基于STM 32 的试卷自动分拣装订机系统设计

侯凡博 杜 毅 邢春芳 张一博 张征宇

（安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南 安阳455000）

1 概述

在我国的各个大、中、小学的教学过程中，为了检验学生对教学目标的掌握程度，通常采用给学生分发纸质试卷、采用考试的形式来进行。这就需要老师们既要出考题，又要对打印出的多张不同试卷进行分拣和装订；教师忙于出试卷，又苦于试卷的分页与装订。传统的人工方式对试卷分装装订既费时费力，又容易产生一定的人为错误。面对庞大的试卷数量，教师们总是疲于应对，而由于试卷具有一定的保密性，所以无法通过学生帮忙完成此试卷的分页与装订，因此急需一种试卷自动装订机器，将不同页码的试卷纸张放入后，可自动完成试卷的分拣和装订。

针对现有技术的不足，本设计针对一种新型的试卷分拣和装订的机械装置，设计了控制电路，可实现试卷的自动分拣和装订，能有效的节省人力物力，提高工作效率。

2 机械部分设计

试卷自动分拣和装订机的机械结构包括机台、分拣送纸机构和装订机构三个部分。

2.1 机台

在底座支架上设置有分拣送纸系统和装订系统。

2.2 分拣送纸机构

分拣送纸机构包括多套纸托盘，多套纸托盘在竖直方向重叠放置；每一套纸托盘的出纸口设置有一个搓纸辊和一对送纸辊，搓纸辊由搓纸电机驱动，送纸辊由送纸电机驱动，在出纸口下方还设置有出纸传感器，如图1 所示。

图1 分拣送纸机构

2.3 装订机构

装订机构包括左导轨和右导轨，左导轨和右导轨平行固定在底座支架上，在左导轨和右导轨上分别设置有滑块，滑块可沿导轨前后滑动，滑块内穿有通轴，通轴包括左通轴和右通轴，通轴与导轨平行，通轴可相对滑块转动，通轴上还固定连接有转轴，在左通轴和右通轴的末端分别与左电机和右电机的输出轴固定连接，左电机和右电机通过第一连接板连接；在左通轴和右通轴之间设置有接纸盘，接纸盘包括左半页和右半页，左半页与左通轴上的转轴固定连接，右半页与右通轴上的转轴固定连接；在接纸盘和第一连接板之间还设置有第二连接板，左通轴和右通轴均穿过第二连接板，左通轴和右通轴与第二连接板转动连接，在第二连接板上设置有自动装订机[1]。同时在底座支架上设有纸张对齐电机，纸张对齐电机输出轴上设置有同步轮和同步带，同步带与第一连接板固定连接，装订机构如图2所示。

在具体工作过程中，分拣出纸部分有多套纸托盘，每个纸托盘可存放多张同一页码的试卷，通过控制终端可以实现不同页码的试卷按照设定的顺序依次送出，并在接纸盘上叠放；通过对齐电机的带动可使多张试卷对齐，通过自动装订机装订后，使接纸盘的左半页和右半页向下打开，装订好的试卷便自动落下，至此完成试卷分拣装订。

图2 分拣送纸机构

3 硬件电路设计

硬件电路设计上，本设计使用了每个单元模块化设计的思想，将整个电路分为不同的模块，包括微处理器模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块和红外传感器模块等，其中主控微处理器模块拟采用STM32 单片机做为控制核心，显示模块使用SH1106 来实现，电机驱动部分使用L298N 来实现完成[2]。

3.1 STM32 最小系统设计

本设计采用STM32F103C8T6 作为主控芯片。最小系统设计包括电源电路，晶振电路和复位电路组成，原理如图3 所示。

图3 STM32 最小系统原理图

图4 人机接口电路原理图

电源电路方面，STM32F103 处理器的稳定工作电压为3.3V,减速电机的工作电压为12V，因此选用XL1509 降压芯片。XL1509 具有宽的电压输入范围4.5-40 伏，输出范围可调。该电源芯片驱动能力强，拥有很好的线性能力。外部采用12V 供电方便直流减速电机工作，C1 是输入端的去耦电容，去除输入电压处的杂波，电感用于平滑电流，二极管的作用是在切断电源时做续流二极管用防止电感产生很高的反向电动势，输出端330uf 和1uf 用于滤除高频和低频干扰信号。

晶振电路选用8MHz 的无缘晶振，22pf 的谐振电容。复位电路处于稳定状态时，电容C6 起到阻断直流电流的的作用，相当于此时电容处为断路，此时的复位线NRST 是高电平，系统稳定运行[3]。当按下复位按键时NRST 与GND 相连，此时实现系统复位。另外电路主板上电的瞬间需要对电容进行充电，此时电容就相当于通路，则NRST 与GND 处于同一个电平，随着电容充电越来越多，即将充满的时候，电流会越来越小，也就会越来越小，直到电容完全充满电后，线路上不再有电流，NRST 又变成了高电平。从这个三个角度上来看，使用这个电路，单片机在上电后，NRST 引脚会先保持一小段时间的低电平而后变成高电平，此流程就是上电进行复位单片机的流程。

3.2 电机驱动电路设计

本设计的运动执行机构采用减速电机实现。减速电机由齿轮组和直流电机组成。减速电机的优点是效率高，可靠性高，使用寿命长，易于维护和广泛使用。与步进电机相比，减速电机更是有价格优惠和扭矩大的特点，固本设计选用的减速电机转速为50r/min。

单片机不能直接驱动减速电机，需要采用驱动电机的专用集成电路L298N。L298N 由4 个三极管组成H 桥电路。L298N 芯片的输出电流可达到为2A，最高电流也可达到4A，最高工作电压为50V，可直接驱动大功率直流电机、步进电机、电磁阀等感性负载，输入端可直接与单片机输出IO 相连接，因此适用于本设计通过单片机来直接控制[4]。L298N 芯片可驱动两台两相电机，最大输出电压可高达50V，输出电压可通过改变输入电源大小直接调节，信号可由单片机的IO 口直接提供，电路简单易用。如果要对直流电机做PWM调速输出，需设置IN1 和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端EN 输出占空比可调的PWM脉冲，即可实现调速。

3.3 人机接口电路设计

人机接口电路包括显示电路、按键电路和旋钮电路。电路原理图如图4 所示。

显示电路采用SH1106 进行显示。SH1106 是一个单片CMOS OLED/pled 显示的驱动器，带有本身的控制器，操作配置内部的RAM，本设计采用SPI 接口传输数据。采用4 条线SPI传输数据，串行接口由串行的时钟线，串行的数据线，A0 和片选线组成。在时钟线的每个上升沿按照先发高位再发低位的顺序将数据写入八位移位寄存器。每隔8 时钟周期对A0 进行一次采样，并将移位寄存器中的数据在同一时钟写入显示数据RAM存储器或写入命令寄存器。

按键采用矩阵键盘实现，按键负责系统的开始和停止。旋钮采用EC11 旋转编码器，负责调试电机运行速度，接口部分接上排线与主板连接，使显示界面和主板实时通信，实现简单的人机交互界面。旋转编码器的电路采用RC 滤波电路，保证旋转编码器的输出信号稳定，可以从硬件层面减少信号不稳定的问题。

4 结论

本论文从实际应用出发，研究设计了一种试卷自动分拣装订装置。工作前只需要把试卷分别放在不同的进纸框内，设置好装订份数之后点击开始工作，在程序电路的控制下由机械结构的进纸机构，装订机构，完成分拣、进纸、整理、装订、摆放等步骤，直至完成设定工作量。本课题的研究主要是推动打印装订行业发展，提高效率节省工作时间，对于装订自动化行业有一定的参考价值。