基于Arduino的文件自动装订装置设计.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueDec.2023Vol.46 No.242023年12月15日第46卷第24期0 引 言随着信息技术的突飞猛进，人们预言的无纸时代有可能会到来，但打印机的使用仍极为必要。世界纸张需求量每年以成倍的速率在增加，打印机的销量额以每年超过 8%的速率在增长，这预示着打印机不仅不会消失，而且将得到越来越快的发展，其应用领域也会越来越广阔12。目前，我国的装订设备行业处于相对落后的阶段，装订机总体质量不高，打印机的构造、功能都比较单一，设备大多属于半自动化水平。现有民用领域的小型自动装订机因成本较高、结构复杂、维修不便，制约了该产品推广34。本文设计了一种小型自动装订机，利用Arduino Nano57作为主控制器来控制外围模块，并提出了利用激光阻挡进行纸张计数以及自动装订的方案，能够实现文件的自动装订以及自动运送。1 总体结构与控制系统1.1 装置机械结构本文所设计的文件自动装订装置采用模块化设计，主要由以下 5 个模块组成：自动装订模块、阻挡板、传送盒、待装盒、纸张计数/传送装置。DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.24.032引用格式：杨玉林，赵家松，杨争钢，等.基于Arduino的文件自动装订装置设计J.现代电子技术，2023，46（24）：183186.基于Arduino的文件自动装订装置设计杨玉林，赵家松，杨争钢，潘 钰（云南农业大学 理学院，云南 昆明 650201）摘 要：目前批量打印的文件大部分仍需要人工进行装订，为此，文中设计了一款基于 Arduino Nano开发板作为主控制器的文件自动装订装置，能够作为打印机的辅助功能设备。介绍了文件自动装订的机械结构以及系统硬件电路结构，根据装订工作的要求对硬件电路和控制程序进行了设计，阐述了相关元器件的选择、工作原理以及控制方式。实际应用表明，该装置能够通过对激光头传感器和光敏电阻传感器的检测，准确实现15张A4纸及以内的计数，并完成自动装订，最后运送装订好的文件到指定位置。使用该装置可以节省人力资源，解决了人工装订效率低、成本高等问题。关键词：自动装订装置；Arduino；打印机；激光头传感器；光敏电阻传感器；自动运送程序中图分类号：TN87634；TP23 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）24018304Design of automatic file binding device based on ArduinoYANG Yulin,ZHAO Jiasong,YANG Zhenggang,PAN Yu(College of Science,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)Abstract：Most batch printed documents still require manual binding,an automatic file binding device based on the Arduino Nano development board as the main controller is designed,which can serve as an auxiliary function device for the printer.The mechanical structure of the automatic document binding and the hardware circuit structure of the system are introduced,the hardware circuit and control program are designed according to the requirements of binding work,and the selection,working principle,and control method of relevant components are explained.The practical application show that the device can accurately count 15 sheets of A4 papers or less by detecting the laser head sensor and the photoresistor sensor,complete automatic binding,and transport the bound documents to the designated location.The use of this device can conserve manpower and solve the inefficiency and expense of manual binding.Keywords：automatic binding device;Arduino;printer;laser head sensor;photoresistor sensor;automatic transportation program收稿日期：20230503 修回日期：20230612基金项目：云南农业大学第十五届学生科技创新创业行动基金项目（2022XGKX016）；云南农业大学校级一流本科课程数字逻辑（2021YLKC041）183183现代电子技术2023年第46卷文件自动装订装置总体结构如图1所示。图1 文件自动装订装置总体结构图 1 中纸张计数以及自动装订模块是文件自动装订装置的核心部件。该装置利用 Sketch Up 软件进行3D 建模，构建出系统各部件的结构以及连接位置，设计出基于激光阻挡的纸张计数模块以及自动装订模块，最后结合其他模块搭建起一套完整的装置，实现协同工作。1.2 控制系统方案本文装置的控制系统硬件电路结构如图2所示，主要由激光头传感器模块、光敏电阻传感器模块、液晶显示屏模块、电机驱动模块、电机、舵机等元件组成，利用Arduino Nano8开发板作为主控制器，控制外围设备协同工作。其中，激光头传感器模块与光敏电阻传感器模块共同用于纸张的计数，液晶显示屏用于显示操作，舵机和电机用于完成文件的运送和装订。图2 控制系统硬件电路结构2 系统硬件设计2.1 主控制器所设计系统中的主控制器模块采用 Arduino Nano开发板，它的处理器是 ATmega328，其搭配的硬件接口包括14路数字I/O端口，6个模拟端口，1个16 MHz晶体振荡器，1 个 USB 接口，1 个 DC 电源插座，1 个 ICSP header 和 1 个复位按钮；而且 ATmega328 的闪存存储器910为 32 KB，SRAM 为 2 KB，E2PROM 为 1 KB，满足本文设计的自动装订装置的要求。多项研究表明，基于 Arduino的电子设计并结合传感器模块、电机等硬件，不仅具有良好的可靠性，而且还能够满足多样化的机器人功能要求1112。因此，本文将其作为该装置的主控模块，以期达到更优的性能。2.2 激光头传感器模块激光头传感器模块13是能够发射激光的传感器，在纸张计数模块中，采用型号为 KY008 的 3 引脚的激光头传感器模块。该模块由 DC 5 V 供电，能够发射波长为 650 nm 的红色激光，其光照度强于一般的室内光，照射在光敏电阻之上与没有照射在上面相比较，光敏电阻模块模拟输出值的差距较大，有利于主控制器检测出来。2.3 光敏电阻传感器模块本文装置采用集成有 LM393 双电压比较器的 4 引脚光敏电阻传感器模块，工作电压为 DC 5 V。其模拟信号输出引脚与AO和开发板的模拟信号引脚A7连接。用激光头发出射线照射光敏电阻，当光敏电阻接收到光照时阻值变小，此时 LM393电压比较器输出低电平，若有物体把激光遮挡，则光敏电阻阻值将会变大，此时LM393输出高电平。2.4 直流电机选择在自动装订模块中采用滑轮组的结构设计能够达到省力目的。其可以将按压装订动作转换为通过盘绕并收紧牵引线的方式，因此需要扭矩较大的直流电机14。本装置总共需要用到 3个直流电机，其中，传送装置以及传送盒使用的是130双出轴电机，其工作电压为DC 1.56 V，扭矩较小适合负载小的情况，130电机与开发板的数字引脚D13连接；在自动装订模块中所使用的为扭矩较大的 RK370CA20200 电机，最高需要 24 V的直流电压供电。同时采用 L298N 电机驱动模块来驱动 RK370CA20200 电机，该模块可以控制电机的启停和转速，通过L298N调整PWM的方式来适当降低其转速且保持较大的扭矩。2.5 L298N电机驱动模块L298N电机驱动模块15可以驱动感性负载，如大功率的直流电机、步进电机等，其逻辑电平输入端可以与Arduino单片机直接相连，能够很方便地被单片机控制。当 L298N模块驱动直流电机时，其逻辑输入端 IN1、IN2分别与主控制器的 D11D12 连接，只需要改变模块相184第24期应的逻辑输入端的高低电平，就可以实现调速正转、反转或是停止。PWM调速设置如表1所示。表1 PWM调速设置ENAPWM输出PWM输出PWM输出PWM输出PWM输出IN1X0011IN2X0101电机状态停止制动正转反转制动2.6 供电方案如 图 3 所 示，所 设 计 装 置 涉 及 模 块 较 多，仅 由Arduino开发板供电无法满足需求，因此设计了一个供电方案。Arduino开发板、激光头传感器模块、光敏电阻传感器模块和 SG90 360舵机共用一个输出为 5 V/2 A的电源，2 个 130双出轴电机由 Arduino Nano开发板提供电源，L298N模块单独连接至一个24 V/2 A的电源。图3 系统供电电路连接图3 系统软件设计系统软件设计使用 Arduino IDE 集成环境开发，代码编写使用 C语言。系统程序流程如图 4所示，包括纸张数输入程序、纸张计数程序、自动装订程序、自动运送程序。在 Arduino 中，void setup()和 void loop()是两个重要的组件，它们负责为激光头传感器、光敏电阻传感器、舵机以及L298N电机驱动模块提供初始化的功能，从而实现系统的高效运行。void loop()是一个循环函数，它可以用来检测激光阻挡、控制电机和舵机的运行，从而实现系统有效的控制。图4 系统程序流程3.1 纸张计数程序将输入的纸张数作为一个变量Default，并将光敏电阻传感器的模拟信号输出值存入一个变量R1中，激光阻挡判断程序，初始时保持激光发射模块开启，此时光敏电阻传感器模块会接收到一个较强的光强。而中间有A4纸通过时，R1的值会发生较大的变化，这样就可以将某个R1的值作为判断条件。实验结果表明，在室内光照度为 150 lx的情况下，当激光照射在光敏电阻上时，R1始终处于 050这个范围，而当有A4纸通过并阻挡激光时，R1会突变到大于等于300的范围。因此，将R1 50作为判断有激光照射的情况，将R1 100作为判断阻挡的情况，纸张计数程序流程如图 5所示。图5 纸张计数流程杨玉林，等：基于Arduino的文件自动装订装置设计185现代电子技术2023年第46卷3.2 自动运送程序自动装订程序完成后，即文件已经装订好，此时进行自动运送程序。如图6所示，自动运送程序控制前文提到的传送盒中的电机及 2个 SG90舵机旋转。主控制器先控制电机旋转，然后立即控制舵机旋转，将挡板抬起来并延时 0.5 s，此时就可以将装订好的文件送出本装置。最后再控制舵机反向旋转，并让舵机复原到初始位置，等待下一份已装订好并需要运送的文件。图6 自动运送程序流程4 调试结果将自动装订装置样机连接到惠普 M232DW 打印机进行单面打印试验，结果如表2所示。表中时间包括打印机出纸时间、装订和运送时间。由表 2可知，该装置能够准确计数并装订 15张 A4纸的文件，并且运行过程稳定性较好，满足基本性能要求。表2 测试结果数量/张3691215是否成功是是是是是时间/s6.212.418.624.831.05 结 语本文利用激光头传感器模块和光敏电阻传感器模块实现纸张计数，采用Arduino Nano作为主控制器对文件自动装订系统进行设计，并对控制系统硬件的相关器件和工作原理进行介绍。所设计装置满足小批量文件打印装订的功能需求，有一定的应用价值。注：本文通讯作者为赵家松。参考文献1 俞希标.统一移动办公环境下全流程无纸化办公会议管理系统的设计与应用J.中国管理信息化，2023，26（3）：173177.2 曹婷婷.关于自助打印机在高校的发展前景分析：以安徽财经大学为例J.品牌研究，2018，13（1）：46.3 沈国荣.亲历印后装订设备的发展与变迁（上）J.印刷杂志，2019（5）：5860.4 何师，于强.基于YOLO的图书装订自动化检测系统设计与实现J.制造业自动化，2023，45（1）：1720.5 周旭华，伍懿美，陈文婷，等.基于 Arduino的控制类传感器类示教板的设计：以汽车自动测速系统示教板为例J.电子制作，2021（17）：8385.6 蒋亚飞，韦剑琳，庞明义，等.基于 Arduino的智能摔倒监控报警系统J.物联网技术，2023，13（1）：4245.7 朱敏，孙进.基于Arduino的新型多功能智能风扇设计J.集成电路应用，2022，39（3）：118119.8 卢渊，李艳丽，冯成龙，等.基于 Arduino NANO 单片机的互联免接触式自动泵压消毒系统J.物联网技术，2023，13（2）：9597.9 赵修琪，卢文豪，王珊.基于Arduino的自动分拣机械臂控制系统设计J.现代电子技术，2021，44（24）：163166.10 张晓，张楠楠.基于麦克纳姆轮和 Arduino 的避障小车设计J.现代电子技术，2022，45（4）：3034.11 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