基于Arduino 的文件自動裝訂裝置設計

2023-12-18 08:58:38楊玉林趙家松楊爭鋼

現代電子技術 2023年24期

楊玉林，趙家松，楊爭鋼，潘鈺

（云南農業大學理學院，云南昆明 650201）

0 引言

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

目前，我國的裝訂設備行業處于相對落后的階段，裝訂機總體質量不高，打印機的構造、功能都比較單一，設備大多屬于半自動化水平。現有民用領域的小型自動裝訂機因成本較高、結構復雜、維修不便，制約了該產品推廣[3-4]。本文設計了一種小型自動裝訂機，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行紙張計數以及自動裝訂的方案，能夠實現文件的自動裝訂以及自動運送。

1 總體結構與控制系統

1.1 裝置機械結構

本文所設計的文件自動裝訂裝置采用模塊化設計，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/傳送裝置。

文件自動裝訂裝置總體結構如圖1 所示。

圖1 文件自動裝訂裝置總體結構

圖1 中紙張計數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 軟件進行3D 建模，構建出系統各部件的結構以及連接位置，設計出基于激光阻擋的紙張計數模塊以及自動裝訂模塊，最后結合其他模塊搭建起一套完整的裝置，實現協同工作。

1.2 控制系統方案

本文裝置的控制系統硬件電路結構如圖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、電機驅動模塊、電機、舵機等元件組成，利用Arduino Nano[8]開發板作為主控制器，控制外圍設備協同工作。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，液晶顯示屏用于顯示操作，舵機和電機用于完成文件的運送和裝訂。

圖2 控制系統硬件電路結構

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

所設計系統中的主控制器模塊采用Arduino Nano開發板，它的處理器是ATmega328，其搭配的硬件接口包括14 路數字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，滿足本文設計的自動裝訂裝置的要求。

多項研究表明，基于Arduino 的電子設計并結合傳感器模塊、電機等硬件，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，以期達到更優的性能。

2.2 激光頭傳感器模塊

激光頭傳感器模塊[13]是能夠發射激光的傳感器，在紙張計數模塊中，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，能夠發射波長為650 nm 的紅色激光，其光照度強于一般的室內光，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 和開發板的模擬信號引腳A7 連接。用激光頭發出射線照射光敏電阻，當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 直流電機選擇

在自動裝訂模塊中采用滑輪組的結構設計能夠達到省力目的。其可以將按壓裝訂動作轉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[14]。

本裝置總共需要用到3 個直流電機，其中，傳送裝置以及傳送盒使用的是130 雙出軸電機，其工作電壓為DC 1.5～6 V，扭矩較小適合負載小的情況，130 電機與開發板的數字引腳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，最高需要24 V的直流電壓供電。

同時采用L298N 電機驅動模塊來驅動RK-370CA-20200 電機，該模塊可以控制電機的啟停和轉速，通過L298N 調整PWM 的方式來適當降低其轉速且保持較大的扭矩。

2.5 L298N 電機驅動模塊

L298N 電機驅動模塊[15]可以驅動感性負載，如大功率的直流電機、步進電機等，其邏輯電平輸入端可以與Arduino 單片機直接相連，能夠很方便地被單片機控制。當L298N 模塊驅動直流電機時，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的邏輯輸入端的高低電平，就可以實現調速正轉、反轉或是停止。

PWM 調速設置如表1 所示。

表1 PWM 調速設置

2.6 供電方案

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

圖3 系統供電電路連接圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計使用Arduino IDE 集成環境開發，代碼編寫使用C 語言。系統程序流程如圖4 所示，包括紙張數輸入程序、紙張計數程序、自動裝訂程序、自動運送程序。

圖4 系統程序流程

在Arduino 中，void setup( )和void loop( )是兩個重要的組件，它們負責為激光頭傳感器、光敏電阻傳感器、舵機以及L298N 電機驅動模塊提供初始化的功能，從而實現系統的高效運行。void loop( )是一個循環函數，它可以用來檢測激光阻擋、控制電機和舵機的運行，從而實現系統有效的控制。

3.1 紙張計數程序

將輸入的紙張數作為一個變量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，初始時保持激光發射模塊開啟，此時光敏電阻傳感器模塊會接收到一個較強的光強。而中間有A4 紙通過時，R1的值會發生較大的變化，這樣就可以將某個R1的值作為判斷條件。

實驗結果表明，在室內光照度為150 lx 的情況下，當激光照射在光敏電阻上時，R1始終處于0～50 這個范圍，而當有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，紙張計數程序流程如圖5 所示。

圖5 紙張計數流程

3.2 自動運送程序

自動裝訂程序完成后，即文件已經裝訂好，此時進行自動運送程序。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及2 個SG90 舵機旋轉。主控制器先控制電機旋轉，然后立即控制舵機旋轉，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。最后再控制舵機反向旋轉，并讓舵機復原到初始位置，等待下一份已裝訂好并需要運送的文件。