试卷分拣与装订自动化装置的电路控制系统设计

2018-08-18张凤涛

长春师范大学学报 2018年8期

张凤涛，周统，郭爽

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

近年来，全国各高校、高中及九年义务阶段学校的教学质量不断提高。于此同时，近三年全国教育领域试卷的需求量呈现逐年递增的趋势。据统计，2016年全国试卷的需求量已经突破了600亿份。一体化速印机具有印刷速度快、印刷成本低、适合日常大量印刷等优势，代替了传统的复印机，被广泛应用于学校印刷试卷和机关单位印刷文件等场合。

现阶段速印机工作时需先制版再印刷、底版不可重复利用的工作特点决定了其无法像复印机那样可分稿印刷、成套输出。于是，后期试卷的分拣和装订工作需要人工完成。由于试卷需要严格保密的特殊性，参与分拣和装订工作的人员只能是出题教师或课程组其他教师成员。教育领域在考试时面临着两大难题：一是需要大量的教师手工对试卷进行分拣和装订，效率极低且无法及时满足试卷量的需求；二是人工分拣的失误率较高。因此，教育界对试卷进行自动分拣和自动装订提出了迫切需求。

1 装置的工作原理

本装置在研究过程中采用了ATMEGA328单片机作为系统控制核心、一主多从的星型拓扑结构、多机无线通信方式，使得6套分页装置、1套装订装置、1套传送装置以及各个传感器在主机的命令下相互配合、协调工作，以流水线的形式自动完成试卷的分页、排序、整理、装订等工作任务，主机控制系统和从机控制系统的结构框图分别如图1和图2所示。

2 主机控制电路设计

主机控制电路如图3所示。主机在工作过程中需要控制一条1.5m左右的传送带转动，该传送带的执行电机采用的是三相24V交流滚筒电机，因此需采用变频器对该电机进行驱动和控制(P3负责控制变频器的启停，转速已设成固定值)。当传送带运行一个工位后，主机通过检测限位传感器P6的状态来判断需要停车的位置，使传送带准确地停在对应的工位上，允许误差≤5mm。

装订机采用的是得力0489型电动订书机，主要原因是它使用的是标准的12#书钉，一次最大装入量可达200钉。用ATMEGA328驱动一个舵机(图3中P5)，使它的摇柄能可靠地接触到电动订书机的触碰开关,从而自动完成一份试卷的装订工作。

为了使本装置在设置过程中使用更加方便，可在操作者的手机上安装我们自主研发的APP应用程序，手机与主机之间通过蓝牙通信完成系统参数设置。同时，系统设置信息也可通过操作独立式按键S1～S4完成。主机上所有信息通过LCD12864显示给操作者，Q1驱动的蜂鸣器起到操作提示和故障报警的作用。整个控制系统均使用DC12V6A的开关电源供电，因此设计了LM2596S-5.0组成DC/DC降压电路，变换出系统所需5V电压。主机通过P1连接的无线串口与从机进行命令发布和信息交换。

3 从机控制电路设计

通过大量调查发现，考试试卷页数最多不超过6页，因此采用了6套进纸器可实现不超过6页试卷的分拣和装订任务。相应地，从机系统共有6套完全相同的控制电路，它们在主机的命令下完成本页纸张的分拣任务及状态信息的反馈。从机控制电路如图4所示。

进纸器采用的是12V、减速比为1∶86、额定转速为93r/min、最大扭矩可达30kg·cm的直流减速电机成组拖动、外加离合器相配合的机电传动方式，可有效减少电动机的使用数量，也使得进纸器的机械结构设计比多电机控制方式更优化。电机驱动器采用的是TB6612FNG芯片，可同时驱动2个直流电机，本系统只用到1路驱动，另一路作为备用。该芯片具有体积小、驱动电流大，发热量小，带有PWM调速功能，易和单片机相连接等特点。

进纸器接口P4的1、2引脚连接的是上纸离合的线圈，该线圈得到一个脉冲，进纸机构将向上抬起。再得到一个脉冲进纸机构将回落，这样就完成一个周期的上纸动作。脉冲宽度需由P4的5、6、7引脚所接的槽型光耦提供的反馈信号来决定，光耦槽被遮挡表示进纸机构已经成功抬起，光耦槽未被遮挡表示已成功回落。P4的3、4引脚连接的是滚动离合线圈，该线圈得电，搓纸机构将与主齿轮啮合开始滚动，搓一页纸进入/退出进纸器，方向由电动机转向来决定。进/退结束信号可通过P6外接的光电传感器反馈得到。连续进纸时若纸盘中无纸，纸盘上的纸压翻板在弹簧的作用下抬起，P4的8、9、10引脚所连接的槽型光耦将提供反馈信号经后极电路处理成高低电平送入单片机，低电平表示缺纸，高电平表示有纸。从机接收主机命令，发送动作完成、工作状态、出错等信息均需通过P1接口连接的无线串口与主机进行通信。从机也采用一个DC12V开关电源供电，所以电路中还需DC/DC升压模块得到滚动线圈所需的24V电压，和DC/DC降压电路得到系统所需的5V电压。