一種基于STM32平臺的自動翻頁機(jī)設(shè)計(jì)*

李 婉，陳永佳

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

自動翻頁機(jī)是一種能夠通過按鍵或者語音觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動對書本、畫冊、樂譜等進(jìn)行翻頁的智能電子產(chǎn)品，應(yīng)用十分廣泛。例如，老舊圖書電子化時對書本進(jìn)行翻頁、掃描、文字識別，音樂演奏家在演奏中對樂譜翻頁，肢體障礙人群閱讀紙質(zhì)圖書時對圖書翻頁等過程，自動翻頁機(jī)都起著至關(guān)重要的作用[1]。目前，市場上售賣的以及相關(guān)文獻(xiàn)呈現(xiàn)的自動翻頁機(jī)，其開發(fā)平臺主要以51單片機(jī)為主，翻頁機(jī)結(jié)構(gòu)主要由連桿和摩擦塊組成，摩擦塊直接與紙張接觸，通過摩擦力進(jìn)行翻頁。然而大多數(shù)老舊圖書紙張較脆，摩擦力容易損傷紙張。為了解決以上問題，本文提出了采用氣泵連接吸嘴進(jìn)行翻頁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要利用大氣壓強(qiáng)吸取紙張，避免了摩擦力對紙張的損壞。

翻頁機(jī)由主控部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括彈簧、連桿、滑軌、金屬絲等，用于控制紙張的運(yùn)動[2]。STM32系列單片機(jī)作為智能控制家族中的重要成員，深受人們的青睞，其IO口多、寄存器豐富、操作方便、低功耗等特點(diǎn)足以滿足現(xiàn)在大多數(shù)人對智能電子產(chǎn)品的需求[3]。本文以STM32F103RBT6單片機(jī)作為主控，STM32F103RBT6是一種中等容量Flash的單片機(jī)[4-5]，價格低廉，主要用于控制氣泵、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、紅外模塊以及L298N驅(qū)動等部件，實(shí)現(xiàn)對書本的自動翻頁功能，既可以進(jìn)行定時自動翻頁，也可以通過觸發(fā)開關(guān)進(jìn)行翻頁。

1 翻頁機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

翻頁機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1-書本，2-翻頁桿，3-吸嘴，4-紅外測距模塊，5-固定件及連桿，6-微型吸氣泵，7-翻頁機(jī)承載板，8-滑軌固定架，9-滑軌，10-彈簧，11-金屬絲，12-彈簧固定架，13-步進(jìn)電機(jī)，14-金屬絲卷盤，15-壓紙桿，16-舵機(jī)固定架，17-紅外模塊，18-舵機(jī)，19-彈簧及其支架，20-壓紙桿。以上結(jié)構(gòu)整體由輕質(zhì)塑料組成，具有質(zhì)輕、價格低廉、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 翻頁機(jī)基本結(jié)構(gòu)

翻頁機(jī)工作之前，先將書本固定到翻頁機(jī)承載板上，左邊書本用壓紙桿壓住，右邊部分紙張由翻書桿輕微壓住，翻書桿壓力可通過滑軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先，微型吸氣泵的吸嘴將紙張向上吸取，紙張上升經(jīng)過紅外模塊的探測頭時，系統(tǒng)觸發(fā)兩個步進(jìn)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時牽引金屬絲，使翻書桿克服兩個彈簧的彈力向左沿著滑軌移動，同時翻動紙張向左運(yùn)動。其次，當(dāng)紙張運(yùn)動到左邊時，會經(jīng)過左邊紅外模塊的探測頭，此時會觸發(fā)左邊的舵機(jī)轉(zhuǎn)動，舵機(jī)轉(zhuǎn)動會克服左邊彈簧的彈力，因此需要選擇合適大小的舵機(jī)。最后，左邊舵機(jī)抬起后，紙張運(yùn)動到左邊壓紙桿下方，舵機(jī)沿反向轉(zhuǎn)動相同角度，回到初始的壓紙狀態(tài)。同時，步進(jìn)電機(jī)也向與之前相反的方向轉(zhuǎn)動同樣圈數(shù)，在彈簧彈力作用下回到最初位置。通過以上過程，可以完成一次翻頁運(yùn)動，其他翻頁過程與以上過程相同。第二、三……次翻頁時既可以自動重復(fù)以上過程，也可以通過觸發(fā)一次次完成，觸發(fā)形式可以設(shè)置為踏板、拉線以及語音控制等形式。

1.2 重要組成部件及參數(shù)

1.2.1 微型吸氣泵

微型吸氣泵工作時，內(nèi)部電機(jī)的圓周運(yùn)動能夠帶動隔膜做往返運(yùn)動，使固定容積腔體中的空氣被不斷壓縮和拉伸，降低腔體中的大氣壓強(qiáng)，進(jìn)而使內(nèi)部形成真空。由于大氣壓力的作用，外部氣體會通過吸嘴被壓入腔體，紙張也會隨之被壓到吸嘴處，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。微型吸氣泵能夠作為動力裝置廣泛應(yīng)用于真空吸附、氣體循環(huán)和壓力控制等方面。

圖2 微型吸氣泵結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中真空泵的直流電機(jī)選擇有刷DC電機(jī)，最大流速為5 L/min，最大壓強(qiáng)為100 kPa，最大真空度為-55 kPa，工作電壓為12 V。由于STM32單片機(jī)輸出電壓較小，在控制微型吸氣泵時需要借助驅(qū)動板提高輸出電壓，因此，信號在到達(dá)真空泵之前需要先通過L298N驅(qū)動板升壓。由于兩次吸引紙張的間隙時間中吸嘴不能對紙張有吸引力，因此，要采用單獨(dú)的進(jìn)氣閥門來控制吸嘴處是否產(chǎn)生壓力，進(jìn)氣閥門單獨(dú)由單片機(jī)控制。

1.2.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)⒚}沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移，即控制脈沖數(shù)量可以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動角度的精確控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子與金屬絲卷盤固定相連，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動可帶動卷盤卷動金屬絲，牽引翻頁桿沿著滑軌向左運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)翻頁功能。步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)主要包括拍數(shù)K（電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒的角度所需要的脈沖數(shù)）、步距角β（步進(jìn)電機(jī)通過一個脈沖信號轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)過的角度）、轉(zhuǎn)速n（單位時間步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的圈數(shù)）等。步距角可通過式（1）計(jì)算，其中N為齒輪的齒數(shù)；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n可以通過式（2）確定。本文使用42BYGH34-401A型步進(jìn)電機(jī)控制翻頁桿的運(yùn)動。

圖3 42BYGH34-401A型步進(jìn)電機(jī)及其轉(zhuǎn)子齒輪結(jié)構(gòu)1.2.3舵機(jī)

舵機(jī)也稱為伺服電機(jī)，當(dāng)給舵機(jī)發(fā)送一個控制信號時，內(nèi)部電機(jī)就會轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，將壓紙桿抬高到特定的高度，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。只要發(fā)送給舵機(jī)的信號不發(fā)生變化，舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度就保持不變，當(dāng)改變輸入信號時舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度也會隨之改變。舵機(jī)的使用范圍十分廣泛，例如智能車、航模、機(jī)器人等方面。本文使用XQ-S4618D型無刷數(shù)碼舵機(jī)，其工作電壓為4.8 V~6.0 V，6.0 V時舵機(jī)轉(zhuǎn)動速度為0.1 s/60°，扭力為20.5 kg/cm，4.8 V時舵機(jī)轉(zhuǎn)動速度為0.12 s/60°，扭力為17.4 kg/cm，能夠帶動壓紙桿轉(zhuǎn)動，并能夠克服壓紙彈簧的彈力。

圖4 舵機(jī)及其結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.4 紅外測距模塊

紅外測距模塊由一只紅外發(fā)射管和一只紅外接收管組成，也稱為紅外對管，測量范圍廣，測量結(jié)果準(zhǔn)確，其工作原理如圖5所示。當(dāng)紙張經(jīng)過紅外測距模塊時，紙張距離紅外對管較近，因此，可以在程序中設(shè)定合適的距離范圍作為觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)的依據(jù)，當(dāng)紙張通過壓紙桿的紅外模塊后，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動使翻頁桿返回。本文采用GP2Y0A21YK0F紅外傳感器模塊進(jìn)行測距，其測量距離范圍較廣，可以對10 cm~80 cm之間的距離進(jìn)行精確測量。

圖5 紅外測距模塊工作原理

2 程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

翻頁機(jī)的整個程序運(yùn)行過程如圖6所示，程序進(jìn)行過程中需要進(jìn)行多次判斷以保證每個環(huán)節(jié)正常進(jìn)行。第1次判斷目的是保證腔體內(nèi)達(dá)到設(shè)定的真空度，可用真空度測試儀檢測，真空度降低到設(shè)定值以下時氣泵自動啟動抽氣；第2次判斷目的是保證氣泵吸嘴已經(jīng)將紙張吸起，此處設(shè)定紙張吸起時紅外模塊測距結(jié)果在10 cm~20 cm之間；第3次判斷目的是保證紙張已經(jīng)被翻頁桿翻到壓紙桿附近，此時也設(shè)定10 cm~20 cm作為判斷依據(jù)；第4次判斷用于保證翻動的紙張已經(jīng)被壓紙桿壓下，壓紙桿附近沒有被翻動的紙張時，翻頁桿在步進(jìn)電機(jī)帶動下返回初始位置，準(zhǔn)備下一次翻頁。本設(shè)計(jì)以STM32F103RBT6為開發(fā)平臺，并用固件庫的形式搭建系統(tǒng)程序，依據(jù)程序流程圖可搭建main.c、main.h以及各個模塊的驅(qū)動程序，經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 翻頁機(jī)運(yùn)行程序流程圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種自動翻頁機(jī)，翻頁機(jī)以STM32F103RBT6為核心控制器，以氣泵、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、紅外測距模塊作為輸出模塊，以翻頁桿、壓紙桿、滑軌、彈簧、金屬絲等搭建簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終灌以控制程序而成?？刂茪獗梦〖垙垼垙埪舆^氣泵一邊的紅外模塊探測頭時觸發(fā)翻書桿進(jìn)行翻頁，當(dāng)紙張?jiān)俅温舆^壓紙桿一邊的紅外模塊探測頭時觸發(fā)壓紙桿抬起和壓下，完成一次翻頁。翻頁機(jī)的運(yùn)行可以通過程序控制自動運(yùn)行，也可以通過按鍵、語音模塊等觸發(fā)而運(yùn)行。