智能型密集架中固定柜的設計

楊 帆，王明黎

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術研究中心，武漢430205）

密集架是適用于機關、企事業(yè)單位存放圖書資料、檔案、樣品、檔案財務憑證、貨物的新型裝具。與傳統(tǒng)式書架、貨架、檔案架相比，儲存量大，節(jié)省空間。早在1947年瑞士工程師Hans Ingold 就發(fā)明了密集架并申請了專利。隨后英國、日本、美國、德國等都對密集架進行研究，使其向智能化、安全可靠的方向發(fā)展。直到1989年，我國才有了國產密集架[1-2]。在此后的數十年間，密集架在國內取得了長足發(fā)展，如文獻[3]采用PLC 控制的主從式系統(tǒng)方案；文獻[4-5]基于8 位單片機通過RS-485 總線進行通信，由上位機進行檔案的查詢與管理；文獻[6-7]選用功能比較強大的P89C669 微處理器，增加了人機交互界面；文獻[8-9]將ModBus 通信協(xié)議用于密集架智能倉儲通信系統(tǒng)中，實現了移動端控制密集柜的功能；等。在此，基于AVR 單片機采用CAN總線，設計了智能密集柜系統(tǒng)中的固定柜。

1 系統(tǒng)方案研究

智能型密集架由上位機及下位機組成。其中，下位機由一列固定柜和若干列移動柜構成，固定柜是整個系統(tǒng)的核心， 固定柜控制板是固定柜的核心，固定柜控制板通過CAN 總線接收裝在移動柜上的移動柜控制板采集到的紅外光電開關、接近開關等傳感器的信號（運動到位的反饋信號、人員進入狀態(tài)等）后進行數據處理并做出相應的反應。固定柜上裝有液晶觸摸屏， 該液晶觸摸屏可以顯示區(qū)號、當前溫濕度、設備當前狀態(tài)等，并且通過該觸摸屏控制整組移動柜的移動。在此主要闡述固定柜設計（移動柜另文章描述）。智能型密集架系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 智能型密集架系統(tǒng)結構Fig.1 Intelligent dense frame system structure

為保障工作人員安全，在密集架區(qū)域兩端裝有紅外安全光幕光柵傳感器，在密集架底盤與地面之間形成光幕，感知密集架區(qū)域中是否有人員或障礙物。

2 固定柜控制板設計

選用Atmega 128A 作為智能型密集架固定柜控制板的核心控制器。固定柜控制板包括電源部分、CAN 總線通信部分、溫濕度傳感器部分、行列燈顯示部分、RS-232 串口通信部分、語音輸出部分、光幕傳感器部分，如圖2所示。

2.1 電源設計

由于開關電源體積小、重量輕、效率高，電源部分采用12 V 開關電源給控制板供電。LM2575T 只需極少外圍器件便可構成高效的穩(wěn)壓電路，故選用LM2575T 降壓穩(wěn)壓器將電壓轉為5 V，給CPU 及控制板上的5 V 器件外設供電。電源電路如圖3所示。

圖2 固定柜控制板結構Fig.2 Fixed cabinet control board structure

圖3 電源電路Tig.3 Power supply circuit

2.2 溫濕度傳感器設計

該系統(tǒng)設計時溫濕度范圍為溫度18～28 ℃，相對濕度20%～60%。采用SHT10 溫濕度傳感器采集環(huán)境信息。當溫濕度超過設計范圍時，系統(tǒng)將啟動“通風”功能，所有移動柜勻間距打開，并報警提醒工作人員。SHT10 電路如圖4所示，SHT10 DATA口接單片機PF3 口，SCK 接單片機PF2 口， 單片機通過PF3 口發(fā)送讀寫命令及接收數據，PF2 口作為同步時鐘端。

圖4 SHT10 電路Fig.4 SHT10 circuit

2.3 液晶觸摸屏連接電路設計

固定柜的主控制板與液晶觸摸屏的通信通過RS-232 串口通訊方式實現。液晶觸摸屏連接電路如圖5所示。Atmega 128 有2 個 串口即USART0 與USART1，通過MAX232 將Atmega 128a 的USART0串口與液晶顯示器連接。固定柜的液晶顯示器選用顯控科技AK-121SA 型號的觸摸屏。該觸摸屏除了有觸摸、顯示功能外，還可作為存儲該組固定柜存儲文件信息的數據庫使用。

2.4 CAN 總線電路設計

固定柜與移動柜之間通過CAN 總線連接，固定柜控制板選用MCP2515 CAN 控制器和PCA82C251 CAN 收發(fā)器的組合。電路如圖6所示。

MCP2515 是一款完全支持CAN V2.0 技術規(guī)范， 并帶有符合工業(yè)標準的SPI 串口的CAN 控制器。該系統(tǒng)通過PG0，PF7，PD6，PD5，PD4，PD1 共6個I/O 口，控制MCP2515 進行CAN 總線通訊。

圖5 液晶觸摸屏連接電路Fig.5 LCD touch screen connection circuit

圖6 CAN 總線電路Fig.6 CAN bus circuit

2.5 聲音輸出模塊電路設計

智能型密集架具有語音播報功能。當移動柜打開或關閉時，密集架會有相應的的語音提示；當密集架檢測到架體內有人或者雜物存在時，密集架會做出停止和禁止反應并進行語音提醒。語音播報電路如圖7所示。系統(tǒng)選用深圳百為公司的BY8301-16PY語音模塊。BY8301-16P 采用HY8301-SSOP23 MP3主控芯片，支持MP3 和AV 格式雙解碼。BY8301 內置標準UART 異步串口接口， 設計中用USART1（PD3/TXD1，PD2/RXD1）控制語音模塊，語音模塊使用前需將語音模塊通過MICRO USB 數據線連在電腦存儲語音，存儲完成后單片機通過串口發(fā)送相應的控制指令，控制其通過左右聲道（DACR，DACL）輸出需要的語音信號。

圖7 聲音輸出模塊Fig.7 Sound output module

3 固定柜控制板軟件設計

固定柜是整個智能型密集架控制系統(tǒng)的核心。它不僅要與移動柜之間進行數據交換，還要與上位機管理軟件及液晶顯示屏進行通信，固定柜必須實時處理線路上的各種信息并進行相應的反饋。固定柜具有控制整個架體動作的功能，具體包括開架運行、閉架運行、暫停等。固定柜主程序流程如圖8所示。

圖8 固定柜主程序流程Fig.8 Fixed cabinet main program flow chart

程序初始化以后，根據判斷條件執(zhí)行相應的操作。系統(tǒng)初始化包括配置系統(tǒng)時鐘、定時器及計數器初始化、中斷設置、串口初始化、MCP2515 初始程序初始化以后，根據判斷條件執(zhí)行相應的操作。系統(tǒng)初始化包括配置系統(tǒng)時鐘、定時器及計數器初始化、中斷設置、串口初始化、MCP2515 初始化、設置自檢標記位Flag1 和觸發(fā)標記位Flag2 為0；并設置了3 個中斷，UART0 中斷、定時器中斷、CAN 中斷。其中，UART0 中斷負責接收觸摸屏和按鍵發(fā)來的消息，MCU 處理后通過MCP2515 給移動柜發(fā)送命令。CAN 中斷負責接收移動柜發(fā)來的消息，并置相應的標志位然后做出回應， 當收到移動列觸摸屏消息，固定列需要對移動柜進行命令回復。對于打開、關閉、停止、鎖定、解鎖、通風消息，固定柜需要對相關移動柜發(fā)出有關命令，并置uart_flag，Flag1，Flag2 等標記。定時器中斷用于定時查看紅外光柵傳感器狀態(tài)判斷有無遮擋物。

4 液晶觸摸屏設計

設計選用了顯控科技的AK-121SA 液晶觸摸屏，用SATOOL 組態(tài)軟件進行開發(fā)。液晶觸摸屏和固定柜控制板的通訊采用RS-232 方式完成。固定柜控制板與液晶觸摸屏設計采用ModBus RTU 協(xié)議作為通訊協(xié)議， 所用到的功能碼為0X03 和0X06。該組態(tài)軟件將液晶觸摸屏上的多個開關量通道分別對應到一個寄存器上的不同位上，使得控制器在每次輪詢時，只需讀取一個寄存器的值，對其進行分析，即可得到不同開關量，節(jié)省了資源。組態(tài)軟件流程如圖9所示。

圖9 組態(tài)軟件流程Fig.9 Configuration software flow chart

5 設計結果

將設計的固定柜控制板與液晶觸摸屏連接，調試結果如圖10所示。觸摸屏上有“上翻”“左移”“禁/?！薄昂霞堋薄坝乙啤薄跋路? 個按鍵。按“上翻”“下翻”鍵可選擇移動柜的列號；“左移”“右移”控制移動柜移動方向；“合架” 是將所有移動柜關閉；“禁/?！笔菍⒁苿又械募茏訒和Ｏ聛?， 而且鎖定其他按鍵，不能操作移動列的“打開”或者“關閉”移動。經調試檢驗固定柜與移動柜通信穩(wěn)定。

圖10 液晶觸摸屏界面Fig.10 LCD touch screen interface

6 結語

所設計的智能型密集架中固定柜，具有良好的人機界面，并采用多重安全措施以保障工作人員安全。采用CAN 總線通以保障通信的穩(wěn)定性和實時性，具有很好的實用價值。

深圳計為自動化被認定為國家高新技術企業(yè)

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