小型自動圖書分揀裝置

李哲，唐彬（南華大學(xué)），肖興輝，陳暢，張劍峰，鐘春玲，王佳樂，朱霞，蔡新慧，羅欽（通訊作者）

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電氣工程及其自動化系，湖南株洲，412007）

0 引言

我國在圖書自動分揀的研究范圍相對較窄，且更多地聚焦在RFID技術(shù)在圖書館智能化管理研究和自動化立體書庫應(yīng)用上，其他方面涉及較少。而我國在小成本圖書自動分揀機(jī)上依舊處于研發(fā)階段。國外圖書館分揀技術(shù)研究更加廣泛，自動分揀普及程度達(dá)到90%以上，圖書自動分揀成為現(xiàn)代圖書館管理系統(tǒng)的主流趨勢[1-2]。

1 圖書分揀機(jī)的主體架構(gòu)

圖書分揀機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由推送結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)組成。推送結(jié)構(gòu)的功能是存放待分揀圖書，然后將圖書送入滑道并讀取圖書的圖書位置信息；轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的功能是接收從推送裝置的滑道上滑下來的圖書，做周期性旋轉(zhuǎn)運動。圖書分揀機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

■1.1 推送機(jī)械結(jié)構(gòu)

推送結(jié)構(gòu)的控制電路由推板控制電路、條形碼識別及發(fā)送電路組成，通過光電傳感器、RFID掃描槍、繼電器、步進(jìn)電機(jī)相互配合，將圖書推入滑道；轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)由舵機(jī)控制電路、減速步進(jìn)電機(jī)電路組成，舵機(jī)控制扇區(qū)開閉，行星減速步進(jìn)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。

圖1 圖書分揀機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

■1.2 轉(zhuǎn)盤機(jī)械結(jié)構(gòu)

裝置正常工作時，轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)盤底部有相對運動。因此運動和靜止部分必然會面臨導(dǎo)線纏繞問題。為避免電源模塊線路纏繞，采用滑環(huán)來處理。但考慮到轉(zhuǎn)盤主軸較粗，常規(guī)滑環(huán)不適用且定制滑環(huán)價格昂貴。利用碳刷和導(dǎo)電環(huán)配合工作，為舵機(jī)提供電源。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

■2.1 推板控制電路

推板控制電路通過單片機(jī)A、光電傳感器、直流減速和步進(jìn)電機(jī)的相互配合，將待分揀的圖書送入滑道。推送裝置控制電路框圖如圖2所示。

圖2 推送裝置控制電路

圖3 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電路

■2.2 轉(zhuǎn)盤控制電路

轉(zhuǎn)盤由固定在裝置底部的行星減速步進(jìn)電機(jī)57HB76（大減速比、大力矩）帶動，其用法和普通步進(jìn)電機(jī)相同。轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電路框圖如圖3所示。

■2.3 條形碼識別及發(fā)送電路設(shè)計

條形碼識別及發(fā)送電路通過條形碼掃描槍讀取圖書藏館位置，單片機(jī)B將圖書位置信息轉(zhuǎn)成二進(jìn)制編碼并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送。條形碼識別、顯示電路如圖框圖4所示。

圖4 條形碼識別、顯示電路

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

■3.1 推板控制流程

圖5 推板控制流程

推板控制程序的作用是單片機(jī)A、步進(jìn)電機(jī)、直流減速電機(jī)、光電傳感器相互配合，將圖書送入傾斜滑道。程序工作流程：人工將待分揀的圖書放在推板上，手動啟動開關(guān)。單片機(jī)A輸出PWM控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器和絲桿結(jié)構(gòu)帶動推板運動。在推送結(jié)構(gòu)末端放置光電傳感器，通過繼電器觸發(fā)單片機(jī)A中斷，步進(jìn)電機(jī)制動使推板停止運動。推板程序的工作流程如圖5所示。

單片機(jī)進(jìn)入中斷后，控制直流電機(jī)模塊的引腳變成高電平并持續(xù)1.2秒。在這1.2秒內(nèi)，直流減速電機(jī)正轉(zhuǎn)，齒輪、齒條結(jié)構(gòu)將圖書推入滑道；1.2秒后P1.0和P1.1引腳電平取反，再持續(xù)1.2秒使直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，齒條復(fù)位為下一本圖書的推送準(zhǔn)備，推板控制程序執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 推板控制程序執(zhí)行流程

■3.2 轉(zhuǎn)盤控制流程

轉(zhuǎn)盤分六個可活動的扇區(qū)，轉(zhuǎn)盤每次轉(zhuǎn)動一個扇區(qū)。單片機(jī)H控制減速電機(jī)每隔3秒鐘轉(zhuǎn)動一個扇區(qū)的角度，然后暫停2秒讓轉(zhuǎn)盤對應(yīng)扇區(qū)上的圖書有時間落入轉(zhuǎn)盤下方對應(yīng)轉(zhuǎn)盤扇區(qū)的歸類書箱。

■3.3 圖書條形碼掃描、處理流程

此部分程序的作用是在單片機(jī)A進(jìn)入中斷后，通過掃描槍掃描條形碼，將掃描槍讀取到字符及數(shù)字信息通過串口傳輸至單片機(jī)B。然后掃描到的條形碼信息進(jìn)行字節(jié)處理，然后通過LCD1602顯示。同時將掃描得到的待分揀書籍條碼信息與預(yù)先存儲在單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)體數(shù)組進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果得到圖書存放區(qū)域。單片機(jī)B將圖書的藏館信息轉(zhuǎn)換處理，編碼為3位二進(jìn)制數(shù)，將編碼信息傳輸至單片機(jī)C，然后通過藍(lán)牙模塊將編碼信息傳輸至轉(zhuǎn)盤底部單片機(jī)D，以便圖書分揀的后續(xù)工作。圖書掃描、處理程序執(zhí)行過程如圖7所示。

圖7 圖書條形碼掃描處理流程

4 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展，各類圖書館等相關(guān)單位在這方面表現(xiàn)出較大需求。在龐大市場和巨大存書數(shù)量面前，只有智能圖書分揀裝置才能滿足這樣的需求。本文設(shè)計面向圖書分揀的裝置，實現(xiàn)智能化圖書分揀工作，提高圖書館等綜合服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益。