基于STM32F103VE的智能信箱系統(tǒng)的設計與實現(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、浪費空間、垃圾廣告等問題，保護信件的安全、有效，我們設計了一個智能信箱系統(tǒng)。它采用封閉式管理和細化空間、動態(tài)分配的存儲理念，增加了安全性，提高了用戶數(shù)量。它還具有身份驗證、來信提示、網(wǎng)絡查詢等功能，可以廣泛應用于小區(qū)、學校、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)與機械設備?？刂葡到y(tǒng)用于保存和管理用戶與信件的信息，下達“存”或“取”的命令給機械設備，它包括主控芯片模塊、存儲器、觸摸屏、網(wǎng)絡接口、實時時鐘、電磁繼電器、步進電機驅(qū)動器等；機械設備則負責執(zhí)行控制系統(tǒng)下達的命令，完成信件的存取過程，它包括帶步進電機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動軌跡，用電機驅(qū)動滑臺按照軌跡執(zhí)行存/取信任務，完成任務后，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)當中實施機械動作的部分，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系，信件就被存儲在這個坐標系里。每副滾珠絲杠副都由一個步進電機來驅(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，達到準確定位的目的。

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。當系統(tǒng)進入存/取信件任務時，系統(tǒng)讀出目標單元格在存儲陣列中的橫縱坐標值，計算出兩幅滑軌的運行距離，從而確定每個步驟必須輸出的脈沖數(shù)量。脈沖數(shù)的計算公式：

其中P為脈沖數(shù)，C為當前步驟操作的坐標值，D為單位坐標值的實際距離，S為滾珠絲杠的導程，α為步進電機的步進角，一般為1.9°，n為步進電機驅(qū)動器的細分數(shù)。

在編程實現(xiàn)上，我們使用了兩個定時器，其中TIM2作為脈沖計數(shù)器，TIM3作為PWM發(fā)生器，工作原理闡述如下：①將TIM3設置成PWM輸出模式，不斷地輸出PWM脈沖序列；②將TIM2設置成外部觸發(fā)模式，用作脈沖計數(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的溢出值設定為步進電機所需的脈沖數(shù)P，一旦計得所需脈沖數(shù)，立即進入中斷，關(guān)閉TIM3的使能，停止脈沖輸出，這個過程遠快于PWM的輸出頻率，可以實現(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，且當今網(wǎng)絡高速發(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。我們采用細化空間、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，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)模縮小的同時，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。