0 引言

    目前，學生手頭擁有很多各類已閱書籍，每年一到畢業季，大多數學生都對大量積存的圖書發愁。這些書籍既不方便帶走，扔了又可惜，當做廢紙出售便失去了書籍的價值。盡管學生間自發交換、相互饋贈“二手書”也屢見不鮮，但范圍有限，導致學生手中的圖書不能得到很好的再次利用。目前市面上專門針對圖書的回收裝置寥寥無幾，并且無法聯網^[1]。針對上述問題，基于STM32設計了臥式圖書回收裝置。它可廣泛分布于Wi-Fi信號覆蓋區域，能夠實現圖書的高效自助回收，提供資金、優惠券等多種激勵方式。回收裝置通過網絡詳細記錄圖書的回收信息，為二手圖書的流通提供了便捷途徑。

1 系統的整體設計

1.1 系統的電氣結構設計

    系統由主機和從機兩部分構成，主機部分由以STM32F103RC為核心的控制模塊、串口拓展模塊、交互模塊和導軌模組構成；從機部分由以STC12C2052AD為核心的控制模塊、無線供電模塊和分離式裝卸模組構成；主機和從機通過藍牙透傳模塊進行無線通信。系統總體結構框圖如圖1所示。

    主機功能：一方面通過串口拓展模塊與交互模塊通信，實現圖書條形碼的讀取、用戶RFID卡的讀寫、優惠券打印、通過Wi-Fi與服務器通信等；另一方面控制導軌進而實現從機在導軌上的軸向運動，通過藍牙透傳模塊與從機通信，搜集整理從機信息，向從機發送動作指令，從而實現圖書的回收。

    從機功能：一方面通過分離式裝卸模組中的傳感器，收集圖書回收過程中機械運動的狀態信息并發送給主機；另一方面接收主機的動作指令，配合主機完成圖書的裝卸并調整圖書姿態。系統從機采用無線方式供電。

1.2 系統的功能設計

    一次完整的圖書回收流程如圖2所示，其主要功能如下：（1）將圖書從回收裝置外側插入到旋轉書立上，之后裝置的條碼掃描模塊會對其進行掃描，掃描有效后開始回收。（2）導軌模組將載有圖書的裝卸模組沿導軌運向艙內，運送過程中，裝卸模組實時測量與上一本圖書的距離，當到達距離上一本圖書10 cm時，從機向主機發送信息，絲桿停止轉動。從機控制器控制裝卸模組將圖書卸落至圖書支架上，之后旋轉書立恢復原始位置。（3）主機控制直流電機帶動裝卸模組繼續朝圖書方向移動，對當前圖書進行姿態調整，將松散斜靠的圖書壓緊。壓力傳感器實時測量壓力，當壓力達到設定閾值時，從機通過藍牙模塊通知主機停止推進裝卸模組。（4）將裝卸模組退回到初始位置。

2 系統的機械結構設計

    系統的機械結構設計示意圖如圖3所示。導軌模組是由直流電機（額定電壓12 V，500 rpm）、絲桿（導程8 mm）、導軌、圖書支架構成，其中直流電機由主機控制，與絲桿相連并帶動絲桿旋轉；旋轉的絲桿帶動從機沿導軌做軸向運動，將圖書運向回收裝置內部。圖書支架表面采用摩擦系數相對較大的橡膠材質，從而保證圖書能夠穩定放置在支架上。

    圖書裝卸模組由旋轉書立、旋轉軸、推桿電機、壓力傳感器和超聲測距模塊等構成，如圖4所示。它安裝在絲桿和導軌上，通過內螺紋與絲桿咬合，通過滾珠軸承與導軌套接^[2]。從機控制器安裝在裝卸模組上，對推桿電機進行控制，通過推桿的伸縮來推拉旋轉書立繞旋轉軸運動，從而使放置在書立上的圖書倒下并滑落至回收支架上，斜靠在上一本圖書或艙壁上。調整圖書姿態時，壓力傳感器會頂在當前圖書上，實時反饋推力。超聲測距模塊用于測量裝卸模組與最外側圖書的位置，一方面確定裝卸模組卸下圖書的軸向位置，另一方面測量回收裝置的有效容量。在旋轉書立內表面覆蓋一層光滑的塑料膜，用于減小圖書底部與書立之間的摩擦系數，確保卸落時圖書能夠順利滑出書立。

3 系統的硬件電路設計

3.1 主機串口拓展模塊設計

    本系統包含了Wi-Fi透傳模塊、條碼掃描模塊、熱敏打印機、RFID讀寫模塊、藍牙透傳模塊等，它們均采用UART串口通信協議與主控芯片通信^[3]。主控芯片STM32F103RC有5個可用串口，一方面LCD模塊和SD卡就占用了其中3個；另一方面為保證基礎功能穩定，將U5_Tx/U5_Rx單獨接入藍牙透傳模塊，負責主機與從機通信。為此必須將剩余的U1_Tx/U1_Rx進行串口拓展，連接其他4個串口外設，如圖5所示。

    主控芯片和4個拓展串口外接模塊采用全雙工通信方式。在空閑時發送方Tx處于“高電平”，同時將接收方Rx拉高[4]。通信開始時，Tx變為“低電平”，隨之將Rx拉低，觸發數據的接收過程。

    主控芯片的數據接收過程如下：4個交互模塊的Tx端作為四輸入與門的輸入端，與門的輸出接主控芯片的U1_Rx。空閑期間四個交互模塊的Tx全部為高電平，任何一個模塊的Tx變為低電平都會觸發主控芯片的接收過程。主控芯片接收到數據后，一方面對數據來源進行判斷，另一方面進行數據校驗。

    主控芯片的數據發送過程如下：將主控芯片的PC0、PC1、PC2和PC3分別作為四個或門的一個輸入，U1_Tx同時作為四個或門的另一個輸入，四個或門的輸出分別接四個交互模塊的Rx。只有當主控芯片PC0、PC1、PC2和PC3任一引腳拉低時，主控芯片Tx才能通過對應的或門輸出至對應串口模塊，從而觸發對應外設接收主控芯片發送的數據。

3.2 從機無線供電模塊設計

    從機要攜帶圖書在狹長的軌道上做往復運動，為避免有線供電帶來的線材磨損和可能發生的導線纏繞、拉斷等故障，故從機選擇無線供電方式，如圖6所示。無線供電接收模塊連接TP4096鋰電池電源管理模塊，為3.7 V鋰電池進行充電。由于從機需通過L293驅動推桿電機，而L293需要5 V電壓供電，所以采用MC34063對鋰電池進行升壓^[5]。

    無線供電發射模塊包括方波脈沖寬度調制發生器芯片XKT-408A、集成晶閘管芯片T5336和發射線圈（原邊繞組）。XKT-408A產生67 kHz方波信號，然后驅動T5336在發射線圈中產生67 kHz的高頻交變電流。

    無線供電接收模塊包括開關型穩壓芯片T3168和接收線圈（副邊繞組）。接收線圈將感應得到的交變電流經整流、濾波、穩壓變成直流電，再送給鋰電池電源管理模塊^[6]。

    線圈貼合距離在5 mm范圍內時，無線供電接收模塊額定輸出電壓為V₁=5 V，電流為I₁=150 mA，為鋰電池充電。從機靜態時供電電壓為V₂=5 V，消耗電流為I₂=15 mA；在推桿電機運轉時從機供電電壓為V₃=5 V，消耗電流為I₃=230 mA。根據TP4096 和MC34063的數據手冊，鋰電池電源管理模塊的充電效率η₁為80%～95%，升壓模塊的效率η₂為60%～75%。設從機裝卸圖書時間占總時間的比例為K，可得：

    在η₁=80%、η₂=60%的最壞情況下，K=26.5%。實際的K值遠遠小于26.5%，因此無線供電完全可以滿足從機的供能需求。

    整個無線供電電路固定在從機上。無圖書回收時，從機停靠在軌道的起始端，無線供電接收模塊線圈與主機的發射模塊線圈對正貼合，對鋰電池充電。回收過程中從機離開軌道起始端，充電中止。

4 系統的軟件設計

4.1 主機軟件設計

    主機的軟件設計流程圖如圖7所示。主機上電后先進行初始化和自檢，當有圖書插入回收裝置時，激活回收流程。

4.2 從機軟件設計

    從機通過控制推桿電機裝卸圖書，并配合主機進行超聲測距和壓力探測，完成圖書回收，從機的軟件設計流程圖如圖8所示。

5 結論

    本文基于STM32F103RC設計的圖書自助回收裝置，一方面通過無線供電模塊和藍牙通信模塊完成了從機的無線供電和主從無線通信，使得回收裝置的穩定性和可靠性大幅提升；另一方面，設計的串口拓展模塊突破了主控芯片的串口數量限制，大大增加了交互模塊的數量。系統采用簡潔高效的機械結構可完成圖書的自助回收，大大降低了設備成本。另外，通過改變系統中的導軌和絲桿長度，并匹配合適功率的直流電機，還可以增加圖書的回收數量。

參考文獻

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[3] 馬忠梅，徐琰，葉青林.ARM Cortex微控制器教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 官媛，王勇.嵌入式串口通訊服務器的研究和設計[D].杭州：浙江大學，2006.

[5] 周亞楠，周東輝.鋰電池管理系統的研究與實現[D].青島：中國海洋大學，2008.

[6] 丁闖，趙永東，江鵬程，等.非接觸感應供電技術及其在扭矩測試中的應用[J].現代電子技術，2013(23).