侯凡博 杜 毅 邢春芳 張一博 張征宇

（安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng)455000）

1 概述

在我國(guó)的各個(gè)大、中、小學(xué)的教學(xué)過程中，為了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)教學(xué)目標(biāo)的掌握程度，通常采用給學(xué)生分發(fā)紙質(zhì)試卷、采用考試的形式來(lái)進(jìn)行。這就需要老師們既要出考題，又要對(duì)打印出的多張不同試卷進(jìn)行分揀和裝訂；教師忙于出試卷，又苦于試卷的分頁(yè)與裝訂。傳統(tǒng)的人工方式對(duì)試卷分裝裝訂既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又容易產(chǎn)生一定的人為錯(cuò)誤。面對(duì)龐大的試卷數(shù)量，教師們總是疲于應(yīng)對(duì)，而由于試卷具有一定的保密性，所以無(wú)法通過學(xué)生幫忙完成此試卷的分頁(yè)與裝訂，因此急需一種試卷自動(dòng)裝訂機(jī)器，將不同頁(yè)碼的試卷紙張放入后，可自動(dòng)完成試卷的分揀和裝訂。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本設(shè)計(jì)針對(duì)一種新型的試卷分揀和裝訂的機(jī)械裝置，設(shè)計(jì)了控制電路，可實(shí)現(xiàn)試卷的自動(dòng)分揀和裝訂，能有效的節(jié)省人力物力，提高工作效率。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

試卷自動(dòng)分揀和裝訂機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)臺(tái)、分揀送紙機(jī)構(gòu)和裝訂機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。

2.1 機(jī)臺(tái)

在底座支架上設(shè)置有分揀送紙系統(tǒng)和裝訂系統(tǒng)。

2.2 分揀送紙機(jī)構(gòu)

分揀送紙機(jī)構(gòu)包括多套紙托盤，多套紙托盤在豎直方向重疊放置；每一套紙托盤的出紙口設(shè)置有一個(gè)搓紙輥和一對(duì)送紙輥，搓紙輥由搓紙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，送紙輥由送紙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在出紙口下方還設(shè)置有出紙傳感器，如圖1 所示。

圖1 分揀送紙機(jī)構(gòu)

2.3 裝訂機(jī)構(gòu)

裝訂機(jī)構(gòu)包括左導(dǎo)軌和右導(dǎo)軌，左導(dǎo)軌和右導(dǎo)軌平行固定在底座支架上，在左導(dǎo)軌和右導(dǎo)軌上分別設(shè)置有滑塊，滑塊可沿導(dǎo)軌前后滑動(dòng)，滑塊內(nèi)穿有通軸，通軸包括左通軸和右通軸，通軸與導(dǎo)軌平行，通軸可相對(duì)滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，通軸上還固定連接有轉(zhuǎn)軸，在左通軸和右通軸的末端分別與左電機(jī)和右電機(jī)的輸出軸固定連接，左電機(jī)和右電機(jī)通過第一連接板連接；在左通軸和右通軸之間設(shè)置有接紙盤，接紙盤包括左半頁(yè)和右半頁(yè)，左半頁(yè)與左通軸上的轉(zhuǎn)軸固定連接，右半頁(yè)與右通軸上的轉(zhuǎn)軸固定連接；在接紙盤和第一連接板之間還設(shè)置有第二連接板，左通軸和右通軸均穿過第二連接板，左通軸和右通軸與第二連接板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在第二連接板上設(shè)置有自動(dòng)裝訂機(jī)[1]。同時(shí)在底座支架上設(shè)有紙張對(duì)齊電機(jī)，紙張對(duì)齊電機(jī)輸出軸上設(shè)置有同步輪和同步帶，同步帶與第一連接板固定連接，裝訂機(jī)構(gòu)如圖2所示。

在具體工作過程中，分揀出紙部分有多套紙托盤，每個(gè)紙托盤可存放多張同一頁(yè)碼的試卷，通過控制終端可以實(shí)現(xiàn)不同頁(yè)碼的試卷按照設(shè)定的順序依次送出，并在接紙盤上疊放；通過對(duì)齊電機(jī)的帶動(dòng)可使多張?jiān)嚲韺?duì)齊，通過自動(dòng)裝訂機(jī)裝訂后，使接紙盤的左半頁(yè)和右半頁(yè)向下打開，裝訂好的試卷便自動(dòng)落下，至此完成試卷分揀裝訂。

圖2 分揀送紙機(jī)構(gòu)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)上，本設(shè)計(jì)使用了每個(gè)單元模塊化設(shè)計(jì)的思想，將整個(gè)電路分為不同的模塊，包括微處理器模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和紅外傳感器模塊等，其中主控微處理器模塊擬采用STM32 單片機(jī)做為控制核心，顯示模塊使用SH1106 來(lái)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用L298N 來(lái)實(shí)現(xiàn)完成[2]。

3.1 STM32 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6 作為主控芯片。最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源電路，晶振電路和復(fù)位電路組成，原理如圖3 所示。

圖3 STM32 最小系統(tǒng)原理圖

圖4 人機(jī)接口電路原理圖

電源電路方面，STM32F103 處理器的穩(wěn)定工作電壓為3.3V,減速電機(jī)的工作電壓為12V，因此選用XL1509 降壓芯片。XL1509 具有寬的電壓輸入范圍4.5-40 伏，輸出范圍可調(diào)。該電源芯片驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，擁有很好的線性能力。外部采用12V 供電方便直流減速電機(jī)工作，C1 是輸入端的去耦電容，去除輸入電壓處的雜波，電感用于平滑電流，二極管的作用是在切斷電源時(shí)做續(xù)流二極管用防止電感產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)，輸出端330uf 和1uf 用于濾除高頻和低頻干擾信號(hào)。

晶振電路選用8MHz 的無(wú)緣晶振，22pf 的諧振電容。復(fù)位電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電容C6 起到阻斷直流電流的的作用，相當(dāng)于此時(shí)電容處為斷路，此時(shí)的復(fù)位線NRST 是高電平，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。當(dāng)按下復(fù)位按鍵時(shí)NRST 與GND 相連，此時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。另外電路主板上電的瞬間需要對(duì)電容進(jìn)行充電，此時(shí)電容就相當(dāng)于通路，則NRST 與GND 處于同一個(gè)電平，隨著電容充電越來(lái)越多，即將充滿的時(shí)候，電流會(huì)越來(lái)越小，也就會(huì)越來(lái)越小，直到電容完全充滿電后，線路上不再有電流，NRST 又變成了高電平。從這個(gè)三個(gè)角度上來(lái)看，使用這個(gè)電路，單片機(jī)在上電后，NRST 引腳會(huì)先保持一小段時(shí)間的低電平而后變成高電平，此流程就是上電進(jìn)行復(fù)位單片機(jī)的流程。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。減速電機(jī)由齒輪組和直流電機(jī)組成。減速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，易于維護(hù)和廣泛使用。與步進(jìn)電機(jī)相比，減速電機(jī)更是有價(jià)格優(yōu)惠和扭矩大的特點(diǎn)，固本設(shè)計(jì)選用的減速電機(jī)轉(zhuǎn)速為50r/min。

單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)，需要采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的專用集成電路L298N。L298N 由4 個(gè)三極管組成H 橋電路。L298N 芯片的輸出電流可達(dá)到為2A，最高電流也可達(dá)到4A，最高工作電壓為50V，可直接驅(qū)動(dòng)大功率直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等感性負(fù)載，輸入端可直接與單片機(jī)輸出IO 相連接，因此適用于本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)來(lái)直接控制[4]。L298N 芯片可驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)兩相電機(jī)，最大輸出電壓可高達(dá)50V，輸出電壓可通過改變輸入電源大小直接調(diào)節(jié)，信號(hào)可由單片機(jī)的IO 口直接提供，電路簡(jiǎn)單易用。如果要對(duì)直流電機(jī)做PWM調(diào)速輸出，需設(shè)置IN1 和IN2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后對(duì)使能端EN 輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

3.3 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

人機(jī)接口電路包括顯示電路、按鍵電路和旋鈕電路。電路原理圖如圖4 所示。

顯示電路采用SH1106 進(jìn)行顯示。SH1106 是一個(gè)單片CMOS OLED/pled 顯示的驅(qū)動(dòng)器，帶有本身的控制器，操作配置內(nèi)部的RAM，本設(shè)計(jì)采用SPI 接口傳輸數(shù)據(jù)。采用4 條線SPI傳輸數(shù)據(jù)，串行接口由串行的時(shí)鐘線，串行的數(shù)據(jù)線，A0 和片選線組成。在時(shí)鐘線的每個(gè)上升沿按照先發(fā)高位再發(fā)低位的順序?qū)?shù)據(jù)寫入八位移位寄存器。每隔8 時(shí)鐘周期對(duì)A0 進(jìn)行一次采樣，并將移位寄存器中的數(shù)據(jù)在同一時(shí)鐘寫入顯示數(shù)據(jù)RAM存儲(chǔ)器或?qū)懭朊罴拇嫫鳌?/p>

按鍵采用矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)，按鍵負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開始和停止。旋鈕采用EC11 旋轉(zhuǎn)編碼器，負(fù)責(zé)調(diào)試電機(jī)運(yùn)行速度，接口部分接上排線與主板連接，使顯示界面和主板實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面。旋轉(zhuǎn)編碼器的電路采用RC 濾波電路，保證旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)穩(wěn)定，可以從硬件層面減少信號(hào)不穩(wěn)定的問題。

4 結(jié)論

本論文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一種試卷自動(dòng)分揀裝訂裝置。工作前只需要把試卷分別放在不同的進(jìn)紙框內(nèi)，設(shè)置好裝訂份數(shù)之后點(diǎn)擊開始工作，在程序電路的控制下由機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)紙機(jī)構(gòu)，裝訂機(jī)構(gòu)，完成分揀、進(jìn)紙、整理、裝訂、擺放等步驟，直至完成設(shè)定工作量。本課題的研究主要是推動(dòng)打印裝訂行業(yè)發(fā)展，提高效率節(jié)省工作時(shí)間，對(duì)于裝訂自動(dòng)化行業(yè)有一定的參考價(jià)值。