基于STM32F103VE的智能信箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

為了解決傳統(tǒng)信箱容易發(fā)生的鎖孔堵塞、鑰匙丟失、信件丟失、浪費(fèi)空間、垃圾廣告等問題，保護(hù)信件的安全、有效，我們設(shè)計(jì)了一個智能信箱系統(tǒng)。它采用封閉式管理和細(xì)化空間、動態(tài)分配的存儲理念，增加了安全性，提高了用戶數(shù)量。它還具有身份驗(yàn)證、來信提示、網(wǎng)絡(luò)查詢等功能，可以廣泛應(yīng)用于小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等。

一、 整體構(gòu)架

智能信箱的系統(tǒng)構(gòu)架主要有兩部分，即控制系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備。控制系統(tǒng)用于保存和管理用戶與信件的信息，下達(dá)“存”或“取”的命令給機(jī)械設(shè)備，它包括主控芯片模塊、存儲器、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)接口、實(shí)時時鐘、電磁繼電器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等；機(jī)械設(shè)備則負(fù)責(zé)執(zhí)行控制系統(tǒng)下達(dá)的命令，完成信件的存取過程，它包括帶步進(jìn)電機(jī)的線性十字滑軌以及用于存放信件的存儲陣列等。

二、 存/取信件的具體實(shí)現(xiàn)

存/取信件是系統(tǒng)的主要職能。用戶執(zhí)行存信或取信操作時，系統(tǒng)會進(jìn)入存儲器中查詢相關(guān)的用戶信息和存儲信息，根據(jù)一系列算法，算出十字滑軌上滑臺的運(yùn)動軌跡，用電機(jī)驅(qū)動滑臺按照軌跡執(zhí)行存/取信任務(wù)，完成任務(wù)后，系統(tǒng)自動更新存儲器中的信息，保持與存儲陣列內(nèi)的情況一致。

2.1 線性十字滑軌

線性十字滑軌是信箱系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)施機(jī)械動作的部分，為了保證系統(tǒng)的精確性，我們采用了滾珠絲杠十字滑軌。它由兩副正交安裝的滾珠絲杠副和滑臺組成，水平滾珠絲杠副安裝在豎直滾珠絲杠副上，形成一個平面直角坐標(biāo)系，信件就被存儲在這個坐標(biāo)系里。每副滾珠絲杠副都由一個步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，通過控制輸出脈沖個數(shù)來控制角位移量，再通過滾珠絲杠副將角位移轉(zhuǎn)換為線性位移，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

2.2 脈沖數(shù)控制算法

在脈沖輸出上，我們采用了PWM（Pulse Width Modulation）脈沖輸出。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入存/取信件任務(wù)時，系統(tǒng)讀出目標(biāo)單元格在存儲陣列中的橫縱坐標(biāo)值，計(jì)算出兩幅滑軌的運(yùn)行距離，從而確定每個步驟必須輸出的脈沖數(shù)量。脈沖數(shù)的計(jì)算公式：

其中P為脈沖數(shù)，C為當(dāng)前步驟操作的坐標(biāo)值，D為單位坐標(biāo)值的實(shí)際距離，S為滾珠絲杠的導(dǎo)程，α為步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，一般為1.9°，n為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)。

在編程實(shí)現(xiàn)上，我們使用了兩個定時器，其中TIM2作為脈沖計(jì)數(shù)器，TIM3作為PWM發(fā)生器，工作原理闡述如下：①將TIM3設(shè)置成PWM輸出模式，不斷地輸出PWM脈沖序列；②將TIM2設(shè)置成外部觸發(fā)模式，用作脈沖計(jì)數(shù)器；③將TIM3的PWM輸出連接到TIM2的脈沖輸入上，使能TIM3，就可開始記數(shù)；④將TIM2的溢出值設(shè)定為步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù)P，一旦計(jì)得所需脈沖數(shù)，立即進(jìn)入中斷，關(guān)閉TIM3的使能，停止脈沖輸出，這個過程遠(yuǎn)快于PWM的輸出頻率，可以實(shí)現(xiàn)精確控制輸出脈沖數(shù)。

2.3 空間管理方法

傳統(tǒng)信箱采用的是一人一格的平均分配方式，但每人信件數(shù)量往往不同，且當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，信件數(shù)量大幅減少，傳統(tǒng)信箱的分配方式無疑造成了空間上的浪費(fèi)。我們采用細(xì)化空間、動態(tài)分配的管理方式，將每一格尺寸縮小，以每日每戶平均來信數(shù)量為準(zhǔn)，如有超過，則另行開辟空閑單元繼續(xù)存放，同時，自動記錄所存信件的用戶信息；因此信箱整體規(guī)?？s小的同時，支持更多用戶的使用，便于信件的集中管理，解決傳統(tǒng)信箱分散、難管理的問題。