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        基于STM32單片機(jī)皮影戲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2016-04-21 01:47:43程欣宇
        數(shù)碼世界 2016年1期
        關(guān)鍵詞:長(zhǎng)桿坐標(biāo)值皮影戲

        程欣宇

        江漢大學(xué)

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        基于STM32單片機(jī)皮影戲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        程欣宇

        江漢大學(xué)

        摘要:本次設(shè)計(jì)通過(guò)STM32單片機(jī)輸出五路PWM波分別控制五個(gè)舵機(jī)形成的三組舵機(jī)組。通過(guò)每個(gè)舵機(jī)的不同轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角可以完成皮影的動(dòng)作。同時(shí)采用AD采樣監(jiān)控電壓,然后換算成所需的坐標(biāo)點(diǎn),顯示在彩屏上方便記錄。皮影的左右移動(dòng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)所控制的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn),構(gòu)成“豬八戒打妖怪”的皮影戲。

        1 引言

        隨著科學(xué)的發(fā)展,機(jī)械化的作業(yè)執(zhí)行逐漸成為了社會(huì)的主流發(fā)展趨勢(shì)。在本次設(shè)計(jì)中以使用單片機(jī)控制機(jī)械復(fù)原皮影戲?yàn)槔?,展現(xiàn)單片機(jī)在傳播傳統(tǒng)文化中的作用。

        2 方案設(shè)計(jì)

        機(jī)器人皮影使用32位單片機(jī)STM32進(jìn)行其余電機(jī)的控制以及采樣;采用一共三組的五個(gè)舵機(jī)進(jìn)行操控皮影的三只長(zhǎng)桿的操作;使用遙控分別控制,且通過(guò)彩屏顯示長(zhǎng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度方便記錄;同時(shí)皮影放置在橫向的步進(jìn)電機(jī)控制軌道,軌道長(zhǎng)約50cm。

        3 機(jī)器人皮影的工作原理

        通過(guò)舵機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)控制,數(shù)組設(shè)定輸入舵機(jī)的PWM波占空比,分別控制每個(gè)長(zhǎng)桿的平面內(nèi)移動(dòng),又通過(guò)輸入給步進(jìn)電機(jī)的高低電平控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以此達(dá)到控制皮影左右移動(dòng)。這個(gè)系統(tǒng)可分為中心控制模塊,舵機(jī)模塊,步進(jìn)電機(jī)模塊等部分。

        3.1舵機(jī)控制電路

        系統(tǒng)中,舵機(jī)通過(guò)控制長(zhǎng)桿帶動(dòng)皮影戲運(yùn)動(dòng),要使舵機(jī)能夠帶動(dòng)長(zhǎng)桿,經(jīng)過(guò)詳細(xì)的對(duì)比之后,選擇使用DS3115數(shù)碼舵機(jī):15KG 0.15sec/60度 4.8-7.2V。如圖。

        圖1 仿真各舵機(jī)波形

        3.2步進(jìn)電機(jī)模塊

        步進(jìn)電機(jī)采用三廂混合式步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用24V開(kāi)關(guān)電源供電。通過(guò)單片機(jī)的B6引腳給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PUL口時(shí)刻輸入高頻率脈沖。同時(shí)單片機(jī)的C14引腳控制輸入給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高低電平,輸高電平是步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)皮影往左移動(dòng);反之往右移動(dòng)。

        3.3采樣模塊

        首先設(shè)定一個(gè)初始坐標(biāo),然后通過(guò)遙控修正初始坐標(biāo)值。遙控分別接入單片機(jī)的C1與C2引腳。由單片機(jī)進(jìn)行處理。彩屏上顯示當(dāng)前長(zhǎng)桿頂端位置的橫縱坐標(biāo)值,方便記錄事后輸入程序進(jìn)行動(dòng)作編輯。

        3.4舞臺(tái)搭載難點(diǎn)

        將所有硬件模塊固定在幕后。要考慮電機(jī)所控制長(zhǎng)桿可能交錯(cuò)的情況??刂朴沂值拈L(zhǎng)桿需要適當(dāng)縮短。同時(shí)控制左手的長(zhǎng)桿放置在略微靠前的位置??刂祁^部的長(zhǎng)桿和控制右手的長(zhǎng)桿幾乎處于有相同長(zhǎng)度。

        4 軟件設(shè)計(jì)

        軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。程序采用模塊化設(shè)計(jì),包括一個(gè)主程序,幾個(gè)子程序。整體流程示意圖如圖所示:

        4.1AD采樣調(diào)試程序

        AD采樣時(shí)每次只對(duì)一組兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制,橫向移動(dòng)控制桿控制水平放置舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),縱向移動(dòng)控制桿控制豎直放置舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

        4.2皮影控制程序

        4.2.1通過(guò)坐標(biāo)對(duì)占空比的計(jì)算 皮影控制程序中,先定義全局?jǐn)?shù)組,方便在主函數(shù)模塊和舵機(jī)模塊直接調(diào)用其數(shù)據(jù)。共定義了6組數(shù)組,分別表示三組舵機(jī)所控制的三只長(zhǎng)桿的坐標(biāo)值,然后再用坐標(biāo)值換算成角度計(jì)算控制所需要的占空比。

        4.2.2通過(guò)坐標(biāo)數(shù)組的循環(huán)輸出 步進(jìn)電機(jī)只需要執(zhí)行持續(xù)正轉(zhuǎn),持續(xù)反轉(zhuǎn),停止這三個(gè)基本動(dòng)作,于是在系統(tǒng)中把這三個(gè)動(dòng)作模塊化成了函數(shù),在主程序中判斷到達(dá)其執(zhí)行動(dòng)作的計(jì)次后直接調(diào)用模塊中預(yù)定好的函數(shù)進(jìn)行控制,簡(jiǎn)單方便。

        圖2 軟件設(shè)計(jì)方案

        4.3軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)

        考慮到一共要控制五個(gè)舵機(jī),STM32 位單片機(jī)才可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需求。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)想到可以將AD值轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)值,然后通過(guò)坐標(biāo)值計(jì)算轉(zhuǎn)角來(lái)調(diào)控占空比。在局部變量和全局變量的定義和使用方面需要反復(fù)考慮。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本次設(shè)計(jì)舞臺(tái)長(zhǎng)67.4cm,寬47.8cm,高58.7cm。使用豬八戒這一西游記形象作為皮影戲機(jī)器人。本次設(shè)計(jì)表明,基于STM32所設(shè)計(jì)的皮影戲機(jī)器人可以完成預(yù)想中的簡(jiǎn)單皮影動(dòng)作。

        參考文獻(xiàn)

        [1]羅杰,謝自美.電子線路設(shè)計(jì)?實(shí)驗(yàn)?測(cè)試.第4版:電子工業(yè)出版社,2006

        [2]張凡.華縣皮影戲的民俗文化研究.北京:高等教育出版社.2010(05)

        [3]謝宋和.單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1999.

        程欣宇,男,1984.02.26,安徽,碩士研究所,計(jì)算機(jī),實(shí)驗(yàn)員,江漢大學(xué)。

        作者簡(jiǎn)介

        關(guān)鍵字:?jiǎn)纹瑱C(jī) 皮影戲 步進(jìn)電機(jī)

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