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）

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[1-2]。

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[3-4]。本文设计了一种小型自动装订机，利用Arduino Nano[5-7]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。

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 Nano[8]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[9-10]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[11-12]。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KY-008 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 1.5～6 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RK-370CA-20200 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RK-370CA-20200 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D11～D12 连接，只需要改变模块相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

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。

图4 系统程序流程

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。

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0～50 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

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

5 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。