（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京102206）
摘 要：针对图书回收效率低下问题，基于STM32F103RC设计了一套自助图书回收装置，具有良好的推广运用前景。设计了无线供电电路，去掉了从机的有线供电和通信线路，精简了机器构造，使得系统的机器部分更加稳定。设计了串口拓展模块，打破了主控芯片串口引脚限定，丰富了交互功能。通过该装置只需将图书插入回收口即可完成图书的自助回收，并将回收信息上传至做事器，精简了回收流程。测试结果表明，该系统运行稳定可靠。
0 弁言
目前，学生手头拥有很多各种已阅书本，每年一到毕业季，大多数学生都对大量积存的图书发愁。这些书本既未便利带走，扔了又可惜，当做废纸出售便失落去了书本的代价。只管学生间自发交流、相互赠送“二手书”也习认为常，但范围有限，导致学生手中的图书不能得到很好的再次利用。目前市情上专门针对图书的回收装置寥寥无几，并且无法联网[1]。针对上述问题，基于STM32设计了卧式图书回收装置。它可广泛分布于Wi-Fi旗子暗记覆盖区域，能够实现图书的高效自助回收，供应资金、优惠券等多种勉励办法。回收装置通过网络详细记录图书的回收信息，为二手图书的流利供应了便捷路子。
1 系统的整体设计
1.1 系统的电气构造设计
系统由主机和从机两部分构成，主机部分由以STM32F103RC为核心的掌握模块、串口拓展模块、交互模块和导轨模组构成；从机部分由以STC12C2052AD为核心的掌握模块、无线供电模块和分离式装卸模组构成；主机和从机通过蓝牙透传模块进行无线通信。系统总体构造框图如图1所示。
主机功能：一方面通过串口拓展模块与交互模块通信，实现图书条形码的读取、用户RFID卡的读写、优惠券打印、通过Wi-Fi与做事器通信等；另一方面掌握导轨进而实现从机在导轨上的轴向运动，通过蓝牙透传模块与从机通信，搜集整理从机信息，向从机发送动作指令，从而实现图书的回收。
从机功能：一方面通过分离式装卸模组中的传感器，网络图书回收过程中机器运动的状态信息并发送给主机；另一方面吸收主机的动作指令，合营主机完成图书的装卸并调度图书姿态。系统从机采取无线办法供电。
1.2 系统的功能设计
一次完全的图书回收流程如图2所示，其紧张功能如下：（1）将图书从回收装置外侧插入到旋转书立上，之后装置的条码扫描模块会对其进行扫描，扫描有效后开始回收。（2）导轨模组将载有图书的装卸模组沿导轨运向舱内，运送过程中，装卸模组实时丈量与上一本图书的间隔，当到达间隔上一本图书10 cm时，从机向主机发送信息，丝杆停滞迁徙改变。从机掌握器掌握装卸模组将图书卸落至图书支架上，之后旋转书立恢复原始位置。（3）主机掌握直流电机带动装卸模组连续朝图书方向移动，对当前图书进行姿态调度，将疏松斜靠的图书压紧。压力传感器实时丈量压力，当压力达到设定阈值时，从机通过蓝牙模块关照主机停滞推进装卸模组。（4）将装卸模组退回到初始位置。
2 系统的机器构造设计
系统的机器构造设计示意图如图3所示。导轨模组是由直流电机（额定电压12 V，500 rpm）、丝杆（导程8 mm）、导轨、图书支架构成，个中直流电机由主机掌握，与丝杆相连并带动丝杆旋转；旋转的丝杆带动从机沿导轨做轴向运动，将图书运向回收装置内部。图书支架表面采取摩擦系数相对较大的橡胶材质，从而担保图书能够稳定放置在支架上。
图书装卸模组由旋转书立、旋转轴、推杆电机、压力传感器和超声测距模块等构成，如图4所示。它安装在丝杆和导轨上，通过内螺纹与丝杆咬合，通过滚珠轴承与导轨套接[2]。从机掌握器安装在装卸模组上，对推杆电机进行掌握，通过推杆的伸缩来推拉旋转书立绕旋转轴运动，从而使放置在书立上的图书倒下并滑落至回收支架上，斜靠在上一本图书或舱壁上。调度图书姿态时，压力传感器会顶在当前图书上，实时反馈推力。超声测距模块用于丈量装卸模组与最外侧图书的位置，一方面确定装卸模组卸下图书的轴向位置，另一方面丈量回收装置的有效容量。在旋转书立表里面覆盖一层光滑的塑料膜，用于减小图书底部与书立之间的摩擦系数，确保卸落时图书能够顺利滑出书立。
3 系统的硬件电路设计
3.1 主机串口拓展模块设计
本系统包含了Wi-Fi透传模块、条码扫描模块、热敏打印机、RFID读写模块、蓝牙透传模块等，它们均采取UART串口通信协议与主控芯片通信[3]。主控芯片STM32F103RC有5个可用串口，一方面LCD模块和SD卡就占用了个中3个；另一方面为担保根本功能稳定，将U5_Tx/U5_Rx单独接入蓝牙透传模块，卖力主机与从机通信。为此必须将剩余的U1_Tx/U1_Rx进行串口拓展，连接其他4个串口外设，如图5所示。
主控芯片和4个拓展串口外接模块采取全双工通信办法。在空闲时发送方Tx处于“高电平”，同时将吸收方Rx拉高[4]。通信开始时，Tx变为“低电平”，随之将Rx拉低，触发数据的吸收过程。
主控芯片的数据吸收过程如下：4个交互模块的Tx端作为四输入与门的输入端，与门的输出接主控芯片的U1_Rx。空闲期间四个交互模块的Tx全部为高电平，任何一个模块的Tx变为低电平都会触发主控芯片的吸收过程。主控芯片吸收到数据后，一方面对数据来源进行判断，另一方面进行数据校验。
主控芯片的数据发送过程如下：将主控芯片的PC0、PC1、PC2和PC3分别作为四个或门的一个输入，U1_Tx同时作为四个或门的另一个输入，四个或门的输出分别接四个交互模块的Rx。只有当主控芯片PC0、PC1、PC2和PC3任一引脚拉低时，主控芯片Tx才能通过对应的或门输出至对应串口模块，从而触发对应外设吸收主控芯片发送的数据。
3.2 从机无线供电模块设计
从机要携带图书在狭长的轨道上做往来来往运动，为避免有线供电带来的线材磨损和可能发生的导线缠绕、拉断等故障，故从机选择无线供电办法，如图6所示。无线供电吸收模块连接TP4096锂电池电源管理模块，为3.7 V锂电池进行充电。由于从机需通过L293驱动推杆电机，而L293须要5 V电压供电，以是采取MC34063对锂电池进行升压[5]。
无线供电发射模块包括方波脉冲宽度调制发生器芯片XKT-408A、集成晶闸管芯片T5336和发射线圈（原边绕组）。XKT-408A产生67 kHz方波旗子暗记，然后驱动T5336在发射线圈中产生67 kHz的高频交变电流。
无线供电吸收模块包括开关型稳压芯片T3168和吸收线圈（副边绕组）。吸收线圈将感应得到的交变电流经整流、滤波、稳压变成直流电，再送给锂电池电源管理模块[6]。
线圈贴合间隔在5 mm范围内时，无线供电吸收模块额定输出电压为V1=5 V，电流为I1=150 mA，为锂电池充电。从机静态时供电电压为V2=5 V，花费电流为I2=15 mA；在推杆电机运转时从机供电电压为V3=5 V，花费电流为I3=230 mA。根据TP4096 和MC34063的数据手册，锂电池电源管理模块的充电效率η1为80%～95%，升压模块的效率η2为60%～75%。设从机装卸图书韶光占总韶光的比例为K，可得：
在η1=80%、η2=60%的最坏情形下，K=26.5%。实际的K值远远小于26.5%，因此无线供电完备可以知足从机的供能需求。
全体无线供电电路固定在从机上。无图书回收时，从机停靠在轨道的起始端，无线供电吸收模块线圈与主机的发射模块线圈对正贴合，对锂电池充电。回收过程中从机离开轨道起始端，充电中止。
4 系统的软件设计
4.1 主机软件设计
主机的软件设计流程图如图7所示。主机上电后前辈行初始化和自检，当有图书插入回收装置时，激活回收流程。
4.2 从机软件设计
从机通过掌握推杆电机装卸图书，并合营主机进行超声测距和压力探测，完成图书回收，从机的软件设计流程图如图8所示。
5 结论
本文基于STM32F103RC设计的图书自助回收装置，一方面通过无线供电模块和蓝牙通信模块完成了从机的无线供电和主从无线通信，使得回收装置的稳定性和可靠性大幅提升；另一方面，设计的串口拓展模块打破了主控芯片的串口数量限定，大大增加了交互模块的数量。系统采取简洁高效的机器构造可完成图书的自助回收，大大降落了设备本钱。其余，通过改变系统中的导轨和丝杆长度，并匹合营适功率的直流电机，还可以增加图书的回收数量。
参考文献
[1] 曹遂军，王会良.国内外开放式数控系统的研究与现状[J].机电工程技能，2003，32(5)：20-22.
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[4] 官媛，王勇.嵌入式串口通讯做事器的研究和设计[D].杭州：浙江大学，2006.
[5] 周亚楠，周东辉.锂电池管理系统的研究与实现[D].青岛：中国海洋大学，2008.
[6] 丁闯，赵永东，江鹏程，等.非打仗感应供电技能及其在扭矩测试中的运用[J].当代电子技能，2013(23).
