楊 帆，王明黎

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，武漢430205）

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 就發(fā)明了密集架并申請(qǐng)了專利。隨后英國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)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。直到1989年，我國(guó)才有了國(guó)產(chǎn)密集架[1-2]。在此后的數(shù)十年間，密集架在國(guó)內(nèi)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，如文獻(xiàn)[3]采用PLC 控制的主從式系統(tǒng)方案；文獻(xiàn)[4-5]基于8 位單片機(jī)通過(guò)RS-485 總線進(jìn)行通信，由上位機(jī)進(jìn)行檔案的查詢與管理；文獻(xiàn)[6-7]選用功能比較強(qiáng)大的P89C669 微處理器，增加了人機(jī)交互界面；文獻(xiàn)[8-9]將ModBus 通信協(xié)議用于密集架智能倉(cāng)儲(chǔ)通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端控制密集柜的功能；等。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)中的固定柜。

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，固定柜是整個(gè)系統(tǒng)的核心， 固定柜控制板是固定柜的核心，固定柜控制板通過(guò)CAN 總線接收裝在移動(dòng)柜上的移動(dòng)柜控制板采集到的紅外光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等傳感器的信號(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)行數(shù)據(jù)處理并做出相應(yīng)的反應(yīng)。固定柜上裝有液晶觸摸屏， 該液晶觸摸屏可以顯示區(qū)號(hào)、當(dāng)前溫濕度、設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)等，并且通過(guò)該觸摸屏控制整組移動(dòng)柜的移動(dòng)。在此主要闡述固定柜設(shè)計(jì)（移動(dòng)柜另文章描述）。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 dense frame system structure

為保障工作人員安全，在密集架區(qū)域兩端裝有紅外安全光幕光柵傳感器，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。

2 固定柜控制板設(shè)計(jì)

選用Atmega 128A 作為智能型密集架固定柜控制板的核心控制器。固定柜控制板包括電源部分、CAN 總線通信部分、溫濕度傳感器部分、行列燈顯示部分、RS-232 串口通信部分、語(yǔ)音輸出部分、光幕傳感器部分，如圖2所示。

2.1 電源設(shè)計(jì)

由于開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，電源部分采用12 V 開(kāi)關(guān)電源給控制板供電。LM2575T 只需極少外圍器件便可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路，故選用LM2575T 降壓穩(wěn)壓器將電壓轉(zhuǎn)為5 V，給CPU 及控制板上的5 V 器件外設(shè)供電。電源電路如圖3所示。

圖2 固定柜控制板結(jié)構(gòu)Fig.2 Fixed cabinet control board structure

圖3 電源電路Tig.3 Power supply circuit

2.2 溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)溫濕度范圍為溫度18～28 ℃，相對(duì)濕度20%～60%。采用SHT10 溫濕度傳感器采集環(huán)境信息。當(dāng)溫濕度超過(guò)設(shè)計(jì)范圍時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)“通風(fēng)”功能，所有移動(dòng)柜勻間距打開(kāi)，并報(bào)警提醒工作人員。SHT10 電路如圖4所示，SHT10 DATA口接單片機(jī)PF3 口，SCK 接單片機(jī)PF2 口， 單片機(jī)通過(guò)PF3 口發(fā)送讀寫命令及接收數(shù)據(jù)，PF2 口作為同步時(shí)鐘端。

圖4 SHT10 電路Fig.4 SHT10 circuit

2.3 液晶觸摸屏連接電路設(shè)計(jì)

固定柜的主控制板與液晶觸摸屏的通信通過(guò)RS-232 串口通訊方式實(shí)現(xiàn)。液晶觸摸屏連接電路如圖5所示。Atmega 128 有2 個(gè) 串口即USART0 與USART1，通過(guò)MAX232 將Atmega 128a 的USART0串口與液晶顯示器連接。固定柜的液晶顯示器選用顯控科技AK-121SA 型號(hào)的觸摸屏。該觸摸屏除了有觸摸、顯示功能外，還可作為存儲(chǔ)該組固定柜存儲(chǔ)文件信息的數(shù)據(jù)庫(kù)使用。

2.4 CAN 總線電路設(shè)計(jì)

固定柜與移動(dòng)柜之間通過(guò)CAN 總線連接，固定柜控制板選用MCP2515 CAN 控制器和PCA82C251 CAN 收發(fā)器的組合。電路如圖6所示。

MCP2515 是一款完全支持CAN V2.0 技術(shù)規(guī)范， 并帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI 串口的CAN 控制器。該系統(tǒng)通過(guò)PG0，PF7，PD6，PD5，PD4，PD1 共6個(gè)I/O 口，控制MCP2515 進(jìn)行CAN 總線通訊。

圖5 液晶觸摸屏連接電路Fig.5 LCD touch screen connection circuit

圖6 CAN 總線電路Fig.6 CAN bus circuit

2.5 聲音輸出模塊電路設(shè)計(jì)

智能型密集架具有語(yǔ)音播報(bào)功能。當(dāng)移動(dòng)柜打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，密集架會(huì)有相應(yīng)的的語(yǔ)音提示；當(dāng)密集架檢測(cè)到架體內(nèi)有人或者雜物存在時(shí)，密集架會(huì)做出停止和禁止反應(yīng)并進(jìn)行語(yǔ)音提醒。語(yǔ)音播報(bào)電路如圖7所示。系統(tǒng)選用深圳百為公司的BY8301-16PY語(yǔ)音模塊。BY8301-16P 采用HY8301-SSOP23 MP3主控芯片，支持MP3 和AV 格式雙解碼。BY8301 內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)UART 異步串口接口， 設(shè)計(jì)中用USART1（PD3/TXD1，PD2/RXD1）控制語(yǔ)音模塊，語(yǔ)音模塊使用前需將語(yǔ)音模塊通過(guò)MICRO USB 數(shù)據(jù)線連在電腦存儲(chǔ)語(yǔ)音，存儲(chǔ)完成后單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的控制指令，控制其通過(guò)左右聲道（DACR，DACL）輸出需要的語(yǔ)音信號(hào)。

圖7 聲音輸出模塊Fig.7 Sound output module

3 固定柜控制板軟件設(shè)計(jì)

固定柜是整個(gè)智能型密集架控制系統(tǒng)的核心。它不僅要與移動(dòng)柜之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，還要與上位機(jī)管理軟件及液晶顯示屏進(jìn)行通信，固定柜必須實(shí)時(shí)處理線路上的各種信息并進(jìn)行相應(yīng)的反饋。固定柜具有控制整個(gè)架體動(dòng)作的功能，具體包括開(kāi)架運(yùn)行、閉架運(yùn)行、暫停等。固定柜主程序流程如圖8所示。

圖8 固定柜主程序流程Fig.8 Fixed cabinet main program flow chart

程序初始化以后，根據(jù)判斷條件執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)初始化包括配置系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器及計(jì)數(shù)器初始化、中斷設(shè)置、串口初始化、MCP2515 初始程序初始化以后，根據(jù)判斷條件執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)初始化包括配置系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器及計(jì)數(shù)器初始化、中斷設(shè)置、串口初始化、MCP2515 初始化、設(shè)置自檢標(biāo)記位Flag1 和觸發(fā)標(biāo)記位Flag2 為0；并設(shè)置了3 個(gè)中斷，UART0 中斷、定時(shí)器中斷、CAN 中斷。其中，UART0 中斷負(fù)責(zé)接收觸摸屏和按鍵發(fā)來(lái)的消息，MCU 處理后通過(guò)MCP2515 給移動(dòng)柜發(fā)送命令。CAN 中斷負(fù)責(zé)接收移動(dòng)柜發(fā)來(lái)的消息，并置相應(yīng)的標(biāo)志位然后做出回應(yīng)， 當(dāng)收到移動(dòng)列觸摸屏消息，固定列需要對(duì)移動(dòng)柜進(jìn)行命令回復(fù)。對(duì)于打開(kāi)、關(guān)閉、停止、鎖定、解鎖、通風(fēng)消息，固定柜需要對(duì)相關(guān)移動(dòng)柜發(fā)出有關(guān)命令，并置uart_flag，F(xiàn)lag1，F(xiàn)lag2 等標(biāo)記。定時(shí)器中斷用于定時(shí)查看紅外光柵傳感器狀態(tài)判斷有無(wú)遮擋物。

4 液晶觸摸屏設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用了顯控科技的AK-121SA 液晶觸摸屏，用SATOOL 組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。液晶觸摸屏和固定柜控制板的通訊采用RS-232 方式完成。固定柜控制板與液晶觸摸屏設(shè)計(jì)采用ModBus RTU 協(xié)議作為通訊協(xié)議， 所用到的功能碼為0X03 和0X06。該組態(tài)軟件將液晶觸摸屏上的多個(gè)開(kāi)關(guān)量通道分別對(duì)應(yīng)到一個(gè)寄存器上的不同位上，使得控制器在每次輪詢時(shí)，只需讀取一個(gè)寄存器的值，對(duì)其進(jìn)行分析，即可得到不同開(kāi)關(guān)量，節(jié)省了資源。組態(tài)軟件流程如圖9所示。

圖9 組態(tài)軟件流程Fig.9 Configuration software flow chart

5 設(shè)計(jì)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的固定柜控制板與液晶觸摸屏連接，調(diào)試結(jié)果如圖10所示。觸摸屏上有“上翻”“左移”“禁/停”“合架”“右移”“下翻”6 個(gè)按鍵。按“上翻”“下翻”鍵可選擇移動(dòng)柜的列號(hào)；“左移”“右移”控制移動(dòng)柜移動(dòng)方向；“合架” 是將所有移動(dòng)柜關(guān)閉；“禁/?！笔菍⒁苿?dòng)中的架子暫停下來(lái)， 而且鎖定其他按鍵，不能操作移動(dòng)列的“打開(kāi)”或者“關(guān)閉”移動(dòng)。經(jīng)調(diào)試檢驗(yàn)固定柜與移動(dòng)柜通信穩(wěn)定。

圖10 液晶觸摸屏界面Fig.10 LCD touch screen interface

6 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的智能型密集架中固定柜，具有良好的人機(jī)界面，并采用多重安全措施以保障工作人員安全。采用CAN 總線通以保障通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

深圳計(jì)為自動(dòng)化被認(rèn)定為國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)

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