楊玉林， 趙家松， 楊爭鋼， 潘 鈺

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 云南 昆明 650201）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們預(yù)言的無紙時代有可能會到來，但打印機(jī)的使用仍極為必要。世界紙張需求量每年以成倍的速率在增加，打印機(jī)的銷量額以每年超過8%的速率在增長，這預(yù)示著打印機(jī)不僅不會消失，而且將得到越來越快的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣闊[1-2]。

目前，我國的裝訂設(shè)備行業(yè)處于相對落后的階段，裝訂機(jī)總體質(zhì)量不高，打印機(jī)的構(gòu)造、功能都比較單一，設(shè)備大多屬于半自動化水平?，F(xiàn)有民用領(lǐng)域的小型自動裝訂機(jī)因成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，制約了該產(chǎn)品推廣[3-4]。本文設(shè)計了一種小型自動裝訂機(jī)，利用Arduino Nano[5-7]作為主控制器來控制外圍模塊，并提出了利用激光阻擋進(jìn)行紙張計數(shù)以及自動裝訂的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)文件的自動裝訂以及自動運送。

1 總體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

1.1 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的文件自動裝訂裝置采用模塊化設(shè)計，主要由以下5 個模塊組成：自動裝訂模塊、阻擋板、傳送盒、待裝盒、紙張計數(shù)/傳送裝置。

文件自動裝訂裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 文件自動裝訂裝置總體結(jié)構(gòu)

圖1 中紙張計數(shù)以及自動裝訂模塊是文件自動裝訂裝置的核心部件。該裝置利用Sketch Up 軟件進(jìn)行3D 建模，構(gòu)建出系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)以及連接位置，設(shè)計出基于激光阻擋的紙張計數(shù)模塊以及自動裝訂模塊，最后結(jié)合其他模塊搭建起一套完整的裝置，實現(xiàn)協(xié)同工作。

1.2 控制系統(tǒng)方案

本文裝置的控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由激光頭傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、液晶顯示屏模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電機(jī)、舵機(jī)等元件組成，利用Arduino Nano[8]開發(fā)板作為主控制器，控制外圍設(shè)備協(xié)同工作。其中，激光頭傳感器模塊與光敏電阻傳感器模塊共同用于紙張的計數(shù)，液晶顯示屏用于顯示操作，舵機(jī)和電機(jī)用于完成文件的運送和裝訂。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器

所設(shè)計系統(tǒng)中的主控制器模塊采用Arduino Nano開發(fā)板，它的處理器是ATmega328，其搭配的硬件接口包括14 路數(shù)字I/O 端口，6 個模擬端口，1 個16 MHz 晶體振 蕩 器，1 個USB 接 口，1 個DC 電 源 插 座，1 個ICSP header 和1 個復(fù)位按鈕；而且ATmega328 的閃存存儲器[9-10]為32 KB，SRAM 為2 KB，E2PROM 為1 KB，滿足本文設(shè)計的自動裝訂裝置的要求。

多項研究表明，基于Arduino 的電子設(shè)計并結(jié)合傳感器模塊、電機(jī)等硬件，不僅具有良好的可靠性，而且還能夠滿足多樣化的機(jī)器人功能要求[11-12]。因此，本文將其作為該裝置的主控模塊，以期達(dá)到更優(yōu)的性能。

2.2 激光頭傳感器模塊

激光頭傳感器模塊[13]是能夠發(fā)射激光的傳感器，在紙張計數(shù)模塊中，采用型號為KY-008 的3 引腳的激光頭傳感器模塊。該模塊由DC 5 V 供電，能夠發(fā)射波長為650 nm 的紅色激光，其光照度強(qiáng)于一般的室內(nèi)光，照射在光敏電阻之上與沒有照射在上面相比較，光敏電阻模塊模擬輸出值的差距較大，有利于主控制器檢測出來。

2.3 光敏電阻傳感器模塊

本文裝置采用集成有LM393 雙電壓比較器的4 引腳光敏電阻傳感器模塊，工作電壓為DC 5 V。其模擬信號輸出引腳與AO 和開發(fā)板的模擬信號引腳A7 連接。用激光頭發(fā)出射線照射光敏電阻，當(dāng)光敏電阻接收到光照時阻值變小，此時LM393 電壓比較器輸出低電平，若有物體把激光遮擋，則光敏電阻阻值將會變大，此時LM393 輸出高電平。

2.4 直流電機(jī)選擇

在自動裝訂模塊中采用滑輪組的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠達(dá)到省力目的。其可以將按壓裝訂動作轉(zhuǎn)換為通過盤繞并收緊牽引線的方式，因此需要扭矩較大的直流電機(jī)[14]。

本裝置總共需要用到3 個直流電機(jī)，其中，傳送裝置以及傳送盒使用的是130 雙出軸電機(jī)，其工作電壓為DC 1.5～6 V，扭矩較小適合負(fù)載小的情況，130 電機(jī)與開發(fā)板的數(shù)字引腳D13 連接；在自動裝訂模塊中所使用的為扭矩較大的RK-370CA-20200 電機(jī)，最高需要24 V的直流電壓供電。

同時采用L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動RK-370CA-20200 電機(jī)，該模塊可以控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速，通過L298N 調(diào)整PWM 的方式來適當(dāng)降低其轉(zhuǎn)速且保持較大的扭矩。

2.5 L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊

L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊[15]可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率的直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，其邏輯電平輸入端可以與Arduino 單片機(jī)直接相連，能夠很方便地被單片機(jī)控制。當(dāng)L298N 模塊驅(qū)動直流電機(jī)時，其邏輯輸入端IN1、IN2分別與主控制器的D11～D12 連接，只需要改變模塊相應(yīng)的邏輯輸入端的高低電平，就可以實現(xiàn)調(diào)速正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或是停止。

PWM 調(diào)速設(shè)置如表1 所示。

表1 PWM 調(diào)速設(shè)置

2.6 供電方案

如圖3 所示，所設(shè)計裝置涉及模塊較多，僅由Arduino 開發(fā)板供電無法滿足需求，因此設(shè)計了一個供電方案。Arduino 開發(fā)板、激光頭傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊和SG90 360°舵機(jī)共用一個輸出為5 V/2 A的電源，2 個130 雙出軸電機(jī)由Arduino Nano 開發(fā)板提供電源，L298N 模塊單獨連接至一個24 V/2 A 的電源。

圖3 系統(tǒng)供電電路連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計使用Arduino IDE 集成環(huán)境開發(fā)，代碼編寫使用C 語言。系統(tǒng)程序流程如圖4 所示，包括紙張數(shù)輸入程序、紙張計數(shù)程序、自動裝訂程序、自動運送程序。

圖4 系統(tǒng)程序流程

在Arduino 中，void setup( )和void loop( )是兩個重要的組件，它們負(fù)責(zé)為激光頭傳感器、光敏電阻傳感器、舵機(jī)以及L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊提供初始化的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行。void loop( )是一個循環(huán)函數(shù)，它可以用來檢測激光阻擋、控制電機(jī)和舵機(jī)的運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)有效的控制。

3.1 紙張計數(shù)程序

將輸入的紙張數(shù)作為一個變量Default，并將光敏電阻傳感器的模擬信號輸出值存入一個變量R1中，激光阻擋判斷程序，初始時保持激光發(fā)射模塊開啟，此時光敏電阻傳感器模塊會接收到一個較強(qiáng)的光強(qiáng)。而中間有A4 紙通過時，R1的值會發(fā)生較大的變化，這樣就可以將某個R1的值作為判斷條件。

實驗結(jié)果表明，在室內(nèi)光照度為150 lx 的情況下，當(dāng)激光照射在光敏電阻上時，R1始終處于0～50 這個范圍，而當(dāng)有A4紙通過并阻擋激光時，R1會突變到大于等于300的范圍。因此，將R1≤50 作為判斷有激光照射的情況，將R1≥100 作為判斷阻擋的情況，紙張計數(shù)程序流程如圖5 所示。

圖5 紙張計數(shù)流程

3.2 自動運送程序

自動裝訂程序完成后，即文件已經(jīng)裝訂好，此時進(jìn)行自動運送程序。如圖6 所示，自動運送程序控制前文提到的傳送盒中的電機(jī)及2 個SG90 舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。主控制器先控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后立即控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，將擋板抬起來并延時0.5 s，此時就可以將裝訂好的文件送出本裝置。最后再控制舵機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，并讓舵機(jī)復(fù)原到初始位置，等待下一份已裝訂好并需要運送的文件。

圖6 自動運送程序流程

4 調(diào)試結(jié)果

將自動裝訂裝置樣機(jī)連接到惠普M232DW 打印機(jī)進(jìn)行單面打印試驗，結(jié)果如表2 所示。表中時間包括打印機(jī)出紙時間、裝訂和運送時間。由表2 可知，該裝置能夠準(zhǔn)確計數(shù)并裝訂15 張A4 紙的文件，并且運行過程穩(wěn)定性較好，滿足基本性能要求。

表2 測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文利用激光頭傳感器模塊和光敏電阻傳感器模塊實現(xiàn)紙張計數(shù)，采用Arduino Nano 作為主控制器對文件自動裝訂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并對控制系統(tǒng)硬件的相關(guān)器件和工作原理進(jìn)行介紹。所設(shè)計裝置滿足小批量文件打印裝訂的功能需求，有一定的應(yīng)用價值。

注：本文通訊作者為趙家松。