自助圖書回收裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁光勝，崔文哲

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

自助圖書回收裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁光勝，崔文哲

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

針對(duì)圖書回收效率低下問題，基于STM32F103RC設(shè)計(jì)了一套自助圖書回收裝置，具有良好的推廣應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)了無線供電電路，去掉了從機(jī)的有線供電和通信線路，精簡(jiǎn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的機(jī)械部分更加穩(wěn)定。設(shè)計(jì)了串口拓展模塊，突破了主控芯片串口引腳限制，豐富了交互功能。通過該裝置只需將圖書插入回收口即可完成圖書的自助回收，并將回收信息上傳至服務(wù)器，精簡(jiǎn)了回收流程。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖書；STM32；回收；串口拓展

0 引言

目前，學(xué)生手頭擁有很多各類已閱書籍，每年一到畢業(yè)季，大多數(shù)學(xué)生都對(duì)大量積存的圖書發(fā)愁。這些書籍既不方便帶走，扔了又可惜，當(dāng)做廢紙出售便失去了書籍的價(jià)值。盡管學(xué)生間自發(fā)交換、相互饋贈(zèng)“二手書”也屢見不鮮，但范圍有限，導(dǎo)致學(xué)生手中的圖書不能得到很好的再次利用。目前市面上專門針對(duì)圖書的回收裝置寥寥無幾，并且無法聯(lián)網(wǎng)[1]。針對(duì)上述問題，基于STM32設(shè)計(jì)了臥式圖書回收裝置。它可廣泛分布于Wi-Fi信號(hào)覆蓋區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)圖書的高效自助回收，提供資金、優(yōu)惠券等多種激勵(lì)方式?；厥昭b置通過網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)記錄圖書的回收信息，為二手圖書的流通提供了便捷途徑。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主機(jī)和從機(jī)兩部分構(gòu)成，主機(jī)部分由以STM32F103RC為核心的控制模塊、串口拓展模塊、交互模塊和導(dǎo)軌模組構(gòu)成；從機(jī)部分由以STC12C2052AD為核心的控制模塊、無線供電模塊和分離式裝卸模組構(gòu)成；主機(jī)和從機(jī)通過藍(lán)牙透?jìng)髂K進(jìn)行無線通信。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)功能：一方面通過串口拓展模塊與交互模塊通信，實(shí)現(xiàn)圖書條形碼的讀取、用戶 RFID卡的讀寫、優(yōu)惠券打印、通過 Wi-Fi與服務(wù)器通信等；另一方面控制導(dǎo)軌進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從機(jī)在導(dǎo)軌上的軸向運(yùn)動(dòng)，通過藍(lán)牙透?jìng)髂K與從機(jī)通信，搜集整理從機(jī)信息，向從機(jī)發(fā)送動(dòng)作指令，從而實(shí)現(xiàn)圖書的回收。

從機(jī)功能：一方面通過分離式裝卸模組中的傳感器，收集圖書回收過程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)信息并發(fā)送給主機(jī)；另一方面接收主機(jī)的動(dòng)作指令，配合主機(jī)完成圖書的裝卸并調(diào)整圖書姿態(tài)。系統(tǒng)從機(jī)采用無線方式供電。

1.2 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

一次完整的圖書回收流程如圖2所示，其主要功能如下：（1）將圖書從回收裝置外側(cè)插入到旋轉(zhuǎn)書立上，之后裝置的條碼掃描模塊會(huì)對(duì)其進(jìn)行掃描，掃描有效后開始回收。（2）導(dǎo)軌模組將載有圖書的裝卸模組沿導(dǎo)軌運(yùn)向艙內(nèi)，運(yùn)送過程中，裝卸模組實(shí)時(shí)測(cè)量與上一本圖書的距離，當(dāng)?shù)竭_(dá)距離上一本圖書 10 cm時(shí)，從機(jī)向主機(jī)發(fā)送信息，絲桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)。從機(jī)控制器控制裝卸模組將圖書卸落至圖書支架上，之后旋轉(zhuǎn)書立恢復(fù)原始位置。（3）主機(jī)控制直流電機(jī)帶動(dòng)裝卸模組繼續(xù)朝圖書方向移動(dòng)，對(duì)當(dāng)前圖書進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，將松散斜靠的圖書壓緊。壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量壓力，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，從機(jī)通過藍(lán)牙模塊通知主機(jī)停止推進(jìn)裝卸模組。（4）將裝卸模組退回到初始位置。

圖2 圖書回收流程圖

2 系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。導(dǎo)軌模組是由直流電機(jī)（額定電壓 12 V，500 rpm）、絲桿（導(dǎo)程8mm）、導(dǎo)軌、圖書支架構(gòu)成，其中直流電機(jī)由主機(jī)控制，與絲桿相連并帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)的絲桿帶動(dòng)從機(jī)沿導(dǎo)軌做軸向運(yùn)動(dòng)，將圖書運(yùn)向回收裝置內(nèi)部。圖書支架表面采用摩擦系數(shù)相對(duì)較大的橡膠材質(zhì)，從而保證圖書能夠穩(wěn)定放置在支架上。

圖3 系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖書裝卸模組由旋轉(zhuǎn)書立、旋轉(zhuǎn)軸、推桿電機(jī)、壓力傳感器和超聲測(cè)距模塊等構(gòu)成，如圖4所示。它安裝在絲桿和導(dǎo)軌上，通過內(nèi)螺紋與絲桿咬合，通過滾珠軸承與導(dǎo)軌套接[2]。從機(jī)控制器安裝在裝卸模組上，對(duì)推桿電機(jī)進(jìn)行控制，通過推桿的伸縮來推拉旋轉(zhuǎn)書立繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，從而使放置在書立上的圖書倒下并滑落至回收支架上，斜靠在上一本圖書或艙壁上。調(diào)整圖書姿態(tài)時(shí)，壓力傳感器會(huì)頂在當(dāng)前圖書上，實(shí)時(shí)反饋推力。超聲測(cè)距模塊用于測(cè)量裝卸模組與最外側(cè)圖書的位置，一方面確定裝卸模組卸下圖書的軸向位置，另一方面測(cè)量回收裝置的有效容量。在旋轉(zhuǎn)書立內(nèi)表面覆蓋一層光滑的塑料膜，用于減小圖書底部與書立之間的摩擦系數(shù)，確保卸落時(shí)圖書能夠順利滑出書立。

圖4 圖書裝卸模組結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)串口拓展模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含了Wi-Fi透?jìng)髂K、條碼掃描模塊、熱敏打印機(jī)、RFID讀寫模塊、藍(lán)牙透?jìng)髂K等，它們均采用 UART串口通信協(xié)議與主控芯片通信[3]。主控芯片STM32F103RC有5個(gè)可用串口，一方面LCD模塊和SD卡就占用了其中3個(gè)；另一方面為保證基礎(chǔ)功能穩(wěn)定，將U5_Tx/U5_Rx單獨(dú)接入藍(lán)牙透?jìng)髂K，負(fù)責(zé)主機(jī)與從機(jī)通信。為此必須將剩余的 U1_Tx/U1_Rx進(jìn)行串口拓展，連接其他4個(gè)串口外設(shè)，如圖5所示。

圖5 串口拓展模塊電路示意圖

主控芯片和4個(gè)拓展串口外接模塊采用全雙工通信方式。在空閑時(shí)發(fā)送方 Tx處于“高電平”，同時(shí)將接收方Rx拉高[4]。通信開始時(shí)，Tx變?yōu)椤暗碗娖健?，隨之將 Rx拉低，觸發(fā)數(shù)據(jù)的接收過程。

主控芯片的數(shù)據(jù)接收過程如下：4個(gè)交互模塊的Tx端作為四輸入與門的輸入端，與門的輸出接主控芯片的U1_Rx。空閑期間四個(gè)交互模塊的Tx全部為高電平，任何一個(gè)模塊的Tx變?yōu)榈碗娖蕉紩?huì)觸發(fā)主控芯片的接收過程。主控芯片接收到數(shù)據(jù)后，一方面對(duì)數(shù)據(jù)來源進(jìn)行判斷，另一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

主控芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送過程如下：將主控芯片的PC0、PC1、PC2和 PC3分別作為四個(gè)或門的一個(gè)輸入，U1_Tx同時(shí)作為四個(gè)或門的另一個(gè)輸入，四個(gè)或門的輸出分別接四個(gè)交互模塊的Rx。只有當(dāng)主控芯片PC0、PC1、PC2和 PC3任一引腳拉低時(shí)，主控芯片Tx才能通過對(duì)應(yīng)的或門輸出至對(duì)應(yīng)串口模塊，從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)外設(shè)接收主控芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.2 從機(jī)無線供電模塊設(shè)計(jì)

從機(jī)要攜帶圖書在狹長(zhǎng)的軌道上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為避免有線供電帶來的線材磨損和可能發(fā)生的導(dǎo)線纏繞、拉斷等故障，故從機(jī)選擇無線供電方式，如圖6所示。無線供電接收模塊連接 TP4096鋰電池電源管理模塊，為3.7 V鋰電池進(jìn)行充電。由于從機(jī)需通過L293驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)，而L293需要 5 V電壓供電，所以采用MC34063對(duì)鋰電池進(jìn)行升壓[5]。

圖6 無線供電電路示意圖

無線供電發(fā)射模塊包括方波脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器芯片XKT-408A、集成晶閘管芯片T5336和發(fā)射線圈（原邊繞組）。XKT-408A產(chǎn)生67 kHz方波信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)T5336在發(fā)射線圈中產(chǎn)生67 kHz的高頻交變電流。

無線供電接收模塊包括開關(guān)型穩(wěn)壓芯片 T3168和接收線圈（副邊繞組）。接收線圈將感應(yīng)得到的交變電流經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓變成直流電，再送給鋰電池電源管理模塊[6]。

線圈貼合距離在5mm范圍內(nèi)時(shí)，無線供電接收模塊額定輸出電壓為V1=5 V，電流為I1=150 mA，為鋰電池充電。從機(jī)靜態(tài)時(shí)供電電壓為 V2=5 V，消耗電流為 I2= 15 mA；在推桿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從機(jī)供電電壓為 V3=5 V，消耗電流為I3=230 mA。根據(jù)TP4096和MC34063的數(shù)據(jù)手冊(cè)，鋰電池電源管理模塊的充電效率 η1為80%～95%，升壓模塊的效率η2為60%～75%。設(shè)從機(jī)裝卸圖書時(shí)間占總時(shí)間的比例為K，可得：

在η1=80%、η2=60%的最壞情況下，K=26.5%。實(shí)際的K值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于26.5%，因此無線供電完全可以滿足從機(jī)的供能需求。

整個(gè)無線供電電路固定在從機(jī)上。無圖書回收時(shí)，從機(jī)?？吭谲壍赖钠鹗级耍瑹o線供電接收模塊線圈與主機(jī)的發(fā)射模塊線圈對(duì)正貼合，對(duì)鋰電池充電?；厥者^程中從機(jī)離開軌道起始端，充電中止。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。主機(jī)上電后先進(jìn)行初始化和自檢，當(dāng)有圖書插入回收裝置時(shí)，激活回收流程。

圖7 主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)通過控制推桿電機(jī)裝卸圖書，并配合主機(jī)進(jìn)行超聲測(cè)距和壓力探測(cè)，完成圖書回收，從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

5 結(jié)論

本文基于STM32F103RC設(shè)計(jì)的圖書自助回收裝置，一方面通過無線供電模塊和藍(lán)牙通信模塊完成了從機(jī)的無線供電和主從無線通信，使得回收裝置的穩(wěn)定性和可靠性大幅提升；另一方面，設(shè)計(jì)的串口拓展模塊突破了主控芯片的串口數(shù)量限制，大大增加了交互模塊的數(shù)量。系統(tǒng)采用簡(jiǎn)潔高效的機(jī)械結(jié)構(gòu)可完成圖書的自助回收，大大降低了設(shè)備成本。另外，通過改變系統(tǒng)中的導(dǎo)軌和絲桿長(zhǎng)度，并匹配合適功率的直流電機(jī)，還可以增加圖書的回收數(shù)量。

[1]曹遂軍，王會(huì)良.國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與現(xiàn)狀[J].機(jī)電工程技術(shù)，2003，32(5)：20-22.

Design and development of self-help book collection facility

Liang Guangsheng，Cui Wenzhe
(College of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

To solve the low rate efficiency of book recycling,a book collection facility based on STM32F103RC with propitious prospect is proposed.Abandoning wired host-slave communication and power supply line,wireless powering circuit is implemented, which makes the mechanic part more succinct and reliable.A serial port expansion module is designed to push through limitation of serial-pin number,making more interactive functions possible.By simply inserting a book in this facility,the book is collected into it automatically meanwhile the relevant information is updated to the server.The whole process is tested to be both reliable and practicable.

book；STM32；collection；serial expansion

TU976+.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.018

梁光勝，崔文哲.自助圖書回收裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：64-66，70.

英文引用格式：Liang Guangsheng，Cui Wenzhe.Design and development of self-help book collection facility[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：64-66，70.