智能電子元器件柜的設計與應用

江波 何鍵

（中山大學 廣東省廣州市 510275）

現(xiàn)在高校都有電子技術類實驗室，這些實驗室里的儀器設備、電子元器件種類多。實驗室的各種元器件，一般都存放在傳統(tǒng)元器件柜的眾多小抽屜里，雖然每個小抽屜的前面板上都標識有器件的名稱、封裝的信息，但是查找起來費時費力。為了避免浪費，元器件的取用管理都由實驗室管理老師負責。學生開展綜合類設計實驗時，需要的元器件種類和數(shù)量都比較多，因此元器件的取用會比較頻繁。實驗室管理老師要找很多電子元器件時，需要記錄在紙上然后挨個查找。因此管理老師取用和放回器件時，需要花費大量時間在查找上，這增加了工作量，降低了效率，學生也浪費等待的時間，降低了體驗。另一方面管理老師也不能監(jiān)控器件的使用情況，及器件的剩余數(shù)量等信息，偶爾會導致某種元器件短缺而不能及時購買，影響實驗。因此對實驗室的電子元器件管理實現(xiàn)智能化、自助化是燃眉之需。

目前國內(nèi)已經(jīng)在使用的新型智能儲物柜，智能儲物柜與傳統(tǒng)的儲物柜相比，無論是在結構還是功能上都有了全新改善和提升。智能形式的儲物柜應用功能多，從現(xiàn)在一般性的分類看，包括了密碼儲物柜、指紋儲物柜、條碼儲物柜以及IC 卡儲物柜等等，在使用上也都會有所不同。但智能儲物柜存儲的是個人物品，存取是一一對應的關系，沒有選擇信息、顯示信息和反饋信息等功能，實現(xiàn)的不是多物品的智能管理。電子元器件的智能存取管理，一般儲物柜無法滿足需求。因此，對實驗室來說，設計一種智能元器件管理柜，使用意義非常大。

1 智能電子元器件柜工作原理

電子元器件柜結構上主要分為上下兩部分，上半部分為一個個小抽屜，每個小抽屜里面又分為三格，這些小抽屜格主要用來存放電阻、電容、二極管、三極管等單價不高的元器件，即使學生一次取用比實際需求多的數(shù)量，也不會造成很大的浪費。每個小抽屜的彈出采用電控鎖控制，用戶選擇電子元器件后，控制主板驅(qū)動電子元器件對應電控鎖開，抽屜自動彈出，取完電子元器件，直接推入鎖閉。

元器件柜下半部分為類似自動售貨機結構，里面有很多貨道，每一條貨道存放一種芯片，這種貨道結構主要用于集成電路芯片取用，這類元器件單價高，如果讓學生自己取用，很容易取用比實際需求多的數(shù)量而無法監(jiān)控，所以需要像自動售貨機那樣，按照設定得數(shù)量自動輸送到取件口，即使某學生一次取用較多的數(shù)量，因為系統(tǒng)有記錄，能事后找該學生核實，假如確實造成了浪費，也可以對學生進行教育引導，避免以后在浪費。用戶選擇芯片后，控制主板驅(qū)動對應芯片所在的貨道步進電機，步進電機控制塑料齒條將相應數(shù)量的芯片頂出掉落，當芯片掉下的時候，它會通過多道紅外線光束，紅外線感應到芯片經(jīng)過，控制主板判斷芯片掉下，一次取用芯片完成。

元器件柜自動取件機構原理如圖1、圖2所示，整個機械部分由電機、齒輪、塑料齒條、其他固定機構組成。目前實驗室用的芯片主要是直插封裝的，該封裝的好處是比較容易調(diào)換。直插類型的芯片都是一管一管售賣，采購回來后，把兩端的堵頭拆掉，整管放入元器件柜貨道中，將塑料齒條插入到芯片管中，調(diào)節(jié)齒條的在管中的長度，使管內(nèi)的芯片剛好與管的另一端持平，當需要取用一片芯片時，元器件柜控制系統(tǒng)能控制電機轉(zhuǎn)動一定角度，該角度剛好使塑料齒條伸長該芯片一個芯片的長度，芯片管內(nèi)的芯片剛好被頂出一片芯片，該片芯片就掉落，當芯片掉下的時候，它會通過多道紅外線光束，紅外線感應到芯片經(jīng)過，控制主板判斷芯片掉下，學生就能從取件口取出該芯片，完成一次取件過程。

2 電子元器件柜控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 供電

電子元器件柜供電電源采用線性電源方案，使用常見的LM317、LM337 電源芯片，PCB 能設計成單面結構，整體功率滿足在顯示屏工作時電控鎖能正常有效開啟，電機能正常運轉(zhuǎn)。保持整體安全穩(wěn)定，電磁兼容性好，電磁輻射小。

2.2 智能電子元器件柜的控制原理結構

智能電子元器件柜控制系統(tǒng)由上、下位機兩部分組成。下位機控制系統(tǒng)安裝于智能電子元器件柜，包括控制核心、網(wǎng)絡通信模塊、電子元器件柜狀態(tài)檢測模塊等。可以實時檢測電子元器件柜是處于補充電子元器件、取用電子元器件還是待機狀態(tài)，同時可以獲取當前電子元器件柜的具體使用信息，包括小抽屜的開閉狀態(tài)以及自動取用芯片機構的運行狀態(tài)，并且將整個信息通過網(wǎng)絡通信傳送給上位機系統(tǒng)。上位機控制系統(tǒng)部署在微信小程序平臺，包括監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡通信模塊和基礎數(shù)據(jù)模塊；通過網(wǎng)絡通信模塊獲取由下位機傳來的數(shù)據(jù)并分析和存儲。智能電子元器件柜的控制原理結構如圖3所示。

圖1：自動取件機械結構-1

圖2：自動取件機械結構-2

圖3：智能電子元器件柜的控制原理結構

2.3 主控板

系統(tǒng)控制核心選用基于ARMCortexM3 內(nèi)核的STM32F103ZET6 32 位低功耗嵌入式微處理器，該處理器具有低功耗多外設的特點，開發(fā)和維護成本低；網(wǎng)絡通信模塊采用ATK-ESP8266 串口轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊，實現(xiàn)以太網(wǎng)接入，實現(xiàn)以太網(wǎng)連接，完成上下位機之間的通信；液晶顯示模塊采用一塊5 寸液晶觸摸顯示屏，通過設計人性化的互動界面，用于顯示用戶存取芯片的操作界面，提高軟件的易用性；元器件柜狀態(tài)檢測模塊分兩種安裝方式，一種獨立安裝在每個單獨的小抽屜內(nèi)部，該模塊包括行程開關和電子鎖，另一種獨立安裝在貨道跟貨道下側，該模塊包括電機執(zhí)行機構和紅外檢測模塊。行程開關用于檢測小抽屜的開閉狀態(tài)；紅外檢測模塊用于檢測芯片是否掉落；電子鎖用于控制柜門的開閉；電機執(zhí)行機構用于芯片取用。

3 電子元器件柜控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 智能電子元器件柜下位機啟動過程

上電：MCU 復位，所有電控鎖及芯片執(zhí)行機構均不動作，狀態(tài)傳感器檢測小抽屜是否處于關閉狀態(tài)，芯片是否處于缺少狀態(tài)，Wi-Fi 模塊自動連接無線路由器。

Wi-Fi 密碼設置：用手機或筆記本連接設備，搜索元件柜Wi-Fi，然后輸入初始密碼，進入設置界面，利用該 Wi-Fi 模塊連接實驗室內(nèi)無線路由器，輸入該Wi-Fi 模塊連接的無線路由器密碼，并正確連接到無線路由器。

連接Wi-Fi：在連接過程中電源指示燈為紅色閃爍（10 次/s），如果連接成功則轉(zhuǎn)為綠色常亮。

聯(lián)機：這里的聯(lián)機是指元器件柜與微信小程序之間的正確聯(lián)機。如果該元器件柜未在微信小程序中完成注冊，則無法正常聯(lián)機，聯(lián)機指示燈呈綠色閃爍（10 次/s），如果該元器件柜正確注冊并與服務器聯(lián)機正常，則聯(lián)機指示燈顯示常綠，同時蜂鳴器發(fā)出一聲持續(xù)1s 提示音。二個指示燈均為綠色時表示設備已經(jīng)為正常使用狀態(tài)。

3.2 注冊過程

第一次掃描元器件柜上的取用二維碼，進去是一個個人信息綁定頁面，將微信號跟實際姓名綁定，可以通過學號查找個人信息，顯示的信息無誤，即可選擇綁定，注冊成功。對于系統(tǒng)中沒有導入的學生檔案信息，可以選擇手動錄入的姓名，學號，班級等信息，然后選擇綁定，完成注冊。注冊成功后自動進入下一個頁面，選擇取用元器件。

3.3 元器件取用過程

用手機微信掃描元器件柜上的取用二維碼，進入取用元器件界面，是一個樹形目錄列表，通過分類的方式，查找到所需的元器件，也可以通過型號查找的方式查找元器件，找到所需元器件后，直接點擊彈出一個取用頁面，在里面設置所需數(shù)量，點擊確認，又彈出一個頁面，您已選擇**電容，數(shù)量5 個，請在5 分鐘內(nèi)在**號抽屜內(nèi)取走您的元器件，并關閉抽屜，謝謝！。如果是芯片，彈出的頁面則顯示，您已選擇**芯片，數(shù)量2 個，請在5 分鐘內(nèi)在取件口內(nèi)取走您的元器件，謝謝！。

微信小程序在學生正確操作后，發(fā)送指令給智能電子元器件柜，該智能電子元器件柜收到信息后，如果是電阻、電容類元器件，即輸出一個驅(qū)動信號，將該抽屜打開，并發(fā)出“滴滴聲”提示音（3次/s，一個周期，然后10s 之后再循環(huán)一次，直至元器件被取走，抽屜重新關閉）。如果是芯片類元器件，則根據(jù)該芯片的長度參數(shù)，輸出一個驅(qū)動信號，驅(qū)動芯片執(zhí)行機構行走設定的數(shù)量個芯片長度，則會有相應數(shù)量芯片掉落，與紅外傳感器感應到的數(shù)量進行比對校驗，如果正確發(fā)出“滴滴聲”提示音（1 次/s，一個周期），如果不正確發(fā)出“滴滴聲”提示音（3 次/s，一個周期）。

3.4 元器件補充過程

管理人員用手機掃描智能電子元器件柜上的補充二維碼，輸入用戶名、密碼，進入補充元器件界面，點擊統(tǒng)計分析，選擇庫存，進入所有元器件庫存列表頁面，選擇庫存從小到大排列，點擊要補充的元器件，輸入補充數(shù)量，點擊確認，如果是電阻、電容類元器件，相應存儲抽屜會彈出，補充完后，關閉抽屜完成一次補充操作，如還需補充，繼續(xù)點擊要補充的元器件。如果要補充的是芯片類元器件，則打開元器件柜下半部分前面板，露出所有貨道，將要補充的芯片連管一起放入貨道，調(diào)節(jié)芯片執(zhí)行機構的塑料齒條長度，使芯片管內(nèi)芯片與貨道邊緣持平。補充完所有芯片后，點擊退出即可。

3.5 故障上報

智能電子元器件柜如果哪個部位出現(xiàn)故障，則需要將故障進行上報，常見故障：

抽屜無法打開：已經(jīng)給該抽屜電控鎖輸出彈出信號，但是抽屜狀態(tài)開關未檢測到抽屜彈出信號。

無法聯(lián)網(wǎng)：連續(xù)一天時間未出現(xiàn)過與系統(tǒng)握手。

4 總結

本文主要設計與實現(xiàn)了一種電子技術實驗室用智能電子元器件柜的設計方案，給出了智能電子元器件柜的結構設計及控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)方法。整個智能電子元器件柜結構簡單，操作方便，整體實現(xiàn)成本低，既滿足了學生綜合實驗良好的取用元器件體驗，又滿足了管理老師的管理需求。