基于单片机的智能书报柜设计

　　摘要：文中主要利用单片机、RFID模块等软硬件技术设计智能书报柜，采用串口技术实现数据通信，采用微处理器完成书报柜的智能控制，可以显示借书及还书状态，以及书籍数量，并具有报警功能。书报柜是用户借还书和记录各类信息的重要载体。早期图书馆已有书报架，但其功能仅仅局限于工作人员自己记录收集，操作复杂，功能单一，而智能书报柜是通过识别及自动控制系统实现书报柜的自动开启功能，解决了传统书报柜容易发生书报丢失、人工不足等问题。智能书报柜能够提供方便自主的服务，不仅提高了图书馆的工作效率，同时还降低了人工成本。

　　关键词：书报柜;STC89C52单片机;RFID;图书馆系统;串口通信;微处理器;

　　0 引言

　　智能书报柜是一个可以体现在架图书的实时管理系统[1]，它即可以使用RFID技术查找在架图书中所有物品的标识，又具备监控图书书籍、库存、追踪书号、展示书籍等功能[2]。智能书报柜具有快速检测特性，准确定位等功能。通过在书架上安装RFID设备，便能顺利查找每一本图书上的RFID标签，从而实现实时清点图书馆图书库存及图书定位等功能。

　　文中开发设计了占地面积小、稳定性强、可准确记录图书馆图书信息、可靠性高的一款智能书报柜[3]。

　　1 整体方案设计

　　本次智能书报柜系统的硬件采用STC89C52单片机系统作为控制器，同时将该系统分成了RFID模块、LED显示模块、按键模块和报警模块。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

　　2 系统设计

　　2.1 STC89C52简介

　　STC89C52是一款低功耗CMOS微控制器、只读存储器、可编程FLASH存储器。STC系列单片机使用典型的MCS-51内核，该内核与工业领域的引脚输入和输出兼容，同时也对芯片作了诸多改进[4]。

　　STC89C52单片机具有512字节的RAM,32位输入/输出线，内置E2PROM、复位电路和4个外部中断，具有全双工串行口[5]。

　　2.2 射频识别技术

　　射频技术较常见的应用包括无线射频识别RFID，通常称为感应电子芯片、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条形码等。其原理是传感器向接收器发送频率特定的无线电波，接收器电路发送内部代码，扫描器接收此代码[6,9]。

　　RFID是一种非接触式自动识别技术，它能够自动识别目标物体并通过射频信号获取相关数据[7]。一套完整的RFID系统由阅读器与应答器构成。阅读器发射出特定频率的无限电波能量传送给应答器，再由应答器驱动传递内部的ID卡信息，之后，显示器接收此信息[8]。

　　2.3 显示模块

　　LCD显示模块是一个16×16的黑白屏幕矩阵。它通过SPI接口模块连接微控制器接口和芯片选择线，并以扫描模式显示图像。微处理器通过SPI接口向16位数据模块的LED屏幕传输信息，然后通过SN74HC595N对16位数据进行锁存，之后通过SN74LS138N选择数据并显示数据。依次发送并显示16行数据，当速度超过每秒50帧时，由于人类视觉的滞留效应会看到一幅完整的画面[10]。液晶显示屏如图2所示。

　　2.4 按键模块

　　按键模块是具有数字、移动、确认和退出等功能的矩阵式键盘。行列选线均采用一位输入、一位输出模式，行选线通过上拉电阻连接电源，在无按键的情况下保持高电平状态，利用中断扫描的方式工作；在有键按下时，该处的输入为低电平并产生中断信息，然后利用键盘扫描程序确定按下的键。键盘接口电路如图3所示。

　　2.5 报警模块

　　报警模块由蜂鸣器、电阻和三极管组成。图4中的限流电阻R1起到了分压器的作用。当微控制器在I/O口输入低电平时，三极管处于导通状态。循环回路使蜂鸣器发出声响，蜂鸣器与显示屏并联，LCD显示屏会随着蜂鸣器的响动而发光。在书报柜打开运行过程中，当书报柜有异常情况时，蜂鸣器将依靠PNP型三极管放大信号并发出“嘀”的声音，提醒工作人员书报柜出现异常，在借阅者刷卡结束后，蜂鸣器声音停止。报警功能可以一定程度上对电路起到保护作用。

图2 液晶显示屏实物

图3 键盘接口电路

图4 报警模块

　　3 软件制作

　　软件是智能书报柜设计的一个重要环节。本文设计包含主程序部分、LCD显示子程序、按键子程序、读卡子程序、报警子程序。本系统为了严格确保智能书报柜系统正常工作，系统采用时间中断来完成读取数据、按键分析以及定时存储卡上数据等任务。

　　主程序需要完成的功能包括系统时钟初始化、定时器初始化、显示初始化等。进入初始化流程后，可以完成每一个单元的设置和配置，最后是智能书报柜设计系统的主程序。通过键盘按键、射频卡的读刷取等子模块分别控制本文设计的各种所需功能。刷卡程序的设计包括对射频卡的识别以及读写等；智能书报柜系统接口通信模块主要接收外部指令以及书报柜系统的输出结果指令，以此保证通信的可靠性和有效性。系统主程序流程如图5所示。

　　4 结果调试

　　第一步是硬件调试，检查线路是否存在错误，如电路短路、开路等，若发现问题要及时解决。调试准确无误后执行电路板焊接及实物制作。首先，下载程序并单击调试按钮以查找问题。例如在调试过程中，发现由于电路板电路中的印刷问题导致电路短路，甚至电路模块无法接通，就需要将电路板上短路的电路进行焊接。或者蜂鸣器有时会因为其他原因导致声音较小或者未蜂鸣等。

图5 系统主程序流程

　　第二步是软件调试，系统开机前通常会进行全面系统检查。通过测试和检查，可以更好地发现设计中的错误与问题并及时处理，确保系统的稳定性。

　　5 结语

　　随着人们生活水平的提高，人们对智能产品的要求愈来愈高，而传统的书报柜因为增大了员工的工作量与成本压力，已无法满足当前需求，因此设计一款新型智能书报柜乃大势所趋。本文针对以上问题研究了一款新型可刷卡自助智能书报柜。此次设计的书报柜采用RFID技术、ID刷卡识别模式及阅读模式进行借还书检测，不仅可以方便用户及时查看书籍、存储书籍及借还书籍，还可以方便管理员对整个系统进行监控。系统实物如图6所示。

图6 系统实物

　　参考文献

　　[1]郭启刚图书馆自助借阅服务模式研究[J]图书馆建设，2007 .23(1):66-67.

　　[2]凌劲楠,张晶基于单片机的智能信箱系统的设计[J].信息工程，2012,25(6)-:23-25.

　　[3]董朝峰图书馆自助服务研究及应用进展[J]图书馆论坛, 2009,29(4):152-154.

　　[4]戴佳,戴卫恒51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社，2006.

　　[5]STC89系列使用手册[Z].

　　[6]FINKENZELLER K射频识别技术[M].陈大才,译北京:电子工业出版社, 2001:15-16.

　　[7]上海交通大学. RFID国内外调研[R].上海:上海交通大学，2010.

　　[8]王爱英智能卡技术[M].北京:清华大学出版社, 2002.

　　[9]刘峰超高频RFID读写器的研究与实现[D].天津:南开大学, 2009.

　　[10]吴亦峰.单片机原理与接口技术[M].2版.北京:电子工业出版社, 2014.