智能电子元器件柜的设计与应用

江波 何键

（中山大学 广东省广州市 510275）

现在高校都有电子技术类实验室，这些实验室里的仪器设备、电子元器件种类多。实验室的各种元器件，一般都存放在传统元器件柜的众多小抽屉里，虽然每个小抽屉的前面板上都标识有器件的名称、封装的信息，但是查找起来费时费力。为了避免浪费，元器件的取用管理都由实验室管理老师负责。学生开展综合类设计实验时，需要的元器件种类和数量都比较多，因此元器件的取用会比较频繁。实验室管理老师要找很多电子元器件时，需要记录在纸上然后挨个查找。因此管理老师取用和放回器件时，需要花费大量时间在查找上，这增加了工作量，降低了效率，学生也浪费等待的时间，降低了体验。另一方面管理老师也不能监控器件的使用情况，及器件的剩余数量等信息，偶尔会导致某种元器件短缺而不能及时购买，影响实验。因此对实验室的电子元器件管理实现智能化、自助化是燃眉之需。

目前国内已经在使用的新型智能储物柜，智能储物柜与传统的储物柜相比，无论是在结构还是功能上都有了全新改善和提升。智能形式的储物柜应用功能多，从现在一般性的分类看，包括了密码储物柜、指纹储物柜、条码储物柜以及IC 卡储物柜等等，在使用上也都会有所不同。但智能储物柜存储的是个人物品，存取是一一对应的关系，没有选择信息、显示信息和反馈信息等功能，实现的不是多物品的智能管理。电子元器件的智能存取管理，一般储物柜无法满足需求。因此，对实验室来说，设计一种智能元器件管理柜，使用意义非常大。

1 智能电子元器件柜工作原理

电子元器件柜结构上主要分为上下两部分，上半部分为一个个小抽屉，每个小抽屉里面又分为三格，这些小抽屉格主要用来存放电阻、电容、二极管、三极管等单价不高的元器件，即使学生一次取用比实际需求多的数量，也不会造成很大的浪费。每个小抽屉的弹出采用电控锁控制，用户选择电子元器件后，控制主板驱动电子元器件对应电控锁开，抽屉自动弹出，取完电子元器件，直接推入锁闭。

元器件柜下半部分为类似自动售货机结构，里面有很多货道，每一条货道存放一种芯片，这种货道结构主要用于集成电路芯片取用，这类元器件单价高，如果让学生自己取用，很容易取用比实际需求多的数量而无法监控，所以需要像自动售货机那样，按照设定得数量自动输送到取件口，即使某学生一次取用较多的数量，因为系统有记录，能事后找该学生核实，假如确实造成了浪费，也可以对学生进行教育引导，避免以后在浪费。用户选择芯片后，控制主板驱动对应芯片所在的货道步进电机，步进电机控制塑料齿条将相应数量的芯片顶出掉落，当芯片掉下的时候，它会通过多道红外线光束，红外线感应到芯片经过，控制主板判断芯片掉下，一次取用芯片完成。

元器件柜自动取件机构原理如图1、图2所示，整个机械部分由电机、齿轮、塑料齿条、其他固定机构组成。目前实验室用的芯片主要是直插封装的，该封装的好处是比较容易调换。直插类型的芯片都是一管一管售卖，采购回来后，把两端的堵头拆掉，整管放入元器件柜货道中，将塑料齿条插入到芯片管中，调节齿条的在管中的长度，使管内的芯片刚好与管的另一端持平，当需要取用一片芯片时，元器件柜控制系统能控制电机转动一定角度，该角度刚好使塑料齿条伸长该芯片一个芯片的长度，芯片管内的芯片刚好被顶出一片芯片，该片芯片就掉落，当芯片掉下的时候，它会通过多道红外线光束，红外线感应到芯片经过，控制主板判断芯片掉下，学生就能从取件口取出该芯片，完成一次取件过程。

2 电子元器件柜控制系统硬件设计

2.1 供电

电子元器件柜供电电源采用线性电源方案，使用常见的LM317、LM337 电源芯片，PCB 能设计成单面结构，整体功率满足在显示屏工作时电控锁能正常有效开启，电机能正常运转。保持整体安全稳定，电磁兼容性好，电磁辐射小。

2.2 智能电子元器件柜的控制原理结构

智能电子元器件柜控制系统由上、下位机两部分组成。下位机控制系统安装于智能电子元器件柜，包括控制核心、网络通信模块、电子元器件柜状态检测模块等。可以实时检测电子元器件柜是处于补充电子元器件、取用电子元器件还是待机状态，同时可以获取当前电子元器件柜的具体使用信息，包括小抽屉的开闭状态以及自动取用芯片机构的运行状态，并且将整个信息通过网络通信传送给上位机系统。上位机控制系统部署在微信小程序平台，包括监控模块、网络通信模块和基础数据模块；通过网络通信模块获取由下位机传来的数据并分析和存储。智能电子元器件柜的控制原理结构如图3所示。

图1：自动取件机械结构-1

图2：自动取件机械结构-2

图3：智能电子元器件柜的控制原理结构

2.3 主控板

系统控制核心选用基于ARMCortexM3 内核的STM32F103ZET6 32 位低功耗嵌入式微处理器，该处理器具有低功耗多外设的特点，开发和维护成本低；网络通信模块采用ATK-ESP8266 串口转Wi-Fi模块，实现以太网接入，实现以太网连接，完成上下位机之间的通信；液晶显示模块采用一块5 寸液晶触摸显示屏，通过设计人性化的互动界面，用于显示用户存取芯片的操作界面，提高软件的易用性；元器件柜状态检测模块分两种安装方式，一种独立安装在每个单独的小抽屉内部，该模块包括行程开关和电子锁，另一种独立安装在货道跟货道下侧，该模块包括电机执行机构和红外检测模块。行程开关用于检测小抽屉的开闭状态；红外检测模块用于检测芯片是否掉落；电子锁用于控制柜门的开闭；电机执行机构用于芯片取用。

3 电子元器件柜控制系统软件设计

3.1 智能电子元器件柜下位机启动过程

上电：MCU 复位，所有电控锁及芯片执行机构均不动作，状态传感器检测小抽屉是否处于关闭状态，芯片是否处于缺少状态，Wi-Fi 模块自动连接无线路由器。

Wi-Fi 密码设置：用手机或笔记本连接设备，搜索元件柜Wi-Fi，然后输入初始密码，进入设置界面，利用该 Wi-Fi 模块连接实验室内无线路由器，输入该Wi-Fi 模块连接的无线路由器密码，并正确连接到无线路由器。

连接Wi-Fi：在连接过程中电源指示灯为红色闪烁（10 次/s），如果连接成功则转为绿色常亮。

联机：这里的联机是指元器件柜与微信小程序之间的正确联机。如果该元器件柜未在微信小程序中完成注册，则无法正常联机，联机指示灯呈绿色闪烁（10 次/s），如果该元器件柜正确注册并与服务器联机正常，则联机指示灯显示常绿，同时蜂鸣器发出一声持续1s 提示音。二个指示灯均为绿色时表示设备已经为正常使用状态。

3.2 注册过程

第一次扫描元器件柜上的取用二维码，进去是一个个人信息绑定页面，将微信号跟实际姓名绑定，可以通过学号查找个人信息，显示的信息无误，即可选择绑定，注册成功。对于系统中没有导入的学生档案信息，可以选择手动录入的姓名，学号，班级等信息，然后选择绑定，完成注册。注册成功后自动进入下一个页面，选择取用元器件。

3.3 元器件取用过程

用手机微信扫描元器件柜上的取用二维码，进入取用元器件界面，是一个树形目录列表，通过分类的方式，查找到所需的元器件，也可以通过型号查找的方式查找元器件，找到所需元器件后，直接点击弹出一个取用页面，在里面设置所需数量，点击确认，又弹出一个页面，您已选择**电容，数量5 个，请在5 分钟内在**号抽屉内取走您的元器件，并关闭抽屉，谢谢！。如果是芯片，弹出的页面则显示，您已选择**芯片，数量2 个，请在5 分钟内在取件口内取走您的元器件，谢谢！。

微信小程序在学生正确操作后，发送指令给智能电子元器件柜，该智能电子元器件柜收到信息后，如果是电阻、电容类元器件，即输出一个驱动信号，将该抽屉打开，并发出“滴滴声”提示音（3次/s，一个周期，然后10s 之后再循环一次，直至元器件被取走，抽屉重新关闭）。如果是芯片类元器件，则根据该芯片的长度参数，输出一个驱动信号，驱动芯片执行机构行走设定的数量个芯片长度，则会有相应数量芯片掉落，与红外传感器感应到的数量进行比对校验，如果正确发出“滴滴声”提示音（1 次/s，一个周期），如果不正确发出“滴滴声”提示音（3 次/s，一个周期）。

3.4 元器件补充过程

管理人员用手机扫描智能电子元器件柜上的补充二维码，输入用户名、密码，进入补充元器件界面，点击统计分析，选择库存，进入所有元器件库存列表页面，选择库存从小到大排列，点击要补充的元器件，输入补充数量，点击确认，如果是电阻、电容类元器件，相应存储抽屉会弹出，补充完后，关闭抽屉完成一次补充操作，如还需补充，继续点击要补充的元器件。如果要补充的是芯片类元器件，则打开元器件柜下半部分前面板，露出所有货道，将要补充的芯片连管一起放入货道，调节芯片执行机构的塑料齿条长度，使芯片管内芯片与货道边缘持平。补充完所有芯片后，点击退出即可。

3.5 故障上报

智能电子元器件柜如果哪个部位出现故障，则需要将故障进行上报，常见故障：

抽屉无法打开：已经给该抽屉电控锁输出弹出信号，但是抽屉状态开关未检测到抽屉弹出信号。

无法联网：连续一天时间未出现过与系统握手。

4 总结

本文主要设计与实现了一种电子技术实验室用智能电子元器件柜的设计方案，给出了智能电子元器件柜的结构设计及控制系统软硬件实现方法。整个智能电子元器件柜结构简单，操作方便，整体实现成本低，既满足了学生综合实验良好的取用元器件体验，又满足了管理老师的管理需求。