残疾人专用翻书机的设计

刘振鹏

摘 要：给出了一种残疾人专用翻书机的总体设计方案，该方案以STC89C52单片机为控制核心，使用E3F-DS30C4型光电开关检测翻书机前方有无读者；使用CBX1204-400A型水平导轨和CBX1204-100A型竖直导轨结合YW02-DC24-L型气泵进行书页吸附；使用DL-23MDC型步进电机控制拨书杆旋转实现翻页操作。因此，详细描述了残疾人专用翻书机的组成结构和工作原理。

关键词：STC89C52单片机；E3F-DS30C4型光电开关；DL-23MDC型步进电机

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.31.096

1 引言

在我国，存在着为数众多的手臂功能不健全甚至失去双臂的残疾人。这些残疾人本身有着和健全人相同甚至更高的学习需求，但是身体条件的限制使他们难以像正常人那样进行学习工作。首先，阅读各类书籍资料对他们来说就是一件极为困难的事情。而本文所设计的残疾人专用翻书机恰恰能够帮助这样的残疾人实现和正常人一样进行阅读的愿望。因此，该产品具有非常广阔的应用前景。

本文首先介绍了E3F-DS30C4型光电开关的工作原理，然后给出了以STC89C52单片机为核心的残疾人专用翻书机控制电路的设计方案。本文设计的控制电路具有控制精度高、实现简单灵活等优点。

2 E3F-DS30C4型光电开关组成结构与工作原理

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它的检测方式为：利用被检测物对光束的遮挡或反射来检测开关前方有无物体。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号发射出去，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行检测。

本文设计的残疾人专用翻书机所采用的E3F-DS30C4型光电开关主要可分为对射型光电开关、漫反射型光电开关和镜面反射型光电开关三大类。本文设计的翻书机所采用的是漫反射NPN直流三线常开型光电开关，这种类型的光电开关结构如图1所示。这种类型的光电开关外部有棕、黑、蓝三种颜色的信号线。其中棕色导线和蓝色导线为光电开关的电源线，分别接24V直流电源的正负极性端；而黑色导线是光电开关的信号输出线，若光电开关前方无障碍物，光电开关内部开关断开，信号输出线输出24V高电平，若光电开关检测到障碍物，内部开关闭合，信号输出线与外接电源负极性端接通，从而输出0V低电平。

本文设计的残疾人专用翻书机使用了两组共四个E3F-DS30C4型光电开关，分别配备在翻书机前方和竖直导轨上。两组光电开关分别负责检测翻书机前方有无读者和确定由气泵控制的吸盘对书页的吸附位置。

STC89C52单片机与某个光电开关的通信电路如图2所示。图中所选用继电器为额定电压是24V的单刀双掷继电器。该继电器与内部线圈连接的两个管脚分别连接24V正极性端和光电开关的信号输出线；控制外部电路的三个管脚中，中间管脚与单片机的P0.1管脚相连，其他两个管脚状态分别为悬空和接地。若光电开关前方无障碍物，信号输出线输出24V高电平，继电器线圈两端电压为0V，因此其触点不动作，这样单片机的P0.1管脚就表现为高电平。若光电开关检测到障碍物，其信号输出线输出由24V降为0V，从而使继电器线圈两端电压变为24V，则继电器触点动作使得控制外部电路的中间管脚与下方接地的管脚接通，P0.1管脚变为低电平。也就是说，如果与某个光电开关进行通信的单片机管脚电平由高变低，则说明与该管脚通信的光电开关检测到了障碍物。

3 残疾人专用翻书机硬件设计

本文设计的残疾人专用翻书机的硬件结构框图如图3所示，该装置主要由控制电路模块、传感器模块、执行模块、电源模块等四个部分组成。

监控装置的传感器模块采用E3F-DS30C4型光电开关，E3F-DS30C4型光电开关在前文中已有详细介绍，这里不再赘述。

控制电路模块的构成如图4所示，控制电路以STC89C52单片机为核心，执行机构包括导轨系统、YW02-DC24-L型气泵和DL-23MDC型步进电机等装置。控制电路模块的主要功能是接收来自光电开关的信号从而决定外围电路应该怎样动作。单片机怎样接收并处理光电开关的输出信号前文已有详细描述，在此不再赘述。

本文设计的残疾人专用翻书机具体控制流程如下：若翻书机前方站有读者，位于其前方两侧的光电开关会实时将检测信号传递给单片机管脚，而单片机则根据信号来自于哪一个光电开关而最终决定进行顺序还是逆序翻页操作。竖直导轨上的机械臂前方固定有吸盘，该吸盘由气泵控制。无论是顺序翻页还是逆序翻页，位于翻书机上的标杆都会协助单片机控制导轨进行相应的动作，使得吸盘恰到好处的落到需要吸附的书页上。然后单片机输出信号控制气泵通电从而使吸盘吸附书页，接着竖直导轨动作将书页吸附到合适的高度，最后由DL-23MDC型步进电机控制拨书杆旋转完成翻页操作。

4 残疾人专用翻书机的软件系统

本文所设计的残疾人专用翻书机的核心为STC89C52单片机，因此，执行机构的全部控制功能均通过单片机运行软件系统的方式来实现。控制软件系统功能如下：①E3F-DS30C4型光電开关通电开始工作；②由单片机接收来自光电开关的信号并决定翻页方式（顺序翻页或者逆序翻页）；③由单片机控制导轨系统、YW02-DC24-L型气泵并结合翻书机上的标杆使翻书机恰到好处的吸附书页并将书页提高到一定高度；④由DL-23MDC型步进电机控制拨书杆旋转完成最后的翻页操作。整个完整的控制过程的相关程序流程图如图5所示。

5 结束语

残疾人专用翻书机是基于E3F-DS30C4型光电开关等新型传感器的检测原理，结合STC89C52单片机主控芯片以及机电一体化传动装置等硬件设备所研制开发的一种具有智能化、人性化特点的科技产品。该产品能够帮助为数众多的手臂功能不健全甚至失去双臂的残疾人像正常人一样进行阅读，具有非常广阔的应用前景。