智能型密集架中固定柜的设计

杨 帆，王明黎

（1.武汉工程大学 电气信息学院，武汉430205；2.湖北省视频图像与高清投影工程技术研究中心，武汉430205）

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 就发明了密集架并申请了专利。随后英国、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。直到1989年，我国才有了国产密集架[1-2]。在此后的数十年间，密集架在国内取得了长足发展，如文献[3]采用PLC 控制的主从式系统方案；文献[4-5]基于8 位单片机通过RS-485 总线进行通信，由上位机进行档案的查询与管理；文献[6-7]选用功能比较强大的P89C669 微处理器，增加了人机交互界面；文献[8-9]将ModBus 通信协议用于密集架智能仓储通信系统中，实现了移动端控制密集柜的功能；等。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固定柜。

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，固定柜是整个系统的核心， 固定柜控制板是固定柜的核心，固定柜控制板通过CAN 总线接收装在移动柜上的移动柜控制板采集到的红外光电开关、接近开关等传感器的信号（运动到位的反馈信号、人员进入状态等）后进行数据处理并做出相应的反应。固定柜上装有液晶触摸屏， 该液晶触摸屏可以显示区号、当前温湿度、设备当前状态等，并且通过该触摸屏控制整组移动柜的移动。在此主要阐述固定柜设计（移动柜另文章描述）。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 dense frame system structure

为保障工作人员安全，在密集架区域两端装有红外安全光幕光栅传感器，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。

2 固定柜控制板设计

选用Atmega 128A 作为智能型密集架固定柜控制板的核心控制器。固定柜控制板包括电源部分、CAN 总线通信部分、温湿度传感器部分、行列灯显示部分、RS-232 串口通信部分、语音输出部分、光幕传感器部分，如图2所示。

2.1 电源设计

由于开关电源体积小、重量轻、效率高，电源部分采用12 V 开关电源给控制板供电。LM2575T 只需极少外围器件便可构成高效的稳压电路，故选用LM2575T 降压稳压器将电压转为5 V，给CPU 及控制板上的5 V 器件外设供电。电源电路如图3所示。

图2 固定柜控制板结构Fig.2 Fixed cabinet control board structure

图3 电源电路Tig.3 Power supply circuit

2.2 温湿度传感器设计

该系统设计时温湿度范围为温度18～28 ℃，相对湿度20%～60%。采用SHT10 温湿度传感器采集环境信息。当温湿度超过设计范围时，系统将启动“通风”功能，所有移动柜匀间距打开，并报警提醒工作人员。SHT10 电路如图4所示，SHT10 DATA口接单片机PF3 口，SCK 接单片机PF2 口， 单片机通过PF3 口发送读写命令及接收数据，PF2 口作为同步时钟端。

图4 SHT10 电路Fig.4 SHT10 circuit

2.3 液晶触摸屏连接电路设计

固定柜的主控制板与液晶触摸屏的通信通过RS-232 串口通讯方式实现。液晶触摸屏连接电路如图5所示。Atmega 128 有2 个 串口即USART0 与USART1，通过MAX232 将Atmega 128a 的USART0串口与液晶显示器连接。固定柜的液晶显示器选用显控科技AK-121SA 型号的触摸屏。该触摸屏除了有触摸、显示功能外，还可作为存储该组固定柜存储文件信息的数据库使用。

2.4 CAN 总线电路设计

固定柜与移动柜之间通过CAN 总线连接，固定柜控制板选用MCP2515 CAN 控制器和PCA82C251 CAN 收发器的组合。电路如图6所示。

MCP2515 是一款完全支持CAN V2.0 技术规范， 并带有符合工业标准的SPI 串口的CAN 控制器。该系统通过PG0，PF7，PD6，PD5，PD4，PD1 共6个I/O 口，控制MCP2515 进行CAN 总线通讯。

图5 液晶触摸屏连接电路Fig.5 LCD touch screen connection circuit

图6 CAN 总线电路Fig.6 CAN bus circuit

2.5 声音输出模块电路设计

智能型密集架具有语音播报功能。当移动柜打开或关闭时，密集架会有相应的的语音提示；当密集架检测到架体内有人或者杂物存在时，密集架会做出停止和禁止反应并进行语音提醒。语音播报电路如图7所示。系统选用深圳百为公司的BY8301-16PY语音模块。BY8301-16P 采用HY8301-SSOP23 MP3主控芯片，支持MP3 和AV 格式双解码。BY8301 内置标准UART 异步串口接口， 设计中用USART1（PD3/TXD1，PD2/RXD1）控制语音模块，语音模块使用前需将语音模块通过MICRO USB 数据线连在电脑存储语音，存储完成后单片机通过串口发送相应的控制指令，控制其通过左右声道（DACR，DACL）输出需要的语音信号。

图7 声音输出模块Fig.7 Sound output module

3 固定柜控制板软件设计

固定柜是整个智能型密集架控制系统的核心。它不仅要与移动柜之间进行数据交换，还要与上位机管理软件及液晶显示屏进行通信，固定柜必须实时处理线路上的各种信息并进行相应的反馈。固定柜具有控制整个架体动作的功能，具体包括开架运行、闭架运行、暂停等。固定柜主程序流程如图8所示。

图8 固定柜主程序流程Fig.8 Fixed cabinet main program flow chart

程序初始化以后，根据判断条件执行相应的操作。系统初始化包括配置系统时钟、定时器及计数器初始化、中断设置、串口初始化、MCP2515 初始程序初始化以后，根据判断条件执行相应的操作。系统初始化包括配置系统时钟、定时器及计数器初始化、中断设置、串口初始化、MCP2515 初始化、设置自检标记位Flag1 和触发标记位Flag2 为0；并设置了3 个中断，UART0 中断、定时器中断、CAN 中断。其中，UART0 中断负责接收触摸屏和按键发来的消息，MCU 处理后通过MCP2515 给移动柜发送命令。CAN 中断负责接收移动柜发来的消息，并置相应的标志位然后做出回应， 当收到移动列触摸屏消息，固定列需要对移动柜进行命令回复。对于打开、关闭、停止、锁定、解锁、通风消息，固定柜需要对相关移动柜发出有关命令，并置uart_flag，Flag1，Flag2 等标记。定时器中断用于定时查看红外光栅传感器状态判断有无遮挡物。

4 液晶触摸屏设计

设计选用了显控科技的AK-121SA 液晶触摸屏，用SATOOL 组态软件进行开发。液晶触摸屏和固定柜控制板的通讯采用RS-232 方式完成。固定柜控制板与液晶触摸屏设计采用ModBus RTU 协议作为通讯协议， 所用到的功能码为0X03 和0X06。该组态软件将液晶触摸屏上的多个开关量通道分别对应到一个寄存器上的不同位上，使得控制器在每次轮询时，只需读取一个寄存器的值，对其进行分析，即可得到不同开关量，节省了资源。组态软件流程如图9所示。

图9 组态软件流程Fig.9 Configuration software flow chart

5 设计结果

将设计的固定柜控制板与液晶触摸屏连接，调试结果如图10所示。触摸屏上有“上翻”“左移”“禁/停”“合架”“右移”“下翻”6 个按键。按“上翻”“下翻”键可选择移动柜的列号；“左移”“右移”控制移动柜移动方向；“合架” 是将所有移动柜关闭；“禁/停”是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。经调试检验固定柜与移动柜通信稳定。

图10 液晶触摸屏界面Fig.10 LCD touch screen interface

6 结语

所设计的智能型密集架中固定柜，具有良好的人机界面，并采用多重安全措施以保障工作人员安全。采用CAN 总线通以保障通信的稳定性和实时性，具有很好的实用价值。

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