CN107599668A - 一种自动翻书机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动翻书机及其控制方法，自动翻书机包括机械部分和电气控制部分；机械部分包括压书机构、搓书机构、翻页机构，电气控制部分包括主控制器、三个驱动模块和压书电机、搓书电机和翻页电机；所述主控制器为单片机STC89C52RC，所述驱动模块为ULN2003A，所述主控制器通过驱动模块分别和压书电机、搓书电机和翻页电机连接。本发明的自动翻书机，利用三个电机正反转来驱动压书机构、搓书机构、翻页机构运动，能够实现精确有效地翻书运动。当电机正转时，搓书机构、压书机构、翻页机构正向进给来实现搓书、压书、翻书等功能。当电机反转时，机构反向进给实现归位和压书等功能。用单片机程序来控制的简单、便捷。

Description

一种自动翻书机及其控制方法

技术领域

本发明涉及学习用工具技术领域，具体地说涉及一种自动翻书机及其控制方法。

背景技术

随着科技的不断发展，人们生活质量的提高，许多电子产品如雨后春笋，不断涌现，电子书就是其中之一。电子书的诞生确实为人类解决了书本的笨重、不易携带的问题。

电子读物大行其道的今天，仍有许多人偏爱纸质书籍，习惯是很难改变的。但是随着科技的发展，智能产品系统越来越盛行，智能产品的进步可以让更多的弱势群体利用智能产品获得更多的帮助。社会对弱势群体的关注也不仅仅在于丰富他们的物质生活，更主要的是深入到怎么满足他们的精神世界。对于双手残疾的朋友们来说，想要看书是相对比较困难的，因为他们无法像正常人一样用手翻书。如果让他们长时间对着电子书阅读的话可能对眼睛造成一定的伤害。另外，音乐家们除了手里的乐器之外他们同样需要一个智能的翻乐谱机构来辅助他们完成一场漂亮的表演。他们在舞台上利用已被占据的双手来翻乐谱，这样不仅会影响他们的节奏，更会影响观众们的视听效果。那么我们就要想办法来解决这些问题。

查阅现有的国内外自动翻书机装置，最为代表性的还是来自美国的BOOK TIME5000自动翻书机，该翻书机采用的是方形结构，空间较大，试用多种书籍，并且功能较多，但是，售价也相当昂贵，对于大部分人来说很难接受它的价格。

对于国内的翻书机构的研究较多，大体可分为三大类：

1、阅读架自动翻书机，这种阅读自动翻页装置，包括一架板及其周边的若干夹具，一架板上角的弹片，一架板上方中央的旋转头及其中间的一凹槽，两摆臂则以其后段活动轴接在凹槽中，其中第一和第二摆臂尾端各藉一拉持件分别固定在旋转头左右、右侧的架板上，第一摆臂前端有一吸纸构件。当吸纸构件吸纸时，即由旋转头使两摆臂同时转至架板另一侧，吸纸构件即松开纸，同时在拉持件作用下，使第一、二摆臂分别上、下移，以卡持已被翻之纸。

2、脚踏式自动翻书谱架，这种脚踏式自动翻书谱架在已有谱架的基础上。支脚上上设踏板和滑轮组，斜置板的支撑面上设转轴，该轴上有摆杆和重锤，穿经滑轮组，一端与踏板连接，另一端与转轴固定。下踩踏板，传动绳带动转轴，使摆杆由一侧翻转到另一侧，松开踏板，重锤作用，摆杆回转，随即带动乐谱纸张翻页。本实用发明实现脚动式自动翻页，可保证演奏者或指挥官的双手自始至终可用于演奏或指挥，结构简单，使用方便。

3、自动翻页器，这种自动翻页器，它是一个盒体。书刊展放在盒面上，用真空吸盘吸附书页，靠旋臂带动书页偏转，旋臂是装在传动轴上，传动轴上还带有三只凸轮，其中一只凸轮与电磁铁连接，使轴偏转，一只凸轮带动真空泵使吸盘产生负压，另一只凸轮控制活动夹的张开和压紧。电磁铁的控制。

这些翻书机器大多数都采用吸附、机电控制、电磁等来控制纸张的翻动，机构比较复杂、结构松散，成本也比较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术缺陷，提供一种自动翻书机及其控制方法，采用摩擦方式带动起纸张的翻转，结构简单，使用方便。既省事又不失去看书本质乐趣的一种不用手就可以翻书的机器，主要应用人群为无臂残疾人士和演奏家们，可帮助前者自主的、更好的读书，帮助后者方便、快捷完整的演奏一首曲子。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种自动翻书机，包括机械部分和电气控制部分；所述机械部分包括一个托书板和设置于托书板上的压书机构、搓书机构、翻页机构，所述电气控制部分包括主控制器、三个驱动模块和分别驱动压书机构、搓书机构、翻页机构动作的压书电机、搓书电机和翻页电机；所述主控制器为单片机STC89C52RC，所述驱动模块为ULN2003A，所述主控制器通过驱动模块分别和压书电机、搓书电机和翻页电机连接。

作为对上述技术方案的改进，所述压书电机、搓书电机和翻页电机为28BYJ-48步进电机。

作为对上述技术方案的改进，所述28BYJ-48步进电机为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机。

所述压书机构包括固定设置于托书板上的压书电机、压书轴承架以及可转动的设置于压书轴承架上的压书主轴，所述压书电机与压书主轴齿轮传动连接，两个压书轴承架间的压书主轴套设有压书杆，该压书杆的另一端铰接有压书连杆，该压书连杆的另一端铰接有压书板。所述搓书机构包括固定于托书板上的搓书电机、搓书杆和设置于搓书杆上的摩擦块、搓书架和可转动的设置于搓书架的搓书主轴、拉杆架和可转动的设置于拉杆架上的拉杆，所述搓书电机的输出轴与搓书主轴通过齿轮机构传动连接；所述搓书主轴的另一端设置有拨块，该拨块活动连接有一个长连杆和一个较短的第一连杆，所述长连杆的另一端设置有铰接轴并通过铰接轴铰接有较短的第二连杆和搓书杆，所述的第一连杆、第二连杆和拉杆通过连接轴铰接。所述翻页机构包括固定于托书板的翻页架和固定在翻页架上的翻页电机，所述翻页电机的输出轴垂直设置，所述翻页电机的输出轴的轴端设置有拨杆。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

TC89C52在本设计中发挥着至关重要的作用，它是这个系统的控制核心。STC89C52与外围的硬件相连，通过执行程序指令，向外围驱动芯片发送指令，控制步进电机的转动角度，从而实现一系列翻书过程。

28BYJ-48步进电机主要有三种，1、反应式步进电机：转子由软磁材料组成。其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差，转矩较小；2、永磁式步进电机：转子用永磁材料组成，动态性能好、力矩较大，误差相对大一些，价格低，广泛用在消费性产品；3、混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，力矩大、动态性能好、步距角小、精度高，但是结构复杂价格高，广泛用在工业。

驱动该步进电机的芯片为ULN2003A芯片，ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿系列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

本发明并提供了一种该自动翻书机的控制方法，其步骤是：

S1、主控制器工作，主控制器通过驱动模块控制压书机构，使压书机构的压书电机工作，电机正转，压书杆抬起，放书；电机反转，压书杆放下，将书压在托书架上，搓书机构的摩擦块压放在未翻书页上；

S2、继续控制压书机构，使压书机构的压书电机工作，压书杆抬起；

S3、主控制器继续工作，主控制器通过驱动模块控制搓书机构，搓书电机正转，搓书杆正向动作，摩擦块通过摩擦方式把书页带起来，便于翻书杆插入翻起的书页和未翻起的书页间；

S4、主控制器继续工作，主控制器通过驱动模块控制翻页机构，翻页电机动作，翻书杆转动90度，插入翻起的书页和未翻起的书页间，翻书杆继续旋转90度，将翻起的书页拨至已翻书页上，完成翻页；

S5、压书机构动作，压书杆放下，将书压在托书架上；搓书机构动作，搓书电机反转，摩擦块归位；

S6、重得步骤S1-S5，进行多页数书页的翻起和压下。

该电气控制部分的原理是：

该设计的本质是通过程序控制步进电机正反转以及机械结构的传动，从而达到翻书的目的，由于使用的步进电机为28BYJ-48步进电机，该步进电动机为四相步进电机以四相电机为例，有单相四拍运行方式即A-B-C-D，有双相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

步进角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步进角。

转子磁极数越多，步进角越小；定子相数越多，步进角越小；通电方式的节拍越多，步进角越小。

式中：m-定子相数Z-转子磁极对数C-通电方式C＝1单相轮流通电，双相轮流通电方式C＝2单、双相轮流通电方式，公式：

在本次设计中使用四相八拍的运行方式：

八拍模式绕组控制顺序表

1

2

3

4

5

6

7

8

VCC-红

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

A-橙

GND

GND

GND

B-黄

GND

GND

GND

C-粉

GND

GND

GND

D-蓝

GND

GND

GND

所以转换成二进制位{Oxfe，Oxfc，Oxfd，Oxf9，Oxfb，Oxf3，Oxf7，Oxf6}，即为转子转一周的码表。

设计程序时，根据实际需要，调节步进电机的转动角。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的自动翻书机，利用三个电机正反转来驱动压书机构、搓书机构、翻页机构运动，能够实现精确有效地翻书运动。当电机正转时，搓书机构、压书机构、翻页机构正向进给来实现搓书、压书、翻书等功能。当电机反转时，机构反向进给实现归位和压书等功能。用单片机程序来控制的简单、便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明带控制面板的电气控制部分的电路示意图；

图2为本发明不带控制面板的电气控制部分的电路示意图；

图3为本发明的STC89C52单片机的引脚示意图；

图4为本发明的驱动模块的引脚示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1-4所示，本发明的自动翻书机，包括机械部分和电气控制部分；所述机械部分包括一个托书板和设置于托书板上的压书机构、搓书机构、翻页机构，所述电气控制部分包括主控制器、三个驱动模块和分别驱动压书机构、搓书机构、翻页机构动作的压书电机、搓书电机和翻页电机；所述主控制器为单片机STC89C52RC，所述驱动模块为ULN2003A，所述主控制器通过驱动模块分别和压书电机、搓书电机和翻页电机连接。

作为对上述技术方案的改进，所述压书电机、搓书电机和翻页电机为28BYJ-48步进电机。

作为对上述技术方案的改进，所述28BYJ-48步进电机为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机。

所述压书机构包括固定设置于托书板上的压书电机、压书轴承架以及可转动的设置于压书轴承架上的压书主轴，所述压书电机与压书主轴齿轮传动连接，两个压书轴承架间的压书主轴套设有压书杆，该压书杆的另一端铰接有压书连杆，该压书连杆的另一端铰接有压书板。所述搓书机构包括固定于托书板上的搓书电机、搓书杆和设置于搓书杆上的摩擦块、搓书架和可转动的设置于搓书架的搓书主轴、拉杆架和可转动的设置于拉杆架上的拉杆，所述搓书电机的输出轴与搓书主轴通过齿轮机构传动连接；所述搓书主轴的另一端设置有拨块，该拨块活动连接有一个长连杆和一个较短的第一连杆，所述长连杆的另一端设置有铰接轴并通过铰接轴铰接有较短的第二连杆和搓书杆，所述的第一连杆、第二连杆和拉杆通过连接轴铰接。所述翻页机构包括固定于托书板的翻页架和固定在翻页架上的翻页电机，所述翻页电机的输出轴垂直设置，所述翻页电机的输出轴的轴端设置有拨杆。

本发明并提供了一种该自动翻书机的控制方法，其步骤是：

S1、主控制器工作，主控制器通过驱动模块控制压书机构，使压书机构的压书电机工作，电机正转，压书杆抬起，放书；电机反转，压书杆放下，将书压在托书架上，搓书机构的摩擦块压放在未翻书页上；

S2、继续控制压书机构，使压书机构的压书电机工作，压书杆抬起；

S3、主控制器继续工作，主控制器通过驱动模块控制搓书机构，搓书电机正转，搓书杆正向动作，摩擦块通过摩擦方式把书页带起来，便于翻书杆插入翻起的书页和未翻起的书页间；

S4、主控制器继续工作，主控制器通过驱动模块控制翻页机构，翻页电机动作，翻书杆转动90度，插入翻起的书页和未翻起的书页间，翻书杆继续旋转90度，将翻起的书页拨至已翻书页上，完成翻页；

S5、压书机构动作，压书杆放下，将书压在托书架上；搓书机构动作，搓书电机反转，摩擦块归位；

S6、重得步骤S1-S5，进行多页数书页的翻起和压下。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

TC89C52在本设计中发挥着至关重要的作用，它是这个系统的控制核心。STC89C52与外围的硬件相连，通过执行程序指令，向外围驱动芯片发送指令，控制步进电机的转动角度，从而实现一系列翻书过程。

28BYJ-48步进电机主要有三种，1、反应式步进电机：转子由软磁材料组成。其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差，转矩较小；2、永磁式步进电机：转子用永磁材料组成，动态性能好、力矩较大，误差相对大一些，价格低，广泛用在消费性产品；3、混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，力矩大、动态性能好、步距角小、精度高，但是结构复杂价格高，广泛用在工业。

驱动该步进电机的芯片为ULN2003A芯片，ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿系列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

该电气控制部分的原理是：

该设计的本质是通过程序控制步进电机正反转以及机械结构的传动，从而达到翻书的目的，由于使用的步进电机为28BYJ-48步进电机，该步进电动机为四相步进电机以四相电机为例，有单相四拍运行方式即A-B-C-D，有双相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

步进角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步进角。

转子磁极数越多，步进角越小；定子相数越多，步进角越小；通电方式的节拍越多，步进角越小。

式中：m－定子相数Z－转子磁极对数C－通电方式C＝1单相轮流通电，双相轮流通电方式C＝2单、双相轮流通电方式，公式：

在本次设计中使用四相八拍的运行方式：

八拍模式绕组控制顺序表

1

2

3

4

5

6

7

8

VCC-红

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

A-橙

GND

GND

GND

B-黄

GND

GND

GND

C-粉

GND

GND

GND

D-蓝

GND

GND

GND

所以转换成二进制位{Oxfe，Oxfc，Oxfd，0xf9，Oxfb，0xf3，Oxf7，Oxf6}，即为转子转一周的码表。

设计程序时，根据实际需要，调节步进电机的转动角：

本发明的自动翻书机，利用三个电机正反转来驱动压书机构、搓书机构、翻页机构运动，能够实现精确有效地翻书运动。当电机正转时，搓书机构、压书机构、翻页机构正向进给来实现搓书、压书、翻书等功能。当电机反转时，机构反向进给实现归位和压书等功能。用单片机程序来控制的简单、便捷。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种自动翻书机，包括机械部分和电气控制部分；所述机械部分包括一个托书板和设置于托书板上的压书机构、搓书机构、翻页机构，其特征在于：所述电气控制部分包括主控制器、三个驱动模块和分别驱动压书机构、搓书机构、翻页机构动作的压书电机、搓书电机和翻页电机；所述主控制器为单片机STC89C52RC，所述驱动模块为ULN2003A，所述主控制器通过驱动模块分别和压书电机、搓书电机和翻页电机连接。

2.根据权利要求1所述的自动翻书机，其特征在于：所述压书电机、搓书电机和翻页电机为28BYJ-48步进电机。

3.根据权利要求2所述的自动翻书机，其特征在于：所述28BYJ-48步进电机为反应式步进电机或永磁式步进电机或混合式步进电机。

4.一种如权利要求1或2或3所述的自动翻书机的控制方法，其特征在于：该控制方法的步骤是：

S1、主控制器工作，主控制器通过驱动模块控制压书机构，使压书机构的压书电机工作，电机正转，压书杆抬起，放书；电机反转，压书杆放下，将书压在托书架上，搓书机构的摩擦块压放在未翻书页上；

S2、继续控制压书机构，使压书机构的压书电机工作，压书杆抬起；

S3、主控制器继续工作，主控制器通过驱动模块控制搓书机构，搓书电机正转，搓书杆正向动作，摩擦块通过摩擦方式把书页带起来，便于翻书杆插入翻起的书页和未翻起的书页间；

S4、主控制器继续工作，主控制器通过驱动模块控制翻页机构，翻页电机动作，翻书杆转动90度，插入翻起的书页和未翻起的书页间，翻书杆继续旋转90度，将翻起的书页拨至已翻书页上，完成翻页；

S5、压书机构动作，压书杆放下，将书压在托书架上；搓书机构动作，搓书电机反转，摩擦块归位；

S6、重得步骤S1-S5，进行多页数书页的翻起和压下。