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摘要：由于傳統的試卷裝訂中打印、分揀、裝訂三個步驟需要分開做既費時間又浪費精力，針對這種情況，本文設計一種新型試卷自動分揀裝訂機。系統采用STM32F103C8T6單片機作為控制核心芯片，對于試卷的分揀和裝訂過程進行自動控制，可實現試卷的自動分揀和裝訂，能有效的節省人力物力，提高工作效率。
關鍵詞：試卷自動分揀；自動裝訂；STM32F103C8T6
1概述
在我國的各個大、中、小學的教學過程中，為了檢驗學生對教學目標的掌握程度，通常采用給學生分發紙質試卷、采用考試的形式來進行。這就需要老師們既要出考題，又要對打印出的多張不同試卷進行分揀和裝訂；教師忙于出試卷，又苦于試卷的分頁與裝訂。傳統的人工方式對試卷分裝裝訂既費時費力，又容易產生一定的人為錯誤。面對龐大的試卷數量，教師們總是疲于應對，而由于試卷具有一定的保密性，所以無法通過學生幫忙完成此試卷的分頁與裝訂，因此急需一種試卷自動裝訂機器，將不同頁碼的試卷紙張放入后，可自動完成試卷的分揀和裝訂。針對現有技術的不足，本設計針對一種新型的試卷分揀和裝訂的機械裝置，設計了控制電路，可實現試卷的自動分揀和裝訂，能有效的節省人力物力，提高工作效率。
2機械部分設計
試卷自動分揀和裝訂機的機械結構包括機臺、分揀送紙機構和裝訂機構三個部分。
2.1機臺。在底座支架上設置有分揀送紙系統和裝訂系統。
2.2分揀送紙機構。分揀送紙機構包括多套紙托盤，多套紙托盤在豎直方向重疊放置；每一套紙托盤的出紙口設置有一個搓紙輥和一對送紙輥，搓紙輥由搓紙電機驅動，送紙輥由送紙電機驅動，在出紙口下方還設置有出紙傳感器，如圖1所示。
2.3裝訂機構。裝訂機構包括左導軌和右導軌，左導軌和右導軌平行固定在底座支架上，在左導軌和右導軌上分別設置有滑塊，滑塊可沿導軌前后滑動，滑塊內穿有通軸，通軸包括左通軸和右通軸，通軸與導軌平行，通軸可相對滑塊轉動，通軸上還固定連接有轉軸，在左通軸和右通軸的末端分別與左電機和右電機的輸出軸固定連接，左電機和右電機通過第一連接板連接；在左通軸和右通軸之間設置有接紙盤，接紙盤包括左半頁和右半頁，左半頁與左通軸上的轉軸固定連接，右半頁與右通軸上的轉軸固定連接；在接紙盤和第一連接板之間還設置有第二連接板，左通軸和右通軸均穿過第二連接板，左通軸和右通軸與第二連接板轉動連接，在第二連接板上設置有自動裝訂機[1]。同時在底座支架上設有紙張對齊電機，紙張對齊電機輸出軸上設置有同步輪和同步帶，同步帶與第一連接板固定連接，裝訂機構如圖2所示。在具體工作過程中，分揀出紙部分有多套紙托盤，每個紙托盤可存放多張同一頁碼的試卷，通過控制終端可以實現不同頁碼的試卷按照設定的順序依次送出，并在接紙盤上疊放；通過對齊電機的帶動可使多張試卷對齊，通過自動裝訂機裝訂后，使接紙盤的左半頁和右半頁向下打開，裝訂好的試卷便自動落下，至此完成試卷分揀裝訂。
3硬件電路設計
硬件電路設計上，本設計使用了每個單元模塊化設計的思想，將整個電路分為不同的模塊，包括微處理器模塊、顯示模塊、電機驅動模塊、電源模塊和紅外傳感器模塊等，其中主控微處理器模塊擬采用STM32單片機做為控制核心，顯示模塊使用SH1106來實現，電機驅動部分使用L298N來實現完成[2]。
3.1STM32最小系統設計。本設計采用STM32F103C8T6作為主控芯片。最小系統設計包括電源電路，晶振電路和復位電路組成，原理如圖3所示。電源電路方面，STM32F103處理器的穩定工作電壓為3.3V,減速電機的工作電壓為12V，因此選用XL1509降壓芯片。XL1509具有寬的電壓輸入范圍4.5-40伏，輸出范圍可調。該電源芯片驅動能力強，擁有很好的線性能力。外部采用12V供電方便直流減速電機工作，C1是輸入端的去耦電容，去除輸入電壓處的雜波，電感用于平滑電流，二極管的作用是在切斷電源時做續流二極管用防止電感產生很高的反向電動勢，輸出端330uf和1uf用于濾除高頻和低頻干擾信號。晶振電路選用8MHz的無緣晶振，22pf的諧振電容。復位電路處于穩定狀態時，電容C6起到阻斷直流電流的的作用，相當于此時電容處為斷路，此時的復位線NRST是高電平，系統穩定運行[3]。當按下復位按鍵時NRST與GND相連，此時實現系統復位。另外電路主板上電的瞬間需要對電容進行充電，此時電容就相當于通路，則NRST與GND處于同一個電平，隨著電容充電越來越多，即將充滿的時候，電流會越來越小，也就會越來越小，直到電容完全充滿電后，線路上不再有電流，NRST又變成了高電平。從這個三個角度上來看，使用這個電路，單片機在上電后，NRST引腳會先保持一小段時間的低電平而后變成高電平，此流程就是上電進行復位單片機的流程。
3.2電機驅動電路設計。本設計的運動執行機構采用減速電機實現。減速電機由齒輪組和直流電機組成。減速電機的優點是效率高，可靠性高，使用壽命長，易于維護和廣泛使用。與步進電機相比，減速電機更是有價格優惠和扭矩大的特點，固本設計選用的減速電機轉速為50r/min。單片機不能直接驅動減速電機，需要采用驅動電機的專用集成電路L298N。L298N由4個三極管組成H橋電路。L298N芯片的輸出電流可達到為2A，最高電流也可達到4A，最高工作電壓為50V，可直接驅動大功率直流電機、步進電機、電磁閥等感性負載，輸入端可直接與單片機輸出IO相連接，因此適用于本設計通過單片機來直接控制[4]。L298N芯片可驅動兩臺兩相電機，最大輸出電壓可高達50V，輸出電壓可通過改變輸入電源大小直接調節，信號可由單片機的IO口直接提供，電路簡單易用。如果要對直流電機做PWM調速輸出，需設置IN1和IN2，確定電機的轉動方向，然后對使能端EN輸出占空比可調的PWM脈沖，即可實現調速。
3.3人機接口電路設計。人機接口電路包括顯示電路、按鍵電路和旋鈕電路。電路原理圖如圖4所示。顯示電路采用SH1106進行顯示。SH1106是一個單片CMOSOLED/pled顯示的驅動器，帶有本身的控制器，操作配置內部的RAM，本設計采用SPI接口傳輸數據。采用4條線SPI傳輸數據，串行接口由串行的時鐘線，串行的數據線，A0和片選線組成。在時鐘線的每個上升沿按照先發高位再發低位的順序將數據寫入八位移位寄存器。每隔8時鐘周期對A0進行一次采樣，并將移位寄存器中的數據在同一時鐘寫入顯示數據RAM存儲器或寫入命令寄存器。按鍵采用矩陣鍵盤實現，按鍵負責系統的開始和停止。旋鈕采用EC11旋轉編碼器，負責調試電機運行速度，接口部分接上排線與主板連接，使顯示界面和主板實時通信，實現簡單的人機交互界面。旋轉編碼器的電路采用RC濾波電路，保證旋轉編碼器的輸出信號穩定，可以從硬件層面減少信號不穩定的問題。
4結論
本論文從實際應用出發，研究設計了一種試卷自動分揀裝訂裝置。工作前只需要把試卷分別放在不同的進紙框內，設置好裝訂份數之后點擊開始工作，在程序電路的控制下由機械結構的進紙機構，裝訂機構，完成分揀、進紙、整理、裝訂、擺放等步驟，直至完成設定工作量。本課題的研究主要是推動打印裝訂行業發展，提高效率節省工作時間，對于裝訂自動化行業有一定的參考價值。
作者:侯凡博 杜毅 邢春芳 張一博 張征宇 單位:安陽工學院電子信息與電氣工程學院