【摘要】本項目設(shè)計了一款基于單片機控制的電動升降書架。傳動系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿機構(gòu)，以單片機控制電動機拖動，通過按鈕或遙控裝置控制書架可動部分升降。升降式書架有效解決了閱覽室、圖書室、文獻儲存室等大量圖書的存取和查閱的困難，同時能增大室內(nèi)空間利用高度，增大存儲空間從而增大圖書存儲量。另外，書架升降避免了傳統(tǒng)柜式書架圖書存放、查找往往要上下攀爬潛在的危險，也減少管理人員的采用手動升降書架的勞動強度。該方案設(shè)計的書架是一款新型的機電一體化產(chǎn)品，本設(shè)計方案已經(jīng)申請實用新型專利并獲批準，使用方便，安全性好。

【關(guān)鍵詞】電動升降書架；單片機控制；遙控裝置

目前，由于社會發(fā)展對知識和信息的強大需求，各種級別的閱覽室、圖書館和資料室藏書量急劇增加[1]，圖書的管理工作十分繁重。圖書的存放，查找都是繁重的體力勞動，往往還要上下攀爬，具有一定的危險性?，F(xiàn)代圖書館、資料室、辦公室、個人書房都需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動升降的書架，能有效增大存儲空間、充分利用室內(nèi)空間，而又存取書籍安全、省力。通過調(diào)查，在國內(nèi)現(xiàn)有的書架有傳統(tǒng)柜式和隔板式，還沒有發(fā)現(xiàn)有與本設(shè)計方案類似的書架。市場上新出現(xiàn)的“升降式閱讀書架”是一種放一本書能手動調(diào)節(jié)高度，主要目的是方便閱讀。本方案設(shè)計的書架可以滿足以上需求，并且美觀大方、結(jié)構(gòu)簡單，價格適中，具有很強的人性化特色，因此具有極強的開發(fā)使用前景。

1.書架機構(gòu)設(shè)計

本新型電動升降書架的結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，下部分為固定書架，上部分為升降書架。電動升降書架結(jié)構(gòu)及傳動原理如圖1所示。

固定書架整體高1.6m，寬0.25m，長度可根據(jù)使用空間適當調(diào)整。其底部下幾層向前傾斜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使書籍側(cè)面書名略斜向上放置，使查閱者無需彎腰或蹲下查看書名和選書。同時這種結(jié)構(gòu)使書架與地面接觸部分變寬，保證升降書架整體的穩(wěn)定性（可動書架向前滑出時造成重心前移）。

1.驅(qū)動電機 2.聯(lián)軸器 3.自鎖蝸桿減速器 4.鋼絲繩卷筒 5.鋼絲繩 6.滾輪 7.升降書架 8.導(dǎo)向孔 9.導(dǎo)向塊 10.定位卡槽 11.上行程開關(guān) 12.定滑輪 13.上導(dǎo)向桿 14.定位卡塊 15.動滑輪 16.懸吊鋼絲繩 17.定位擋板 18.前導(dǎo)向桿 19.法蘭盤 20.下行程開關(guān) 21.固定書架

2.傳動系統(tǒng)工作原理

2.1 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)組成：驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、自鎖蝸桿減速器依次串連。鋼絲繩卷筒和自鎖蝸桿減速器同軸，用螺栓固定在書架底板后部（有空腔）位置。工作時，電機驅(qū)動聯(lián)軸器、自鎖蝸桿減速器同軸轉(zhuǎn)動；自鎖蝸桿帶動鋼絲繩卷筒減速轉(zhuǎn)動；卷筒通過鋼絲繩帶動升降書架可動部分升降運動。

2.2 導(dǎo)向機構(gòu)

前導(dǎo)向桿與法蘭盤焊接成一體，通過螺釘固定連接在固定書架左右兩側(cè)面上，通過下行程開關(guān)和上行程開關(guān)限制升降書架的運動行程。

固定書架上部左右兩側(cè)的柜體側(cè)板，有一定斜度。固定書架后部的板體和書架最高位置同高，用于固定連接兩個上導(dǎo)向桿。支撐桿從兩側(cè)面聯(lián)接上導(dǎo)向桿和固定書架。

上導(dǎo)向桿上裝有定位卡塊，與上導(dǎo)向桿以移動副動連接；升降書架上中部設(shè)有無頂盒型的定位卡槽，定位卡槽四周內(nèi)側(cè)面與定位卡塊的四周側(cè)面接觸形成移動副。定位卡塊上設(shè)計有與兩個上導(dǎo)向桿直徑相同，且位置對應(yīng)并平行的通孔，與兩個上導(dǎo)向桿形成移動副；定位卡塊下部放入位于其正下方固定在升降書架上的長方形無頂定位卡槽內(nèi)。

2.3 導(dǎo)向運動

導(dǎo)向塊與升降書架固定連接，導(dǎo)向塊中部設(shè)有與前導(dǎo)向桿直徑相同下部成倒置喇叭形的垂直導(dǎo)向孔。升降書架底部裝有若干個滾輪，其安裝高度由前至后逐漸升高，中心連線與固定書架上部側(cè)板斜面平行。

鋼絲繩在鋼絲繩卷筒上預(yù)先纏繞足夠長度后，從書架后中部垂直引上，如圖1所示。鋼絲繩經(jīng)定滑輪轉(zhuǎn)向后，再從上繞過安裝在定位卡塊前上部的動滑輪后，分成四股直徑較小的懸吊鋼絲繩，分別固定在升降書架頂部的四角，而且長度相同，保證升降書架各層在運動運動的過程中保持水平平動。

圖1中雙點劃線部分表述的是升降書架恰好沿傾斜滑槽滑出，導(dǎo)向塊與豎直的前導(dǎo)向桿即將進入配合導(dǎo)向、升降書架準備下降時的運動轉(zhuǎn)向時的關(guān)鍵位置；粗實線表述的是書架平時靜止放置使用的初始位置。

2.4 電動升降控制

電動升降書架采用交流電機驅(qū)動，交流工頻50Hz-220V。通過上升按鈕或下降按鈕使電機能夠正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)書架升降。電機點動方式運行，方便人們調(diào)整可動書架高度，保障安全。

當需要取用高層升降書架各層內(nèi)的書籍時，手按住下降按鈕不松手，驅(qū)動電機通電正轉(zhuǎn)，經(jīng)過自鎖蝸桿減速器減速至合適轉(zhuǎn)速，使鋼絲繩卷筒繞軸旋轉(zhuǎn)，將纏繞在其上的鋼絲繩勻速展開，升降書架在重力的作用下沿固定書架頂部的斜面，在滾輪的作用下順利向前下方移動。

同時，頂部定位卡塊沿上導(dǎo)向桿移動，且在定位卡槽中向上逐漸移動，當定位卡塊的前端面與焊接在兩個平行的上導(dǎo)向桿前端的擋板接觸時，定位卡塊停止。此時，升降書架位于圖示的雙點劃線位置，導(dǎo)向塊中部的導(dǎo)向孔與位于書架左右兩側(cè)的兩個垂直布置的前導(dǎo)向桿軸線恰好重合，即將接觸，而定位卡塊與定位卡槽還未完全脫離。

當鋼絲繩繼續(xù)從鋼絲繩卷筒上展開時，升降書架在重力和定位卡塊與定位卡槽組成移動副的共同作用下，緊貼著固定書架正面垂直下降，前導(dǎo)向桿逐漸進入導(dǎo)向孔內(nèi)，形成移動副，在定位卡塊與定位卡槽完全脫離時，接替前者的上下定位作用，使升降書架繼續(xù)落下，達到合適高度時，松開下降常開開關(guān)，驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動，在自鎖蝸桿減速器自鎖的作用下，穩(wěn)定停止到合適高度，從而實現(xiàn)高層書架前移并降低到需要高度。

下行程開關(guān)和上行程開關(guān)在升降書架運動到設(shè)定的最低位置高或最高位置時，斷開驅(qū)動電路，使電機停止，保證整個起降過程中鋼絲繩拉緊，避免鋼絲松弛而從滑輪或卷筒槽中脫開。當取放好書后，按動上升常開開關(guān)，整個傳動系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，升降書架在上行程開關(guān)的作用下恰好回復(fù)到初始位置。另外，在電機正向/方向運動切換時，采用機械互鎖的方式保護電路，防止損毀電源，另外加熔斷器進行短路保護。

3.傳動系統(tǒng)確定

3.1 選擇電動機[2]

功能要求分析；根據(jù)設(shè)計的要求，盡量選擇功率與轉(zhuǎn)速適當，能滿足升降要求，能實現(xiàn)頻繁正反轉(zhuǎn)，且價格較低的電動機。經(jīng)計算要求電動機功率2.5KW、轉(zhuǎn)速48rpm，故選用Y100L2-3電動機，而且?guī)箝l功能。

3.2 蝸桿傳動的確定

考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動[3]，精度8CGB10089-1988。蝸桿用35CrMo，表面淬火，硬度為45-50HRC；表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪輪緣選用ZCusn10p1金屬模鑄造。選取蝸桿Z1=1、蝸輪Z2=30、導(dǎo)程角=3.18度，蝸桿外圍采用散熱片散熱。

3.3 鋼絲繩選擇及卷筒的設(shè)計

選取鋼絲繩參數(shù)直徑D鋼絲繩=8mm、長度L=2200mm。

卷筒采用低合金高強度鋼，鋼絲繩卷筒設(shè)計結(jié)構(gòu)及其尺寸如圖2所示。因為共繞1.7層，所以采用壓板固定方式把鋼絲繩固定在卷筒上。

3.4 滑輪軸設(shè)計及聯(lián)軸器的選用

滑輪軸選用45#鋼調(diào)質(zhì)，滑輪軸結(jié)構(gòu)及其尺寸如圖3所示?；喼睆紻=225m。該傳動系統(tǒng)間歇工作，且速度低，故選用凸緣聯(lián)軸器。選用Gy5型聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩為400Nm，許用轉(zhuǎn)速為6800rpm。

4.基于單片機的電動控制設(shè)計

4.1 電動升降書架遙控系統(tǒng)

電動升降書架控制系統(tǒng)原理如圖4所示。電動升降書架還采用遙控器控制，控制系統(tǒng)采用AT89C52作為核心[4]。89C52單片機接收到紅外遙控器的控制指令后，進行判別和處理，輸出控制升降電機的運動，從而控制書架的上升。升降電機為帶報閘功能的單相減速電機，當電升降轉(zhuǎn)到位后，相應(yīng)的上限位開關(guān)或下限位開關(guān)檢測，反饋信號給單片機，并由蜂鳴器產(chǎn)生到位報警，使電機停止運動。在運動過程中，可以通過遙控器按鍵隨時停止電機的運動。

4.2 遙控開關(guān)電路設(shè)計[5]

在紅外接收電路中，紅外接收頭與單片機的P3.2口相連接。紅外遙控器控制升降電機和旋轉(zhuǎn)電機的正反向轉(zhuǎn)動和電機的停止。系統(tǒng)設(shè)置了6個操作按鍵K1、K2、K3、分別為升降電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鍵。系統(tǒng)的無線遙控模塊采用38KHZ的HT6221，在單片機進行信號接收后，需用軟件程序?qū)ζ溥M行解碼，以控制電機相應(yīng)的動作。

4.3 電機控制電路

升降電機為單相電機，單片機的p1.5輸出控制繼電器，通過控制繼電器實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。

5.結(jié)語

本方案書架特征是書架結(jié)構(gòu)分為升降暑假和固定書架兩部分，升降書架底部通過滾輪（布置成一定傾斜角度）與固定書架頂部的斜面（具有相同斜度）接觸，上部通過鋼絲繩穩(wěn)定懸掛在固定書架上部。通過按鈕或遙控器控制電機驅(qū)動下，使升降書架能夠緩慢平移出來，下降到合適高度以便于存取和查閱書籍。有利于增大書架存儲量、充分利用室內(nèi)空間。解決了現(xiàn)有書架上層書籍不便查閱、存放，節(jié)省人力，避免上下攀爬的危險。新型電動升降書架，安全性好，自動化程度高，操作簡便。

參考文獻

[1]李鳳英.1978-2010年“圖書情報一體化”論題的統(tǒng)計分析[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2011，29（3）：41-74.

[2]王少懷，徐東安，高紅霞等.機械設(shè)計使用手冊（下冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社（第2版），2000.12：1463-1506.

[3]毛謙德，李振清.袖珍機械設(shè)計師手冊（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000，12：939-996.

[4]董少明，封磊，劉璟等.單片機原理與應(yīng)用（第2版）[M].北京：中國鐵道出版社，2010，10：203-221.

[5]萬隆，巴奉麗，陳剛等.單片機原理與實例應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011，10：220-230.

基金項目：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題“基于PIC16F72單片機控制的升降書架”（ZK11-16）。

作者簡介：

劉保朝（1979—），河南南陽人，主要研究方向：機電一體化技術(shù)。

賈紅雨，河南禹州人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院教師。