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摘 要：钢印机是办公设备中的一个重要组成部分，在目前实际应用中，一般都采用手动钢印机。为了提高办公自动化水平，设计出了一种新型的基于单片机技术的智能钢印机。它集光、机、电于一体，可实现自动盖章、工作频率可调、动态显示以及自动计数等功能，具有智能性、自动化、稳定可靠等优点，有着非常重要的应用和推广价值。
关键词：自动盖章；光机电一体化；单片机；电子继电器；牵引电磁铁
1 引言
现代社会，随着科学技术的发展，办公自动化程度的提高，人们对办公设备的要求也越来越高。钢印机在其中有着非常重要的地位，特别是在一些证件发放部门如大专院校、工厂企业、行政机关等在一定时期内都要印制大量证件。而目前使用的钢印机均为“手动钢印机”，不但操作强度大、效率低，而且存在着钢印质量不稳定、字迹不清晰等缺陷。因此，研制了基于光机电一体化技术的智能型钢印机，可以实现自动盖章、工作频率和行程可调、准确定位、自动计数和动态显示的功能，具有智能性，自动化，印痕清晰、均匀，稳定可靠，易于拆装和维修的特点，大大地提高了办公自动化水平。
2 结构及原理
智能钢印机主要有打印头装置、机身、支杆、摆杆、连接结和连接栓等部件以及电气系统和控制系统组成，如图1所示。 （图片） 2.1钢印机的工作原理
其工作原理为：当电磁铁4通电时，衔铁被吸引上升，拉动摆杆7右侧部分向上摆动，在支杆5(即支点)的作用下，摆杆7的另一侧向下运动，从而推动上印章11向下运动，当上下印章与纸张接触并产生5 kg左右的相互作用力时，印章过程即可完成。
2.2 工作部件的设计及选择
2.2.1 动力元件
为了能使印章清晰均匀，智能钢印机采用了MQ2-5N-6121型牵引电磁铁作为动力元件，其性能参数如表1所示。且可以根据纸张的厚度来调整摆杆的左侧长度，从而取得满意的印章效果。（图片） 2.2.2 精确定位
在底座上安装了在X、Y轴方向上均可锁定的滑动标尺，在标尺外侧的底座上刻有精度为1 mm的刻度尺，在处理盖章任务时，使其能方便定位，取得很好的盖印效果。
2.2.3 行程可调
为了针对厚度不同的证件和机构便于拆装维修，在连接结和连接栓部分进行了精心设计，连接节2有一通孔，利用连接栓在通孔两侧的螺母进行锁定。实现行程的可调。
2.2.4 材料选用
从保证结构强度和节约成本的角度出发，底座1采用铸钢，支架2采用电焊钢管，其余部件均采用45号钢。
3 控制系统
3.1 硬件结构及工作原理
3.1.1 工作原理
控制电路中有一联动开关,对应着不同的工作频率,操作者可根据需要选用进行工作。当有纸张放进工作台上、下印章之间时，下印章12侧的发光二极管发出的光被遮挡，上印章11的光敏二极管即产生一个电动势，经放大器LM324的放大后，向单片机AT89C2051申请中断，单片机响应中断后，P1.0产生一个高电平，经放大器7406放大后，驱动JGX1F型交流电子继电器接通，从而使得MQ2-5N-6121型电磁铁工作。其控制电路如图2所示。（图片） 3.1.2 单片机
鉴于单片机I/O口线利用较少和系统控制的特点，CPU选用了ATMEL公司的AT89C2051单片机为其核心，其有20个PIN PDIP/SOIC包装，具有2K Bytes可重复规划的闪存(Reprogrammable Flash Memory)可写入/抹除1000次以上，操作电压范围：2.7～6 V,15个可双向和独立寻址的I/O线(缺少P0、P2和P3.6)，直接LED驱动输出(沉入20 mA)等特点,且具有较强的抗振动和抗干扰能力，用其Flash ROM作系统程序的存储器。
3.1.3 检测电路
检测电路主要有光敏传感器，LM324放大器,反馈电阻R5等组成。系统中，光敏传感器采用国产2CU1A型光敏二极管，具有线性好、响应速度快、噪声低(对宽范围波长的光具有较高的灵敏度)、小型轻量以及耐振动与冲击等优点。其性能参数如表2所示。（图片） 3.1.4 执行电路
执行电路有放大器7406、JGX1F型电子继电器、MQ2-5N-6121型电磁铁以及双向可控硅等组成。电子继电器，又名固体继电器(Solid State Relay)或固体功率放大器，是一种无触点型电子开关。当加上触发信号时，P3.0输出高电平1，电子继电器主回路呈导通状态。在控制回路与负载回路之间具有电隔离，无机械触点，和电磁继电器有一样的功能，具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、抗干扰能力强、开关速度快及过零功能的特点。系统采用了北京科通电子继电器总厂生产的JGX1F型AC-SSR，其性能参数如表3所示。（图片） 3.1.5 程序运行监控系统(WATCHDOG)
为了提高系统的抗干扰性，防止程序进入死循环，系统采用计数器构成的WATCHDOG电路。将555接成一个多谐振荡器，周期为t0，将74LS93接成16进制计数器，当数到第八个脉冲时，QD端变成高电平单片机用P3.7输出清零脉冲，只要每次清零脉冲的时间间隔短于8个脉冲周期，计数器就永远计不到8，QD端保持低电平。当CPU受干扰而掉入死循环时，就不能送出复位脉冲了，计数器很快数到8，QD端立即变为高电平，经过微分电路C2，R3输出一个正脉冲，使CPU复位。该电路CPU复位信号有三个：上电复位(C1，R1)，人工复位(KA，R2，R3)和WATCHDOG复位(C2，R3)通过或门综合后加到RESET端。74LS93的清零信号为高电平，为防止CPU掉入死循环前将P3.7变为高电平而使WATCHDOG失效，故在P3.7和计数器的清零端之间加一个微分隔离电路。
3.1.6 显示部分
系统选用4只七段共阳LED数码管、9015三极管和电阻等组成显示电路。系统检测信号经AT89C2051单片机处理后通过P1口直接驱动LED数码管，LED显示已盖章的证件数目。另外，选用一个红色发光二极管作为电源指示灯。
3.2 软件设计
系统软件采用汇编语言编制，包括主程序和中断巡回检测子程序、动态显示子程序。主程序的功能是完成系统自检，系统初始化。系统初始化包括硬件初始化和软件初始化，后者包括对中断的安排，系统时钟的初始化，堆栈的设置，状态变量的初始化等。
3.2.1 中断巡回检测程序
其流程如图3所示。（图片） 3.2.2 抗干扰程序
由于单片机系统工作在电磁铁的强磁场附近区域,承受强大的干扰,系统除了应用WATCHDOG监控系统外,还采用了软件抗干扰措施—陷阱技术.当CPU受到干扰后,往往将一些操作数当作指令码来执行,引起程序混乱。这时首先要尽快将程序纳入正轨(执行真正的指令系列)。为了对付弹飞的程序自动形成的死循环，系统设立了软件陷阱，将其安排在程序区、表格、未使用的ROM区和未使用的中断向量区。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的区域，故不会影响程序的执行效率。
4 结论
智能型钢印机是各类证件发放部门必备办公自动化设备，经过反复试验和实际使用，盖章效果达到了设计和用户所预期要求，字迹清晰、整齐，深浅均匀，符合有关部门拓印的规定。有着非常广阔的市场前景。
参考文献：
[1]陈如全. 实用微机与单片机控制技术[M]. 成都:电子科技大学出版社,1993.
[2]胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M]. 北京:清华大学出版社,1996.
[3]成大先.机械设计手册[M]. 第三版. 北京:化学工业出版社,2000.
[4]辛淑华. 现代机电工程测试技术[M]. 广州:华南理工大学出版社,2001.
3/13/2005
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