基于C52单片机及物联网技术的临时锁存行李箱工具研究

邓学旭，李雪松

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引 言

如今整个社会已经进入了智能发展的时代，随着AI（Artificial Intelligence）的产生和兴起，整个社会智能化的趋势也日渐加剧。中国铁路局在中国各大城市铺设铁路，高铁事业遍布世界各地，火车站、高铁站等公共场所不断增加。但是随着基础公共设施的不断建设兴起不仅为人类的生活提供了便利，也为火车站、高铁站带来了巨大的人流量，这就增加了一些安全隐患问题，如：偷盗、抢劫等违法行为。况且，对于一些独自旅行的人来说总会经历想去上厕所行李没人照看或进出一些不方便携带行李箱的地方的窘境。目前市面上有些类似的产品是超市的储物柜，但是超市中的储物柜只能放置一些较小的物品，并不能放置行李箱这类较大的物品，并且如果储物柜被盗窃，物主本人不能第一时间知晓，这也导致此类商品并不能起代替作用。作者是对于大学生创新创业项目对基于C52 单片机的智能行李箱锁存器进行了设计，并通过APP 程序进行设置、修改密码，同时智能行李箱锁存器通过APP 程序向使用者的手机发送消息，可以及时了解到自己物品的安全。

1 产品总体设计

1.1 系统原理

火车站临时锁存行李箱由硬件设施和能进行程序控制两大部分构成。

有单独的硬件模块和相应的电路，可以在硬件设施上实现特定的功能。主要包括MCU 和APP 程序：它是主操作控制核心；CPU 会发出各个工作之间的前后顺序并控制各个模块和程序；二维码显示部分：扫描产品上方的二维码进入APP 程序来进行密码开锁的操作；电源输入部分：给各个单元供电并调节电压；无线通信模块：通过此模块和手机APP进行无线通信；压力传感模块：用来判断是否有人恶意破坏机箱和锁具；报警电路部分：当用户连续输入三次错误的密码或者有人恶意地去破坏锁具或机箱时会发出报警信号。

在软件设施上包括主部程序、系统初始化程序、启动及关闭程序、压力传感程序、开关锁定程序、延时程序和无线传输程序。如图1所示。

图1 系统总体设计框图

1.2 系统设计方案

系统以APP 程序为载体，通过简单便携的设置、输入密码操纵进行开关所。围绕着C52 单片机接入了各个模块和程序，并且在系统会要求用户设置6 位数的密码用于验证使用者的身份，系统设计如图2所示。

图2 系统设计方案图

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件电路

这种结构以C52 微控制器为整个系统的运行核心，通过编程应用程序存储、判断和协调密码所有其他模块和程序都直接连接到微控制器，并通过其他模块和电路连接，以满足不同的使用目的并发挥不同的作用。通过手机上特定的APP程序作为显示信息的显示屏，待用户用APP 软件扫描产品上方的二维码时，系统会根据不同产品上的二维码定位产品，用户先设置开启锁具的密码，在成功设置密码后系统会将用户设置的密码记录到单片机的储存系统中，等到下次用户来取回行李箱时APP 便会要求取货人输入密码，如果正确便会打开锁。如果三次输入不正确或者有人恶意破会锁具锁存器便会发出警报并向物主的手机发送实时信息。继电器模拟开关锁的操作。通过这种方式，单个模块和电路返回到微控制器的工作方式，工作分工清晰，这就是不同模块相互组合，相互协调的方式，可以更加高效、敏捷地达到所需要的目的。

2.2 硬件设计

最小微控制周期：C52 微控制器在芯片上有一个ROM EPROM 芯片，可以执行最简单和有用的微控制器系统。因为其优越的性能和性价比，在学生学习和一些工厂控制系统中有着十分广泛的应用。STC89C52 具有三个16 位定时器/计数器以及多种功能的I/O 线，使用的是MCS-51 的内部核心。在实际使用过程中，只有时钟电路和虚构区域，直接连接到C52 微控制器上即是最小的微控制器系统。单片机内最小的系统的电路图如图3所示。

图3 单片机最小系统原理图

继电器模拟锁存电路：在临时锁存行李箱器系统中，继电器是模拟关锁和开锁的操作。电磁继电器主要由线圈、铁芯、衔铁等构成。触头系统是因为它的触点都接在了控制电路中，而且其本身电流非常小，所以便没有装设灭弧装置。它的触点通常是桥式触点，有动合和动断两种触发的形式。通过电磁效应，即在线圈两端施加一定的电压，就会产生一定的电流流过线圈并产生相应的磁场。同时磁场就会将衔铁吸向铁芯的方向，衔铁的动触点与静触点相互吸合后，便模拟了关锁的效果。断电后电磁力就会消失，衔铁将会被弹簧拉回，使得动触点与静触点相互释放，便模拟了开锁的效果。通过这样的吸合和释放就能实现电路的连通及断开的目的，实现放置、拿出铁锁的作用。本设计将外接的电磁锁作为取锁和开锁操作的模拟。继电器控制的负载电路如图4所示。

图4 继电器控制模拟负载电路图

报警电路：当用户连续输入错误的密码达到三次或者锁内配备的压力感应器感应到较大的压力时则会进行警告。报警电路是给使用者或者偷盗者声音警示的作用，原理是利用C52 单片机中特定的端口来控制蜂鸣器。三极管起着推动作用。当单片机的特定端口处于低电平时，三极管将接通。此时蜂鸣器通电发出声音，实现报警功能。反之则不发生。

3 软件设计

系统软件设计包括主部程序、系统初始化程序、启动及关闭程序、压力传感程序、开关锁定程序、延时程序、无线传输模块和存储程序。

其中主程序起着整理，调用各个程序的相互配合、相互依赖的作用。初始化程序是用来初始化APP 程序和工作系统的，为了使系统和APP 程序能够正常的进行工作。启动和关闭程序是最最基本的软件程序，有着打开和关闭系统的作用。用主程序来控制开关锁程序、延时程序和储存程序等，使其有条不紊地正常工作。

4 理论分析及计算

电阻应变传感器是由电阻应变片和弹性传感器组成的压力传感器。一根长度为l，其横截面为，电阻率为，则有：

其中金属丝的径向应变和轴向应变存在着以下关系式：

式中，为金属材料的泊松比。

由勃底特兹明经研究发现，金属材料的电阻率的相对变化和其体积的相对变化之间存在着下式的联系：

式中为特定的常数，将上述的式（2）（3）一同代入式（1）中得：

其中，式中被称为金属的应变灵敏度（或灵敏系数）。电阻应变片将压力信号转化成电阻的变化量后却不便于直接测量结果。通常采用电桥电路来实现将电阻的变化量转换为电压的变化量。直流电桥电路中分为单臂电桥电路、半桥差动电路和全桥差动电路。其中全桥差动电路的灵敏性较高，电路图如图5所示。

图5 全桥差动电路电路图

电桥电路一开始处于平衡，其中====，此刻的输出电压为零伏。若收到压力的话，则输出的总电压为下式：

单片机收到压力传感器传来的电压值，经过和预设的电压值相比较。若比预设的电压值大则进行警报，反之则不警报。

5 实验测试与分析

5.1 硬件测试

系统的总体调试包括以下几个方面，首先用万用表来测量整个系统和各个模块的电路焊接情况，看看是否有短路发生或者没有用锡丝连接好的地方或引脚，然后加以仔细纠正，校对继电器的能否正常工作等问题。

在测试时，用户通过手机APP 输入密码，系统判断密码基本正确，有时继电器模拟的电子锁可能会卡住，或者弹不出来。这个问题的反馈后续会在APP上制作一个反馈界面，并配备单独的人工客服用来解决这类的售后问题。在进行压力大小测试时，我们采用的是砝码来测试，通过不断地加入砝码的数量来达到增加压力的目的。通过将砝码挂在锁具上，观察当到达的所设置的临界值时，是否会发出警报。

5.2 软件测试

APP 程序的登录程序，调试扫描二维码是否能够正常进行登录以及主界面的开锁、关锁、设置密码和修改密码能否进行正常工作；编写报警程序，调试蜂鸣器能否顺利进行警报；编写核对密码解锁程序，调试成功输入密码能否顺利进行开锁；编写密码设置，修改以及判断程序，若用户忘记密码必须用设置密码的账号登录小程序来进行重置密码。调试能否进行对密码的修改以及对不同的密码能否进行正确的判断。

调试各个子程序看看能否成功单独运行以及各个子程序之间能否正确地传递所需要的参数，检验子程序和总程序能否实现预先设定的目标。

5.3 测试结果

测试结果如表1所示。

表1 测试结果图

5.4 结果分析

经过了十轮的测试结果，其中出现一组错误。我们的猜测是可能是因为继电器失灵或者是单片机的工作判断失误所引起的。经过我们组内技术人员的检查，发现是因为连接继电器模拟模块的电路出现了人为性的失误，并不是硬件或软件所引起的问题。但是基于此问题，我们开始了一段新的展望，例如：在使用过程中，也出现了类似的问题该如何解决？

经过我们组内成员的探讨，一致决定在所设计的APP 上加入一种新的反馈功能。如果使用的锁具出现了打不开或者程序崩溃等不可抗力的原因导致不能正常的使用，可以点击反馈功能，和客服联系沟通，通过远程操控来帮助用户解决问题。在压力测试方面，经过十轮的测试，结果均没出现问题，当电压值大于等于所设置的阈值电压时蜂鸣器就会发出警报进行警示。

6 结 论

此设计可以满足一个人旅行或出差时，想去上厕所或者进出一些不方便携带行李箱的地方。同时本项目立足于“互联网+”计划，使用二维码当作使用APP 的工具，还顺应于共享的观念。同时用手机APP 扫二维码，设置密码便可以轻易开锁，操作简单简便，在车站，机场等人流量大的地方以及社恐人士有着非常强的实用价值。特别是对于一些独自旅游，出差等等不得不一个人外出的情况。解决人们在外出旅游，工作时在车站、机场等地想去卫生间行李箱却无人照看的紧急情况。