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(wú)幾，并且無(wú)法聯(lián)網(wǎng)^[1]。針對(duì)上述問(wèn)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。回收裝置通過(guò)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(wú)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(guò)藍(lán)牙透?jìng)髂K進(jìn)行無(wú)線通信。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    主機(jī)功能：一方面通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)分離式裝卸模組中的傳感器，收集圖書回收過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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。

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8 mm）、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(guò)內(nèi)螺紋與絲桿咬合，通過(guò)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(guò)推桿的伸縮來(lái)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。

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。

    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)椤暗碗娖健保S之將Rx拉低，觸發(fā)數(shù)據(jù)的接收過(guò)程。

    主控芯片的數(shù)據(jù)接收過(guò)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(guò)程。主控芯片接收到數(shù)據(jù)后，一方面對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(lái)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(wú)線供電方式，如圖6所示。無(wú)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(guò)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]。

    無(wú)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(wú)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5 mm范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)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(wú)線供電完全可以滿足從機(jī)的供能需求。

    整個(gè)無(wú)線供電電路固定在從機(jī)上。無(wú)圖書回收時(shí)，從機(jī)停靠在軌道的起始端，無(wú)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。回收過(guò)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。

4.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    從機(jī)通過(guò)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(guò)無(wú)線供電模塊和藍(lán)牙通信模塊完成了從機(jī)的無(wú)線供電和主從無(wú)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(guò)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。

參考文獻(xiàn)

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