智能型密集架中移動(dòng)柜的設(shè)計(jì)

楊 帆，王明黎

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，武漢 430073）

密集架是適用于機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位存放圖書資料、檔案、樣品、檔案財(cái)務(wù)憑證、貨物的新型裝具。與傳統(tǒng)式書架、貨架、檔案架相比，儲(chǔ)存量大，節(jié)省空間。早在1947年瑞士工程師Hans Ingold發(fā)明了密集架并申請(qǐng)了專利。其后英國、日本、美國、德國等都對(duì)密集架進(jìn)行研究，使其向智能化、安全可靠的方向發(fā)展。1989年，我國出現(xiàn)了首臺(tái)國產(chǎn)密集架[1-2]。在此后的數(shù)十年，密集架在國內(nèi)得到了長足的發(fā)展，國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了基于PLC控制、基于8位單片機(jī)、基于ModBus通信協(xié)議等不同類型的方案[3-7]。在此基于AVR單片機(jī)，采用CAN總線設(shè)計(jì)了智能密集柜系統(tǒng)中的移動(dòng)柜。

1 系統(tǒng)方案研究

智能型密集架由上位機(jī)及下位機(jī)組成。其中，下位機(jī)由一列固定柜和若干列移動(dòng)柜構(gòu)成，移動(dòng)柜采集裝在移動(dòng)柜上的接近開關(guān)、光電開關(guān)等傳感器信號(hào)（運(yùn)動(dòng)到位的反饋信號(hào)、人員進(jìn)入狀態(tài)等）后進(jìn)行處理，并進(jìn)行相應(yīng)反應(yīng)。移動(dòng)柜裝有24 V的90ZWN24-120-A型無刷直流電機(jī)，確保通過移動(dòng)柜觸摸屏可控制移動(dòng)柜的移動(dòng)。為保證在無電環(huán)境下也可以進(jìn)行開關(guān)操作，除電機(jī)控制外，保留了手動(dòng)操作。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，離合器閉合，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)輪，移動(dòng)柜移動(dòng)；手動(dòng)控制時(shí)，離合器斷開。文獻(xiàn)[8]給出了智能密集柜系統(tǒng)中固定柜的設(shè)計(jì)，在此主要闡述移動(dòng)柜的設(shè)計(jì)。智能型密集架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能型密集架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Intelligent mobile rack system structure

2 移動(dòng)柜控制板設(shè)計(jì)

由于移動(dòng)柜控制板對(duì)單片機(jī)的功能需求不高，故采用帶64 kB Flash存儲(chǔ)的Atmega6A作為控制板核心控制器?？刂瓢逯饕瓿梢韵鹿δ埽弘娫床糠帧S-232串口通訊部分、CAN總線通信部分、紅外光電開關(guān)及磁接近開關(guān)部分部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。移動(dòng)柜控制板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動(dòng)柜控制板結(jié)構(gòu)Fig.2 Mobile cabinet control board structure

移動(dòng)柜控制板的電源部分采用24 V開關(guān)電源為電機(jī)供電，并通過LM2575降壓穩(wěn)壓器將電壓轉(zhuǎn)為5 V給控制板供電。CAN總線部分選用控制器MCP2515CAN和收發(fā)器PCA82C251 CAN的組合，電源電路及CAN總線電路類似于固定柜控制板[8]的設(shè)計(jì)。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用聯(lián)誼電機(jī)公司的90ZWN24-120-A型無刷直流電機(jī)及LBDA048D10智能型直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為移動(dòng)柜的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)采用PWM調(diào)速方式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Motor drive circuit

微控制器使用 PB7，PD3，PB5，PB6 控制驅(qū)動(dòng)器，4條線路都采用PC817光耦進(jìn)行電路隔離。PB7接驅(qū)動(dòng)器F/R接口正反轉(zhuǎn)控制端；PD3接驅(qū)動(dòng)器B/K接口剎車控制端；PB5接驅(qū)動(dòng)器R/S接口啟?？刂贫?；PB6接驅(qū)動(dòng)器PWM轉(zhuǎn)速給定模擬量信號(hào)輸入端?？梢酝ㄟ^固定柜的觸摸屏、移動(dòng)柜的觸摸屏及移動(dòng)柜的按鍵來控制柜體的移動(dòng)，當(dāng)某列移動(dòng)柜收到命令移動(dòng)時(shí)，通過CAN總線將移動(dòng)命令傳給其他需要移動(dòng)的移動(dòng)柜。

2.2 移動(dòng)柜安全控制設(shè)計(jì)

為防止密集架移動(dòng)柜移動(dòng)時(shí)人員在柜體內(nèi)，可能因?yàn)槊芗艿臄D壓對(duì)人員造成傷害及柜體靠攏或者打開時(shí)，柜體到位而電機(jī)未及時(shí)停止而造成機(jī)械損壞，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下安全監(jiān)測(cè)設(shè)備：

1）接近開關(guān) 在移動(dòng)柜人員進(jìn)入的一側(cè)兩端各裝有1個(gè)LJ18A3-8-Z/BX型接近開關(guān)。該開關(guān)用于檢測(cè)磁性金屬，檢測(cè)距離為8 mm。當(dāng)柜體閉合到位時(shí)，接近開關(guān)檢測(cè)到磁性金屬（柜體），開關(guān)發(fā)送指令到單片機(jī)，進(jìn)而控制電機(jī)動(dòng)作。除柜體兩端外，柜體底部也裝有接近開關(guān)，在柜體打開到位的地面焊有鐵片。當(dāng)柜體打開到位時(shí)，接近開關(guān)會(huì)檢測(cè)到鐵片，然后將信號(hào)傳送給單片機(jī)，進(jìn)而控制電機(jī)動(dòng)作。

2）漫反射式紅外光電開關(guān) 為保證工作人員的安全，在該系統(tǒng)移動(dòng)柜入口安裝有E3F-DS30C4漫反射式紅外光電開關(guān)。當(dāng)工作人員人進(jìn)入架體時(shí)，紅外光電開關(guān)會(huì)檢測(cè)到漫反射回來的紅外線，可知是否有人經(jīng)過。該傳感器響應(yīng)速度可達(dá)到2 ms，感應(yīng)距離為7～30 cm，符合密集架系統(tǒng)的安全要求。

3）紅外安全光幕光柵傳感器 在該系統(tǒng)密集架區(qū)域兩端裝有紅外安全光幕光柵傳感器，可在密集架底盤與地面之間形成光幕，感知密集架區(qū)域中是否有人員或障礙物。

接近開關(guān)及光電開關(guān)電路如圖4所示。

圖4 接近開關(guān)及光電開關(guān)電路Fig.4 Circuit of proximity switches and photoelectric switches

3 移動(dòng)柜軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)柜控制板功能包括控制直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制直流無刷電機(jī)進(jìn)行正傳反轉(zhuǎn)停止動(dòng)作、與液晶觸摸屏進(jìn)行通信、與固定柜進(jìn)行通信。移動(dòng)柜主程序流程如圖5所示。

圖5 移動(dòng)柜主程序流程Fig.5 Main program flow chart of mobile cabinet

在移動(dòng)柜軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)置了3個(gè)中斷，即UART0中斷、CAN中斷、外部中斷。①UART0中斷用于接收液晶觸摸屏發(fā)來的消息，根據(jù)不同命令置uart_flag為不同的值，MCU處理后通過MCP2515給固定柜和其他移動(dòng)柜發(fā)送命令。②CAN中斷接收其他列發(fā)來的消息，根據(jù)其他列發(fā)來消息的不同，置全局標(biāo)記位flag為不同的值，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。③外部中斷用于檢測(cè)接近開關(guān)和紅外光電開關(guān)的狀態(tài)，判斷有無遮擋物。若有遮擋物，則移動(dòng)柜緊急剎車，并向固定柜和其他移動(dòng)柜發(fā)送報(bào)警信息。

在此選用顯控科技的EA-070B液晶觸摸屏，采用SATOOL組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。液晶觸摸屏的設(shè)計(jì)類似于固定柜的AK-121SA液晶觸摸屏[8]的設(shè)計(jì)。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

將設(shè)計(jì)的移動(dòng)柜控制板與液晶觸摸屏連接，調(diào)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 液晶觸摸屏界面Fig.6 LCD touch screen interface

由圖可見，觸摸屏上有“打開”“關(guān)閉”“停止”“禁止”4個(gè)按鍵。其中，“打開”“關(guān)閉”適用于控制移動(dòng)柜移動(dòng)方向；“停止”用于將移動(dòng)中的架子暫停下來；“禁止”不僅將移動(dòng)中的架子暫停下來，而且鎖定其他按鍵，不能操作移動(dòng)列的“打開”或者“關(guān)閉”移動(dòng)。

當(dāng)移動(dòng)柜在運(yùn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)到人員在通道中，會(huì)使系統(tǒng)處于禁止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)必須按下圖6所示“解禁”按鈕，系統(tǒng)才能繼續(xù)工作。經(jīng)調(diào)試檢驗(yàn)固定柜與移動(dòng)柜通信穩(wěn)定。

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的的智能型密集架移動(dòng)柜，具有良好的人機(jī)界面，并采用接近開關(guān)及光電開關(guān)以保障工作人員安全。CAN總線通以保障了移動(dòng)柜與固定柜之間通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，具有很好的實(shí)用價(jià)值。