提供更高之来那个的时钟之来那个。其次，在进行电源模块的设计中，需要采用直接供电与转换供电的着两种不同供电类型。直接供电的过程中，主要是利用9V 电池，当做系统的供电基础，而在转换电源的使用中，则是将标准电压转变成9V 的电源类型。

8.3 系统软件

在进行设计的过程中，需要首先建立出系统的软件框架。同时，在设计的设计过程中，还要充分的保障其系统的可靠性以及兼容性。这样就可以在日后的设计过程中，可以让智能快递实现全面的升级与完善。而基于单片机的结构特征，还要开发出相应的系统开发工具，例如一些编译器、仿真器以及集成环境当中，都需要得到全面的研发，以此充分的保障系统软件平台的稳定运行，没让智能快递机器人可以稳定的运行下去。

8.4 系统主程序

在系统主程序的设计过程中，首先需要基于标准流程进行设计，之后再完成相应的常规性的设计任务。在设计的过程中，首先要做好系统的初始化工作，例如开展IO 初始化，以此结合起原系统的内存。在系统的初始化处理的过程中，就要对其完成全面的配置，以此尽可能的降低一些为引入IO 引脚存在的干扰性，让系统可以高效率的运行下去。其次，在系统出现终端初始化之后，就要马上对系统进行保护操作，一旦出现了系统故障问题，就需要马上对程序进行终端处理，并对主控制系统发出预警信息，以此最大程度上降低损失的程度。

8.5 电机控制程序

在对电机进行控制程序的设计中，首先需要进行PWM 程序的设计工作，这样的设计工作主要是采用动态调节电机的方式，形成良好的运行转速，以此发挥出控制智能快递机器人位移移速的效果。其次，还要在电机的运行过程中，能够形成动态的检测，充分的保障电机的高效率运行。最后，为了保障在系统的运行中，还要明确出设计的关键环节，这样就可以进一步的保障在实际的设计过程中，其设计的合理性和效率性，最大化系统的可靠性与稳定性。

9 总结

综上所述，在我国当下的社会发展下，使得人们更多的会选择网上购物，这样就对当下的快递行业提出了较大的挑战，本文所设计出的智能化的快递系统，可以有效的提升快递的效率与安全性，也是未来快递行业发展的重要趋势，可以尽可能的满足人们对于快递的需求，同时伴随着相关技术的完善，该技术也会得到相应的完善。