智能型密集架中移动柜的设计

杨 帆，王明黎

（1.武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430073；2.湖北省视频图像与高清投影工程技术研究中心，武汉 430073）

密集架是适用于机关、企事业单位存放图书资料、档案、样品、档案财务凭证、货物的新型装具。与传统式书架、货架、档案架相比，储存量大，节省空间。早在1947年瑞士工程师Hans Ingold发明了密集架并申请了专利。其后英国、日本、美国、德国等都对密集架进行研究，使其向智能化、安全可靠的方向发展。1989年，我国出现了首台国产密集架[1-2]。在此后的数十年，密集架在国内得到了长足的发展，国内陆续出现了基于PLC控制、基于8位单片机、基于ModBus通信协议等不同类型的方案[3-7]。在此基于AVR单片机，采用CAN总线设计了智能密集柜系统中的移动柜。

1 系统方案研究

智能型密集架由上位机及下位机组成。其中，下位机由一列固定柜和若干列移动柜构成，移动柜采集装在移动柜上的接近开关、光电开关等传感器信号（运动到位的反馈信号、人员进入状态等）后进行处理，并进行相应反应。移动柜装有24 V的90ZWN24-120-A型无刷直流电机，确保通过移动柜触摸屏可控制移动柜的移动。为保证在无电环境下也可以进行开关操作，除电机控制外，保留了手动操作。当电机运行时，离合器闭合，驱动传动轴上的转轮，移动柜移动；手动控制时，离合器断开。文献[8]给出了智能密集柜系统中固定柜的设计，在此主要阐述移动柜的设计。智能型密集架系统结构如图1所示。

图1 智能型密集架系统结构Fig.1 Intelligent mobile rack system structure

2 移动柜控制板设计

由于移动柜控制板对单片机的功能需求不高，故采用带64 kB Flash存储的Atmega6A作为控制板核心控制器。控制板主要完成以下功能：电源部分、RS-232串口通讯部分、CAN总线通信部分、红外光电开关及磁接近开关部分部分、电机驱动部分。移动柜控制板结构如图2所示。

图2 移动柜控制板结构Fig.2 Mobile cabinet control board structure

移动柜控制板的电源部分采用24 V开关电源为电机供电，并通过LM2575降压稳压器将电压转为5 V给控制板供电。CAN总线部分选用控制器MCP2515CAN和收发器PCA82C251 CAN的组合，电源电路及CAN总线电路类似于固定柜控制板[8]的设计。

2.1 电机驱动电路设计

该系统选用联谊电机公司的90ZWN24-120-A型无刷直流电机及LBDA048D10智能型直流无刷电机驱动器作为移动柜的驱动电机。系统采用PWM调速方式，电机驱动电路如图3所示。

图3 电机驱动电路Fig.3 Motor drive circuit

微控制器使用 PB7，PD3，PB5，PB6 控制驱动器，4条线路都采用PC817光耦进行电路隔离。PB7接驱动器F/R接口正反转控制端；PD3接驱动器B/K接口刹车控制端；PB5接驱动器R/S接口启停控制端；PB6接驱动器PWM转速给定模拟量信号输入端。可以通过固定柜的触摸屏、移动柜的触摸屏及移动柜的按键来控制柜体的移动，当某列移动柜收到命令移动时，通过CAN总线将移动命令传给其他需要移动的移动柜。

2.2 移动柜安全控制设计

为防止密集架移动柜移动时人员在柜体内，可能因为密集架的挤压对人员造成伤害及柜体靠拢或者打开时，柜体到位而电机未及时停止而造成机械损坏，系统设计了以下安全监测设备：

1）接近开关 在移动柜人员进入的一侧两端各装有1个LJ18A3-8-Z/BX型接近开关。该开关用于检测磁性金属，检测距离为8 mm。当柜体闭合到位时，接近开关检测到磁性金属（柜体），开关发送指令到单片机，进而控制电机动作。除柜体两端外，柜体底部也装有接近开关，在柜体打开到位的地面焊有铁片。当柜体打开到位时，接近开关会检测到铁片，然后将信号传送给单片机，进而控制电机动作。

2）漫反射式红外光电开关 为保证工作人员的安全，在该系统移动柜入口安装有E3F-DS30C4漫反射式红外光电开关。当工作人员人进入架体时，红外光电开关会检测到漫反射回来的红外线，可知是否有人经过。该传感器响应速度可达到2 ms，感应距离为7～30 cm，符合密集架系统的安全要求。

3）红外安全光幕光栅传感器 在该系统密集架区域两端装有红外安全光幕光栅传感器，可在密集架底盘与地面之间形成光幕，感知密集架区域中是否有人员或障碍物。

接近开关及光电开关电路如图4所示。

图4 接近开关及光电开关电路Fig.4 Circuit of proximity switches and photoelectric switches

3 移动柜软件设计

移动柜控制板功能包括控制直流无刷电机驱动器以控制直流无刷电机进行正传反转停止动作、与液晶触摸屏进行通信、与固定柜进行通信。移动柜主程序流程如图5所示。

图5 移动柜主程序流程Fig.5 Main program flow chart of mobile cabinet

在移动柜软件设计中，设置了3个中断，即UART0中断、CAN中断、外部中断。①UART0中断用于接收液晶触摸屏发来的消息，根据不同命令置uart_flag为不同的值，MCU处理后通过MCP2515给固定柜和其他移动柜发送命令。②CAN中断接收其他列发来的消息，根据其他列发来消息的不同，置全局标记位flag为不同的值，并做出相应的反应。③外部中断用于检测接近开关和红外光电开关的状态，判断有无遮挡物。若有遮挡物，则移动柜紧急刹车，并向固定柜和其他移动柜发送报警信息。

在此选用显控科技的EA-070B液晶触摸屏，采用SATOOL组态软件进行开发。液晶触摸屏的设计类似于固定柜的AK-121SA液晶触摸屏[8]的设计。

4 设计结果及分析

将设计的移动柜控制板与液晶触摸屏连接，调试结果如图6所示。

图6 液晶触摸屏界面Fig.6 LCD touch screen interface

由图可见，触摸屏上有“打开”“关闭”“停止”“禁止”4个按键。其中，“打开”“关闭”适用于控制移动柜移动方向；“停止”用于将移动中的架子暂停下来；“禁止”不仅将移动中的架子暂停下来，而且锁定其他按键，不能操作移动列的“打开”或者“关闭”移动。

当移动柜在运动时检测到人员在通道中，会使系统处于禁止状态，此时必须按下图6所示“解禁”按钮，系统才能继续工作。经调试检验固定柜与移动柜通信稳定。

5 结语

所设计的的智能型密集架移动柜，具有良好的人机界面，并采用接近开关及光电开关以保障工作人员安全。CAN总线通以保障了移动柜与固定柜之间通信的稳定性和实时性，具有很好的实用价值。