0 引言

    目前，学生手头拥有很多各类已阅书籍，每年一到毕业季，大多数学生都对大量积存的图书发愁。这些书籍既不方便带走，扔了又可惜，当做废纸出售便失去了书籍的价值。尽管学生间自发交换、相互馈赠“二手书”也屡见不鲜，但范围有限，导致学生手中的图书不能得到很好的再次利用。目前市面上专门针对图书的回收装置寥寥无几，并且无法联网^[1]。针对上述问题，基于STM32设计了卧式图书回收装置。它可广泛分布于Wi-Fi信号覆盖区域，能够实现图书的高效自助回收，提供资金、优惠券等多种激励方式。回收装置通过网络详细记录图书的回收信息，为二手图书的流通提供了便捷途径。

1 系统的整体设计

1.1 系统的电气结构设计

    系统由主机和从机两部分构成，主机部分由以STM32F103RC为核心的控制模块、串口拓展模块、交互模块和导轨模组构成；从机部分由以STC12C2052AD为核心的控制模块、无线供电模块和分离式装卸模组构成；主机和从机通过蓝牙透传模块进行无线通信。系统总体结构框图如图1所示。

    主机功能：一方面通过串口拓展模块与交互模块通信，实现图书条形码的读取、用户RFID卡的读写、优惠券打印、通过Wi-Fi与服务器通信等；另一方面控制导轨进而实现从机在导轨上的轴向运动，通过蓝牙透传模块与从机通信，搜集整理从机信息，向从机发送动作指令，从而实现图书的回收。

    从机功能：一方面通过分离式装卸模组中的传感器，收集图书回收过程中机械运动的状态信息并发送给主机；另一方面接收主机的动作指令，配合主机完成图书的装卸并调整图书姿态。系统从机采用无线方式供电。

1.2 系统的功能设计

    一次完整的图书回收流程如图2所示，其主要功能如下：（1）将图书从回收装置外侧插入到旋转书立上，之后装置的条码扫描模块会对其进行扫描，扫描有效后开始回收。（2）导轨模组将载有图书的装卸模组沿导轨运向舱内，运送过程中，装卸模组实时测量与上一本图书的距离，当到达距离上一本图书10 cm时，从机向主机发送信息，丝杆停止转动。从机控制器控制装卸模组将图书卸落至图书支架上，之后旋转书立恢复原始位置。（3）主机控制直流电机带动装卸模组继续朝图书方向移动，对当前图书进行姿态调整，将松散斜靠的图书压紧。压力传感器实时测量压力，当压力达到设定阈值时，从机通过蓝牙模块通知主机停止推进装卸模组。（4）将装卸模组退回到初始位置。

2 系统的机械结构设计

    系统的机械结构设计示意图如图3所示。导轨模组是由直流电机（额定电压12 V，500 rpm）、丝杆（导程8 mm）、导轨、图书支架构成，其中直流电机由主机控制，与丝杆相连并带动丝杆旋转；旋转的丝杆带动从机沿导轨做轴向运动，将图书运向回收装置内部。图书支架表面采用摩擦系数相对较大的橡胶材质，从而保证图书能够稳定放置在支架上。

    图书装卸模组由旋转书立、旋转轴、推杆电机、压力传感器和超声测距模块等构成，如图4所示。它安装在丝杆和导轨上，通过内螺纹与丝杆咬合，通过滚珠轴承与导轨套接^[2]。从机控制器安装在装卸模组上，对推杆电机进行控制，通过推杆的伸缩来推拉旋转书立绕旋转轴运动，从而使放置在书立上的图书倒下并滑落至回收支架上，斜靠在上一本图书或舱壁上。调整图书姿态时，压力传感器会顶在当前图书上，实时反馈推力。超声测距模块用于测量装卸模组与最外侧图书的位置，一方面确定装卸模组卸下图书的轴向位置，另一方面测量回收装置的有效容量。在旋转书立内表面覆盖一层光滑的塑料膜，用于减小图书底部与书立之间的摩擦系数，确保卸落时图书能够顺利滑出书立。

3 系统的硬件电路设计

3.1 主机串口拓展模块设计

    本系统包含了Wi-Fi透传模块、条码扫描模块、热敏打印机、RFID读写模块、蓝牙透传模块等，它们均采用UART串口通信协议与主控芯片通信^[3]。主控芯片STM32F103RC有5个可用串口，一方面LCD模块和SD卡就占用了其中3个；另一方面为保证基础功能稳定，将U5_Tx/U5_Rx单独接入蓝牙透传模块，负责主机与从机通信。为此必须将剩余的U1_Tx/U1_Rx进行串口拓展，连接其他4个串口外设，如图5所示。

    主控芯片和4个拓展串口外接模块采用全双工通信方式。在空闲时发送方Tx处于“高电平”，同时将接收方Rx拉高[4]。通信开始时，Tx变为“低电平”，随之将Rx拉低，触发数据的接收过程。

    主控芯片的数据接收过程如下：4个交互模块的Tx端作为四输入与门的输入端，与门的输出接主控芯片的U1_Rx。空闲期间四个交互模块的Tx全部为高电平，任何一个模块的Tx变为低电平都会触发主控芯片的接收过程。主控芯片接收到数据后，一方面对数据来源进行判断，另一方面进行数据校验。

    主控芯片的数据发送过程如下：将主控芯片的PC0、PC1、PC2和PC3分别作为四个或门的一个输入，U1_Tx同时作为四个或门的另一个输入，四个或门的输出分别接四个交互模块的Rx。只有当主控芯片PC0、PC1、PC2和PC3任一引脚拉低时，主控芯片Tx才能通过对应的或门输出至对应串口模块，从而触发对应外设接收主控芯片发送的数据。

3.2 从机无线供电模块设计

    从机要携带图书在狭长的轨道上做往复运动，为避免有线供电带来的线材磨损和可能发生的导线缠绕、拉断等故障，故从机选择无线供电方式，如图6所示。无线供电接收模块连接TP4096锂电池电源管理模块，为3.7 V锂电池进行充电。由于从机需通过L293驱动推杆电机，而L293需要5 V电压供电，所以采用MC34063对锂电池进行升压^[5]。

    无线供电发射模块包括方波脉冲宽度调制发生器芯片XKT-408A、集成晶闸管芯片T5336和发射线圈（原边绕组）。XKT-408A产生67 kHz方波信号，然后驱动T5336在发射线圈中产生67 kHz的高频交变电流。

    无线供电接收模块包括开关型稳压芯片T3168和接收线圈（副边绕组）。接收线圈将感应得到的交变电流经整流、滤波、稳压变成直流电，再送给锂电池电源管理模块^[6]。

    线圈贴合距离在5 mm范围内时，无线供电接收模块额定输出电压为V₁=5 V，电流为I₁=150 mA，为锂电池充电。从机静态时供电电压为V₂=5 V，消耗电流为I₂=15 mA；在推杆电机运转时从机供电电压为V₃=5 V，消耗电流为I₃=230 mA。根据TP4096 和MC34063的数据手册，锂电池电源管理模块的充电效率η₁为80%～95%，升压模块的效率η₂为60%～75%。设从机装卸图书时间占总时间的比例为K，可得：

    在η₁=80%、η₂=60%的最坏情况下，K=26.5%。实际的K值远远小于26.5%，因此无线供电完全可以满足从机的供能需求。

    整个无线供电电路固定在从机上。无图书回收时，从机停靠在轨道的起始端，无线供电接收模块线圈与主机的发射模块线圈对正贴合，对锂电池充电。回收过程中从机离开轨道起始端，充电中止。

4 系统的软件设计

4.1 主机软件设计

    主机的软件设计流程图如图7所示。主机上电后先进行初始化和自检，当有图书插入回收装置时，激活回收流程。

4.2 从机软件设计

    从机通过控制推杆电机装卸图书，并配合主机进行超声测距和压力探测，完成图书回收，从机的软件设计流程图如图8所示。

5 结论

    本文基于STM32F103RC设计的图书自助回收装置，一方面通过无线供电模块和蓝牙通信模块完成了从机的无线供电和主从无线通信，使得回收装置的稳定性和可靠性大幅提升；另一方面，设计的串口拓展模块突破了主控芯片的串口数量限制，大大增加了交互模块的数量。系统采用简洁高效的机械结构可完成图书的自助回收，大大降低了设备成本。另外，通过改变系统中的导轨和丝杆长度，并匹配合适功率的直流电机，还可以增加图书的回收数量。

参考文献

[1] 曹遂军，王会良.国内外开放式数控系统的研究与现状[J].机电工程技术，2003，32(5)：20-22.

[2] 刘宝志，杨静.步进电机精确控制方法研究[D].济南：山东大学，2010.

[3] 马忠梅，徐琰，叶青林.ARM Cortex微控制器教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 官媛，王勇.嵌入式串口通讯服务器的研究和设计[D].杭州：浙江大学，2006.

[5] 周亚楠，周东辉.锂电池管理系统的研究与实现[D].青岛：中国海洋大学，2008.

[6] 丁闯，赵永东，江鹏程，等.非接触感应供电技术及其在扭矩测试中的应用[J].现代电子技术，2013(23).