試卷分揀與裝訂自動(dòng)化裝置的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鳳濤，周 統(tǒng)，郭 爽

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

近年來(lái)，全國(guó)各高校、高中及九年義務(wù)階段學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量不斷提高。于此同時(shí)，近三年全國(guó)教育領(lǐng)域試卷的需求量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全國(guó)試卷的需求量已經(jīng)突破了600億份。一體化速印機(jī)具有印刷速度快、印刷成本低、適合日常大量印刷等優(yōu)勢(shì)，代替了傳統(tǒng)的復(fù)印機(jī)，被廣泛應(yīng)用于學(xué)校印刷試卷和機(jī)關(guān)單位印刷文件等場(chǎng)合。

現(xiàn)階段速印機(jī)工作時(shí)需先制版再印刷、底版不可重復(fù)利用的工作特點(diǎn)決定了其無(wú)法像復(fù)印機(jī)那樣可分稿印刷、成套輸出。于是，后期試卷的分揀和裝訂工作需要人工完成。由于試卷需要嚴(yán)格保密的特殊性，參與分揀和裝訂工作的人員只能是出題教師或課程組其他教師成員。教育領(lǐng)域在考試時(shí)面臨著兩大難題：一是需要大量的教師手工對(duì)試卷進(jìn)行分揀和裝訂，效率極低且無(wú)法及時(shí)滿足試卷量的需求；二是人工分揀的失誤率較高。因此，教育界對(duì)試卷進(jìn)行自動(dòng)分揀和自動(dòng)裝訂提出了迫切需求。

1 裝置的工作原理

本裝置在研究過(guò)程中采用了ATMEGA328單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心、一主多從的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多機(jī)無(wú)線通信方式，使得6套分頁(yè)裝置、1套裝訂裝置、1套傳送裝置以及各個(gè)傳感器在主機(jī)的命令下相互配合、協(xié)調(diào)工作，以流水線的形式自動(dòng)完成試卷的分頁(yè)、排序、整理、裝訂等工作任務(wù)，主機(jī)控制系統(tǒng)和從機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1和圖2所示。

2 主機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

主機(jī)控制電路如圖3所示。主機(jī)在工作過(guò)程中需要控制一條1.5m左右的傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，該傳送帶的執(zhí)行電機(jī)采用的是三相24V交流滾筒電機(jī)，因此需采用變頻器對(duì)該電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制(P3負(fù)責(zé)控制變頻器的啟停，轉(zhuǎn)速已設(shè)成固定值)。當(dāng)傳送帶運(yùn)行一個(gè)工位后，主機(jī)通過(guò)檢測(cè)限位傳感器P6的狀態(tài)來(lái)判斷需要停車的位置，使傳送帶準(zhǔn)確地停在對(duì)應(yīng)的工位上，允許誤差≤5mm。

裝訂機(jī)采用的是得力0489型電動(dòng)訂書(shū)機(jī)，主要原因是它使用的是標(biāo)準(zhǔn)的12#書(shū)釘，一次最大裝入量可達(dá)200釘。用ATMEGA328驅(qū)動(dòng)一個(gè)舵機(jī)(圖3中P5)，使它的搖柄能可靠地接觸到電動(dòng)訂書(shū)機(jī)的觸碰開(kāi)關(guān),從而自動(dòng)完成一份試卷的裝訂工作。

為了使本裝置在設(shè)置過(guò)程中使用更加方便，可在操作者的手機(jī)上安裝我們自主研發(fā)的APP應(yīng)用程序，手機(jī)與主機(jī)之間通過(guò)藍(lán)牙通信完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置信息也可通過(guò)操作獨(dú)立式按鍵S1～S4完成。主機(jī)上所有信息通過(guò)LCD12864顯示給操作者，Q1驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器起到操作提示和故障報(bào)警的作用。整個(gè)控制系統(tǒng)均使用DC12V6A的開(kāi)關(guān)電源供電，因此設(shè)計(jì)了LM2596S-5.0組成DC/DC降壓電路，變換出系統(tǒng)所需5V電壓。主機(jī)通過(guò)P1連接的無(wú)線串口與從機(jī)進(jìn)行命令發(fā)布和信息交換。

3 從機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

通過(guò)大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，考試試卷頁(yè)數(shù)最多不超過(guò)6頁(yè)，因此采用了6套進(jìn)紙器可實(shí)現(xiàn)不超過(guò)6頁(yè)試卷的分揀和裝訂任務(wù)。相應(yīng)地，從機(jī)系統(tǒng)共有6套完全相同的控制電路，它們?cè)谥鳈C(jī)的命令下完成本頁(yè)紙張的分揀任務(wù)及狀態(tài)信息的反饋。從機(jī)控制電路如圖4所示。

進(jìn)紙器采用的是12V、減速比為1∶86、額定轉(zhuǎn)速為93r/min、最大扭矩可達(dá)30kg·cm的直流減速電機(jī)成組拖動(dòng)、外加離合器相配合的機(jī)電傳動(dòng)方式，可有效減少電動(dòng)機(jī)的使用數(shù)量，也使得進(jìn)紙器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比多電機(jī)控制方式更優(yōu)化。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的是TB6612FNG芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，本系統(tǒng)只用到1路驅(qū)動(dòng)，另一路作為備用。該芯片具有體積小、驅(qū)動(dòng)電流大，發(fā)熱量小，帶有PWM調(diào)速功能，易和單片機(jī)相連接等特點(diǎn)。

進(jìn)紙器接口P4的1、2引腳連接的是上紙離合的線圈，該線圈得到一個(gè)脈沖，進(jìn)紙機(jī)構(gòu)將向上抬起。再得到一個(gè)脈沖進(jìn)紙機(jī)構(gòu)將回落，這樣就完成一個(gè)周期的上紙動(dòng)作。脈沖寬度需由P4的5、6、7引腳所接的槽型光耦提供的反饋信號(hào)來(lái)決定，光耦槽被遮擋表示進(jìn)紙機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功抬起，光耦槽未被遮擋表示已成功回落。P4的3、4引腳連接的是滾動(dòng)離合線圈，該線圈得電，搓紙機(jī)構(gòu)將與主齒輪嚙合開(kāi)始滾動(dòng)，搓一頁(yè)紙進(jìn)入/退出進(jìn)紙器，方向由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向來(lái)決定。進(jìn)/退結(jié)束信號(hào)可通過(guò)P6外接的光電傳感器反饋得到。連續(xù)進(jìn)紙時(shí)若紙盤(pán)中無(wú)紙，紙盤(pán)上的紙壓翻板在彈簧的作用下抬起，P4的8、9、10引腳所連接的槽型光耦將提供反饋信號(hào)經(jīng)后極電路處理成高低電平送入單片機(jī)，低電平表示缺紙，高電平表示有紙。從機(jī)接收主機(jī)命令，發(fā)送動(dòng)作完成、工作狀態(tài)、出錯(cuò)等信息均需通過(guò)P1接口連接的無(wú)線串口與主機(jī)進(jìn)行通信。從機(jī)也采用一個(gè)DC12V開(kāi)關(guān)電源供電，所以電路中還需DC/DC升壓模塊得到滾動(dòng)線圈所需的24V電壓，和DC/DC降壓電路得到系統(tǒng)所需的5V電壓。

4 結(jié)語(yǔ)

本自動(dòng)化裝置研制成功可解決教育界面臨的“分卷難題”。學(xué)校因資源的節(jié)約和工作效率的提高而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值則無(wú)法估量，因此該裝置具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前市場(chǎng)上并無(wú)此類產(chǎn)品，很適合具有機(jī)械、電子、自動(dòng)化等研發(fā)能力的大學(xué)生團(tuán)隊(duì)創(chuàng)業(yè)。