基于51单片机的开放式实验室电子元件存取

在信息时代飞速发展的今天，电子技术是时代进步的基础保障。各大高校或者企业中每天都在进行着多种电子实验，而芯片是每个电子实验不可缺少的元件，现存的芯片种类更是成百上干，因此能够便捷快速地从各种型号中取出自己所需的芯片显得尤为重要。现在市面上的芯片存储柜采用多抽屉推拉式结构进行存放，实验者在使用特定型号芯片时，需要依据数据标签在多个抽屉中进行寻找，费时费力并且可能还有寻找不到的情况。实验室管理员对芯片的管理工作也十分困难，需要定期依次打开抽屉查看芯片剩余量，并对数量不足的芯片进行及时补充，以免影响实验进度。现在市面上还不存在一种方便实验人员选取芯片，以及方便管理人员对芯片进行智能化管理的芯片柜，为此希望通过研发这款智能芯片柜，来解决以上问题。

1 系统总体设计方案

通过设计上位机端和用户存取端来实现系统整体功能，系统整体框如下图所示。上位机端采用手机APP通过Wi-Fi模块与存取端进行联结，其中存取端将当前元器件信息以及所剩数量和每次存取数量发送到手机APP，手机APP将每次管理员补充的元器件数量发送到存取端显示屏幕上显示出来;用户存取端包含:抽屉式元器件柜、触控屏幕、开关舵机、指示灯、蜂鸣器，用户在触控屏上选择存或取，然后选择指定型号并且输入存或取数量，按下确定键，元器件柜解锁相对应的抽展，其中每个抽展内部包含一个LED指示灯，显示屏幕上氙示出当前元器件盒的所在位置，按下完成键，元器件盒锁定，取元器件完成。系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2单片机具有两个硬件串口，系统中需要使单片机与手机APP与串口屏进行串口通信，因此需要将两个硬件串口联结，STC12C5A60S2单片机能满足此需求，其还有成本低，运行速度快等特点。

2 设计分析与理论计算

2.1 舵机开关锁设计

系统采用长38 cm、宽16 cm、高47 cm、内置6行3列共18个储藏盒的箱体作为此存取柜主体，箱体后部为镂空设计，在此基础上，通过加装亚克力条并在此上固定舵机粘与稽体后部方可进行固定，能机驱动轴上加装摇臂，当驱动能机转到正下方时，可以嵌入到储藏盒后端，能够起到储藏盒无法被拉出的效果，以致储藏盒被锁定。当舵机摇臂转到正上方时，摇管从储感食后端取人部分移除，使此储物食可以被拉出。当用户在屏墓上点志取指令时，并选择好所取的元器件名称和输入所黑要的数量，点未确认取指令，单片机系练会在内部搜索所对应的元器件，并寻找所对应的元器件位置，通过信号控制打开所对应的能机，用户即可取出元器件。取件完成后，放好元器件盒，点击取完成指令，所对应舵机便可进行自动锁存，当用户使用完元器件之后，如果需要再次放入存取柜，那么点未存指令，然后选择存的元器件型号和数量，系统自动打开对应的存储食舵机，用户将元器件放入后。归位元器件盒，点击存入完成指令，系统自动将对应存储盒进行锁定。从而确保使用者存入元器件时不会放在错误的储藏盒里，使得存取元器件能够规范，箱体内各类元器件数量能够得到准确记录，某个元器件数量不足时可以得到及时补充，解决实验室大量元器件难以管理，以及管理者对开放式实验室内部元器件数量难以及时了解的问题。

2.2 多路舵机控制设计通过对实验室元器件种类进行调查，系统采用了16个储藏盒，同时搭载了16块SG0型号舵机分别对储藏盒进行锁定和打开操作，因为使用舵机数量多，单片机直接对舵机进行板对16路舵机进行控制，并且只需一块PCA9685就能同时控制16路舵机，单片机通过IIC协驱动，会占用大量单片机资源，此外单片机引脚数量有限，因此采用外接PCA9685控扁转角度发送给PCA9685控制板，能够更简便地对多路舵机进行控制，PCA9685控制板采用I议与PCA9685控制板进行通信，将舵机需要的PWM频率、需要控制的舵机信息和舵机无须单片机实时发送信息，节省了单片机资源，使单片机程序运行更高效，避免单片机直接C协议通信，只需要占用单片机2个引脚，并且PCA9685控制板内置PWM驱动器和时钟控制16路舵机占用大量单片机I0以及定时器资源，使串口通信处理信息更加快速。

2.3 串口通信设计量等进行显示。单片机使用串口1与串口屏幕进行通信，接收串口屏幕发送的指令以及给串口通过串口屏显示实时信息，需要串口屏幕将箱体信息、存取操作按钮、芯片名称类屏幕发送对应的信息，此串口屏幕作为与使用者的交互端，同时通过单片机串口2将芯信息发送到Wi-Fi模块。Wi-Fi无线通信技术是物联网技术的重要组成部分，采用的ESP8266是一款超低功耗的透传模块，可以进行互联网或局域网通信，实现联网功能，可以实理远距离无线通信，因而实现APP对功能的远程控制以及接收数据。ESP8266接收到信息后将信息进行解码，提取有效信息，将信息再次发送到手机APP，同时ESP8266接收管理通过手机APP发送的信息，包括增加的某款元器件的数量等，通过串口发送到单片机，单片机通过串口1接收到信息后，进行处理后发送到串口2，与串口屏进行通信，将信息发送到串口屏上。实现手机APP到单片机和串口屏之间的相互通信。最终实现:串口屏正常显示数发数据。据，单片机正确处理数据，执行机构接收到指令后正确处理数据，以及手机APP正确收发数据。

2.4 声光提示设计

通过每个储物盒下搭配一颗LED灯珠的方式，采用亮光的方式达到方便快捷寻找出对应元器件的功能，并加入蜂鸣器电路作为提示，当用户在屏墓上选择草款元器件时，相对应的储物盒舵机打开，底部的LED灯珠亮起进行提示，同时蜂鸣器发出声音进行提示。当取完后关闭储物盒，在显示屏幕上按下关闭键，能机关闭，对应指示灯熄灭，蜂鸣器同时发出提示，表示完成操作，声光提示可以方便使用者快速在多种元器件中寻找到自己所需要的元件。

3 系统硬件和软件设计

3.1 硬件电路设计

系统主控芯片采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，用PCA9685芯片作为单片机的控制芯片，使用了7寸TJC8048X270011屏幕作为本设计的人机交互屏，配备声光提示功能，使用蜂鸣器和16颗LED灯珠，同时使用ESP8266模块与手机APP进行通信。

3.2 系统软件设计

软件设计包含单片机程序设计，W-Ei模块程序设计，串口屏程序设计及UG(页面设计，单片机程序设计包括对通过川G通信协议对PCA9685芯片进行数据传输从而对航机进行控制，通过串口接收和发送数据给串口屏和Wi-Fi模块。Wi-Fi模块程序设计包括处理来自单片机和手机APP的信息。