摘 要：针对高校开放式实验室中存在的管理员对电子元器件的管理问题以及学生对元器件的存取问题，设计了一款电子元器件存取柜。存取柜包含上位机端和存取端，上位机端通过Wi-Fi模块将存取柜与手机进行连接，将芯片柜内信息、数量等情况发送到手机，存取端能够实现用户通过串口屏幕选择所需元器件进行存取，执行机构解锁对应存储盒，对应存储盒提示灯亮起，便于寻找所需元器件，规范了用户使用，不随意拿放。同时方便了管理者对实验室进行管理，能够在上百种元器件中及时发现数量不足的元器件并进行补充，保障实验者实验的正常进行。
关键词：单片机；物联网；芯片柜；实验室；无线通信
中图分类号：TN602；TP393.09 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）08-0075-04
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.017
0 引 言
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千，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，系统整体框如图1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屉，其中每个抽屉内部包含一个LED指示灯，显示屏幕上显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箱体后部方可进行固定，舵机驱动轴上加装摇臂，当驱动舵机转到正下方时，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，摇臂从储藏盒后端嵌入部分移除，使此储物盒可以被拉出，当用户在屏幕上点击取指令时，并选择好所取的元器件名称和输入所需要的数量，点击确认取指令，单片机系统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舵机，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，那么点击存指令，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盒舵机，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SG90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控制板对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偏转角度发送给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IIC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，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，避免单片机直接控制16路舵机占用大量单片机IO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
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、芯片名称数量等进行显示。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将芯片信息发送到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，可以实现远距离无线通信，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接收管理员通过手机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。当用户在屏幕上选择某款元器件时，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，舵机关闭，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TJC8048X270_011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，整体电路如图2所示。
3.2 系统软件设计
软件设计包含单片机程序设计，Wi-Fi模块程序设计，串口屏程序设计及UGI页面设计，单片机程序设计包括对通过IIC通信协议对PCA9685芯片进行数据传输从而对舵机进行控制，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。系统软件工作流程如图3所示。
单片机控制产生50 Hz波程序如下：
void setPWMFreq（float freq）
{uint prescale，oldmode，newmode;
float prescaleval;freq *= 0.92;
prescaleval = 25000000;
prescaleval /= 4096;
prescaleval /= freq;
prescaleval -= 1;
prescale = floor（prescaleval + 0.5）;
oldmode = PCA9685_read（PCA9685_MODE1）;
newmode = （oldmodeamp;0x7F） 0x10; // sleep
PCA9685_write（PCA9685_MODE1， newmode）;
PCA9685_write（PCA9685_PRESCALE， prescale）; r
PCA9685_write（PCA9685_MODE1， oldmode）;
delayms（2）;
PCA9685_write（PCA9685_MODE1， oldmode 0xa1）; }
控制舵机关键代码为（部分）：
setPWMFreq（50）; //设置50hz
UartInit（）;//初始化定时器和串口
init（）;//舵机复位
switch（receiveData）{
case 0x01： setPWM（0， 0， no）; break; //控制0号舵机开关
case 0x02： setPWM（0， 0， off）; break; //控制0号舵机开
case 0x31： setPWM（1， 0， off）; break; //控制1号舵机关
case 0x32： setPWM（1， 0， no）; break; //控制1号舵机开关
case 0x31： setPWM（2， 0， off）; break; //控制2号舵机关
case 0x32： setPWM（2， 0， no）; break; //控制2号舵机开关
case 0x31： setPWM（3， 0， off）; break; //控制3号舵机关
case 0x32： setPWM（3， 0， no）; break; } //控制3号舵机开关
4 实验测试与分析
系统最终呈现形式如图4、图5所示，串口显示屏位于箱体正前方，箱体有多个存储盒，每个存储盒下方有1个LED提示灯，每个存储盒后方有一个舵机，起到开关锁功能，同时显示屏幕上有元器件按钮，按钮是依据实际位置进行编排。
测试中，分别对舵机能否正常开关锁以标号A表示，通过对串口屏输入指令，箱体执行操作是否正常以标号B表示，单片机与手机APP和串口屏数据传输是否正常以标号C表示，每次测试5次，每五次为一组，共测试5组，结果如表1所示。
通过测试结果可知，执行机构、串口通信及数据传输一切正常。使用便携程度的调查结果也显示实验室管理员和实验者对此形式元器件柜表示满意。
5 结 论
开放式实验室电子元件存取柜是一款基于51单片机设计的智能化元器件管理系统，其采用了LED指示灯，可以帮助使用者快速找到所需元器件，大大提高了使用效率。同时，通过舵机开关锁储物盒和串口屏幕进行人机交互，能够规范管理者使用元器件，避免元器件的损坏和丢失，同时还能正确统计所剩元器件的类目，方便管理员进行管理。
此外，系统还采用了Wi-Fi技术，将信息发送到手机APP，方便管理员随时随地进行管理。管理员可以通过手机APP实时查看元器件的使用情况和库存情况，及时补充和调整元器件的存放位置，确保元器件的充足和有序。这种智能化管理方式，不仅提高了管理的效率和准确性，还能够节省管理员的时间和精力，提高实验室的管理水平和元器件的使用率。
经过多次测试，系统表现效果良好。未来，我们将继续完善系统的功能和性能，不断提高其稳定性和可靠性，为高校开放式实验室的管理和教学提供更好的支持和服务。
参考文献：
[1] 颜新杰，刘德锋，吴忌，等.基于云平台的智能电子元器件储存柜设计 [J].工业控制计算机，2023，36（7）：30-32.
[2] 吴栋梁.电子元器件缺陷智能检测方法研究与实现 [D].绵阳：西南科技大学，2023.
[3] 叶成彬.基于STM32的语音识别电子元器件柜 [J].自动化与仪表，2016，31（12）：40-44.
[4] 谭浩强.C 程序设计 [M].北京：清华大学出版社，1991.
[5] 求是科技.单片机典型模块设计实例导航 [M].北京：人民邮电出版社，2004.
[6] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础：第四版 [M].北京：清华大学出版社，2006.
[7] 刘泓瑾.自动贩卖机购买导视系统调研与优化设计 [J].设计，2020，33（19）：40-42.
[8] 龚中文，董丹华，蒋舒琪.某高校快递无接触配送的取件系统仿真设计与分析 [J].物流技术与应用，2022，27（8）：145-151.
[9] 石蕊，朱小军，郭敦敦.多功能快递存取柜的设计与实现 [J].物流科技，2018，41（2）：60-62.
[10] 颜雨珊.基于51单片机的智能温控风扇设计 [J].现代信息科技，2022，6（8）：172-175.
作者简介：王高乐（2002.06—），男，汉族，山东聊城人，本科在读，研究方向：电子信息工程；袁吉秀（2003.01—），女，汉族，山东泰安人，本科在读，研究方向：网络工程；邸世光（1977.09—），男，汉族，山东德州人，助教，本科，研究方向：电子信息工程；张力（1978.07—），女，汉族，山东德州人，助教，本科，研究方向：电子信息工程。
收稿日期：2023-08-14
基金项目：德州市大数据与智能感知技术工程研究中心项目；大学生创新创业训练计划项目（X202213857055）
Open Laboratory Electronic Component Access Cabinet Based on
51 Single-Chip Microcomputer
WANG Gaole， YUAN Jixiu， DI Shiguang， ZHANG Li
（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou 253034， China）
Abstract： Aiming at the management problem of electronic components and the access problem of students in the open laboratory of colleges and universities， an electronic components access cabinet is designed. It contains the upper end and the access end. The upper end connects the access cabinet with the mobile phone through Wi-Fi module， and sends the information and quantity in the chip cabinet to the mobile phone. The access end enables the user to select the required components through the serial screen， the actuator unlocks the corresponding storage box， and the prompt light of the corresponding storage box is on to facilitate searching for the required components. It standardizes the use of user， not free to take or put. At the same time， it is convenient for the manager to manage the laboratory， and the insufficient components can be found and supplemented in time among hundreds of components， so as to meet the normal conduct of the experimenters experiments.
Keywords： Single-Chip Microcomputer; Internet of Things; chip cabinet; laboratory; wireless communication
