随着信息技术的飞速发展, 无论对于企业还是个人来讲数据信息都变得非常重要。如果重要的数据信息发生外泄, 那么一项新的技术、发明或决策很快将变得一文不值[1];对于信息数据的保护已成为越来越多的企业、单位和个人能否成功的重要因素。碎纸机能够实现对保密文件的快速处理, 在保护数据文件信息方面发挥着重要作用[2]。随着电子商务的发展、人民生活水平的提高和保密意识的增强, 碎纸机被越来越多的政府机关、企事业单位和个人所认可。据国家统计局的统计数据显示, 碎纸机在国内市场以每年20%~25%的速度飞速发展, 且呈现加速趋势[3]。所以, 碎纸机在国内市场的发展前景广阔, 但是长期以来国内的碎纸机市场一直被少数知名企业垄断, 价格太贵, 且主要针对企业和公司用户。然而, 在欧美和日本等国家, 家庭用户占据着很大的比例。随着国人保密意识的增强, 中国的碎纸机市场也必将向家庭用户倾斜。当前市场上现有的碎纸机主要分为两大类:一类是高档碎纸机, 功能齐全, 操作简便、使用安全, 但价格太贵, 不适合家庭用户使用;另一类是低档碎纸机, 价格便宜、需要手动操作或不够智能, 且碎纸能力有限, 对家庭用户来说略显笨拙。基于碎纸机在国内市场上的现状和发展趋势, 本文提出了一种适合家庭和个人使用的民用智能碎纸机设计方案, 以期实现此碎纸机具有功能齐全、操作简便、使用安全、物美价廉等优点。

民用碎纸机的外观结构如图11所示、控制系统原理如图2所示。碎纸机上电后, 电源指示灯亮, 系统处于待机状态, 等待用户放纸。当进纸传感器检测到有纸张放入时, 碎纸机开始工作, 将放入的纸张切碎。本碎纸机一次最多可以放入5张纸;若放入的纸张超过5张, 过载检测模块向碎纸机发出停机命令, 并将放入的纸张退出, 提示用户纸张过多、请重新放入。碎纸机工作一段时间后, 当纸满传感器检测到碎纸箱装满时, 碎纸机停止工作, 并通过报警显示模块向用户发出纸满警报, 提醒用户将碎纸箱内的纸屑倒掉。

马达是碎纸机的核心部件, 是碎纸机机械传动系统的动力源, 主要负责驱动碎纸刀具的正转将放入的纸张切碎、反转将放入的纸张退出。马达有直流马达和交流马达两大类。民用碎纸机的应用场合主要是居民家里, 若采用直流马达, 碎纸机的电源系统需要加入整流桥和VBUS电容, 导致碎纸机的制造成本加大, 使产品的竞争力下降, 所以本系统采用应用最普遍的单相交流异步马达。

单相交流异步马达主要由定子、转子、外壳等部分组成。定子中的主绕组和副绕组在机械结构布局上相差90°放置, 当流过主绕组和副绕组的电流在相位上也相差90°时, 会形成一个转速为3000 r/min的正圆旋转气隙磁场, 驱动转子跟随其转动。图3为单相交流异步马达正反转原理示意图。当单刀双掷开关接到下端时, 电容C与副绕组串联后再与主绕组并联;由于电容两端的电压与电流之间有90°的相差, 并且电流领先于电压的变化[4], 所以副绕组上的电流比主绕组上的电流超前90°, 形成旋转磁场, 驱动马达正转。当单刀双掷开关接到上端时, 电容C与主绕组串联后再与副绕组并联, 此时副绕组上的电流比主绕组上的电流滞后90°, 形成旋转磁场, 实现马达的反转。实际设计时, 单刀双掷开关的功能由继电器来实现。

进纸检测模块采用弱电供电, 交流马达使用的电源是强电, 当碎纸机检测到有纸放入时, 马达才工作, 这一过程实际上是用弱电来控制强电。继电器是最常用的弱电控制强电的元器件。在本设计中, 马达的工作状态有正转碎纸、反转退纸和停机不转3种情况, 而一个继电器的通和断只能实现两种状态的变换, 所以本系统需要采用2个继电器来实现马达的三态控制。继电器强电端的逻辑关系如表1所示。

继电器K1、K2都不吸合时, 马达处于停机状态, 碎纸机不工作;继电器K1不吸合、K2吸合时, 马达正转, 碎纸机开始碎纸;继电器K1吸合、K2不吸合时, 马达反转, 碎纸机往外退纸;若由于电子元器件老化、短路等原因, 导致继电器K1、K2同时吸合时, 马达处于断电状态, 以避免马达长时间发热而导致危险情况发生。马达驱动模块的电路如图4所示。

碎纸机待机时, 两个继电器K1、K2均处于不吸合状态, 当进纸检测传感器检测到有纸放入后正转信号有效, 电压比较器U2输出高电平, 将继电器K2接通, FWD与220 V市电相连, 驱动马达正转;当过载检测模块检测到一次放入的纸张多于5张时, 运算放大器U1的输出端发出反转信号, 将继电器K1吸合, K2断开, REV与220 V市电相连, 驱动马达反转。

进纸检测模块的主要功能是实时监测碎纸机是否有纸张放入。本设计采用分立的红外光电传感器来实现对纸张的检测, 进纸光电的电路如图5所示。

红外光电传感器主要由发射器、接收器和检测电路3部分组成。发射器采用红外发光二极管持续向外辐射红外光;红外发光二极管属于电流驱动型器件, 发光强度随电流的增大而增大, 具有工作电压低、耗电少、寿命长、驱动电路简便等优点。接收器采用的是红外光电二极管。发射器和接收器分别在进纸口的两侧面对面安放, 当进纸口没有纸张放入时, 红外发光二极管发射的红外光直接照到红外光电二极管上, 红外光电二管导通, A点电位被拉低, 电压比较器U3输出低电平, 正转信号无效, 碎纸机不工作;当进纸口有纸张放入时, 红外发光二极管发射的红外光被纸张遮挡, 红外光电二极管接收不到红外光, 此时红外光电二极管截止, A点电位为8 V, 电压比较器U3输出高电平, 向马达驱动模块发出正转信号驱动马达开始碎纸。

纸满光电传感器主要由发射器、接收器和检测电路3部分组成。发射器由电阻R18和发光二极管D6组成;接收器由电阻R19和光电三极管组成。纸满光电传感器和进纸光电传感器共用同一个检测电路。纸满光电的电路原理图如图6所示。

纸满光电传感器安放在碎纸箱顶板上, 当碎纸箱内无纸或纸屑未满时, 纸满光电传感器的接收管接收不到光照处于截止状态;当碎纸箱内的纸屑达到一定高度时, 发光二极管发出的光经纸屑反射后被光电三极管接收, 接收器导通, A点电位被拉低, 电压比较器U3输出低电平, 发出停机指令, 同时报警显示模块上纸满指示灯亮, 提醒用户倒出纸屑。调整发射器和接收器的安放角度, 可以调整碎纸箱内纸屑的堆积高度。由于进纸检测光电传感器和纸满检测光电传感器共用同一个检测电路, 为避免二者之间的相互串扰, 使用二极管D7进行信号隔离。

过载检测的原理是当纸张放入过多时, 马达功率瞬间增大, 表现为电路中的电流过大, 通过检测电路中电流的变化来判断纸张是否超过规定的张数。纸张过载检测电路如图7所示。

交流马达的工作电流大约为300 mA, 堵转电流为工作电流的3~5倍。碎纸机正常工作时B点电压为0.5 V左右。当放入的纸张超过5张时, 电路中的电流急剧加大, B点电位逐渐上升, 二极管D8导通, 电容C4开始充电;当C点的电压超过1.1V时, 电压比较器U4输出高电平, 电容C6开始充电, 在1 s时间内C点的电压上升到1.5 V。在C点电压由1.1 V上升到1.5 V的同时, D点的电压上升到6 V, 此时纸过多信号有效, 驱动马达反转, 开始退纸, B点电位重新回到0.5 V, 二极管D8截止。电容C4通过680K的电阻R22放电, C点电压由1.5 V逐渐降低, 经过5 s后C点电压降到1.1 V, 以保证过多的纸张完全退出碎纸机, 然后电压比较器U4输出低电平, 纸过多信号消失, 马达停止反转。

电压比较器LM239的工作电压为2~36 V, 继电器的工作电压为12 V, 进纸光电传感器的工作电压为12 V, 纸满光电传感器的工作电压为12 V和5 V, 报警显示模块的工作电压为12 V, 本系统需要将220 V交流电转换成12 V和5 V的直流电。

为降低民用碎纸机的成本, 本系统采用电容降压方法实现电压之间的转换, 具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点。电容降压转换电路如图8所示。此电路能够提供60 mA的恒定电流, 而碎纸机消耗的总电流最大为57 mA, 满足要求。

碎纸箱是否装满的报警显示电路如图9所示。当纸满光电检测模块检测到碎纸箱未装满时, 纸满光电传感器输出高电平, 红色LED不亮;当纸满光电检测模块检测到碎纸箱已满时, 纸满光电传感器输出低电平, 红色LED灯点亮, 提醒用户碎纸箱已经装满。

本文设计的民用碎纸机控制系统经过实验电路的搭建, 验证了控制电路的可行性, 实现了预期功能。本文设计的民用碎纸机是一款介于高档和低档之间的中档智能碎纸机, 具有操作简便、使用安全、成本低廉等优点, 能够很好的满足家庭用户的使用需求。随着人们保密意识的逐渐增强, 本文设计的民用碎纸机必将有着广阔的市场前景。