德州學(xué)院機(jī)電工程系 張 釗 王萬新

基于單片機(jī)的室內(nèi)攀巖機(jī)設(shè)計

德州學(xué)院機(jī)電工程系 張 釗 王萬新

通過對室內(nèi)攀巖機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、人機(jī)交互等模塊的設(shè)計，模擬了真實(shí)巖壁，讓室內(nèi)攀巖成為了可能。利用單片機(jī)控制攀巖壁的機(jī)械安裝角度和攀巖面的運(yùn)動速度，調(diào)節(jié)運(yùn)動的難易程度，以適用不同使用群體，使室內(nèi)攀巖運(yùn)動成為家庭運(yùn)動的一種新理念。

室內(nèi)攀巖機(jī)；人工巖壁；攀爬；極限運(yùn)動

攀巖，這種時尚的戶外極限運(yùn)動以其獨(dú)有的征服感吸引了無數(shù)愛好者，但由于地理環(huán)境和身體條件等客觀因素的限制，很多人都沒有機(jī)會參與這項運(yùn)動，攀巖運(yùn)動的普及受到了制約。目前國內(nèi)攀巖館很少，且大多為室外，只有少數(shù)大型場所才有室內(nèi)攀巖墻等設(shè)施，遠(yuǎn)不能滿足人們的需求［1］［2］。我們通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、人機(jī)交互等模塊的設(shè)計，開發(fā)了一款類似于跑步機(jī)的室內(nèi)攀巖機(jī)，利用單片機(jī)控制攀巖壁的機(jī)械安裝角度和攀巖面的運(yùn)動速度，調(diào)節(jié)運(yùn)動的難易程度，以適用不同使用群體，使室內(nèi)攀巖運(yùn)動成為家庭運(yùn)動的一種新形式。

1. 機(jī)械傳動設(shè)計

將攀巖機(jī)的巖面設(shè)計成循環(huán)移動式結(jié)構(gòu)，可以解決室內(nèi)空間受限問題，即人在巖面上爬行的同時，巖面不斷下降，攀爬過的巖面循環(huán)使用，拓展了攀爬空間。通過攀巖壁角度控制，可以模擬不同難度的攀巖路線，適合不同的群體；通過攀巖面運(yùn)動速度的控制實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動強(qiáng)度練習(xí)。我們初步方案設(shè)計了兩種，方案一：如圖1所示，將巖面運(yùn)動設(shè)計成移動和擺動兩種形式的復(fù)合，即人在巖面上爬行的同時，巖面作小幅低速擺動，增加了攀爬刺激性和趣味性，巖面的擺動通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和滑塊搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。方案二：攀爬過程中巖面不擺動，如圖2所示，在攀爬前通過螺旋結(jié)構(gòu)與滑塊搖桿機(jī)構(gòu)調(diào)整攀巖壁的角度，控制攀爬難易程度。

圖2 間歇調(diào)節(jié)式方案

安全問題是攀巖運(yùn)動要亟須解決的最大問題［3］，兩個方案相比較，方案二在安全性、穩(wěn)定性方面更據(jù)優(yōu)勢，且攀爬中電動機(jī)只需驅(qū)動巖面運(yùn)動，方案簡單、更容易實(shí)現(xiàn)，所以我們采用了第二方案。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，室內(nèi)攀巖機(jī)的巖面運(yùn)動由直流電動機(jī)通過蝸桿減速器帶動同步帶驅(qū)動攀巖面運(yùn)動，蝸桿減速器具有運(yùn)動不可逆特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了巖面運(yùn)動的不可逆，不會出現(xiàn)在意外斷電的情況下，因攀爬者重量帶動巖面下降，提高了攀爬安全性。巖面運(yùn)動速度采用單片機(jī)控制，改變運(yùn)動速度就可改變攀巖難度和運(yùn)動強(qiáng)度。巖壁角度調(diào)整可采用直流電機(jī)驅(qū)動螺旋機(jī)構(gòu)帶動滑塊移位，通過滑塊搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)巖壁角度的變化，螺旋傳動結(jié)構(gòu)同樣反向自鎖功能，保證了巖壁角度在意外斷電情況下的穩(wěn)固定。

2. 控制系統(tǒng)設(shè)計

室內(nèi)攀巖機(jī)的控制對象主要是兩臺直流電機(jī)，控制模塊采用單片機(jī)控制，用以實(shí)現(xiàn)自動控制。攀巖機(jī)共設(shè)計初級、中級、高級和自由練習(xí)四種工作模式，模式不同對應(yīng)巖面移動速度和攀爬時間不同，其中的自由練習(xí)模式是指攀巖面移動的速度和練習(xí)時間由使用者自行設(shè)定。攀巖面的傾斜角度可通過控制面板上的“角度+”、“角度-”按鍵來控制。為了保證攀巖的安全性，系統(tǒng)設(shè)有紅外線檢測模塊，隨時檢測攀巖者位置；為應(yīng)對某些特殊情況的發(fā)生，在攀巖機(jī)側(cè)面設(shè)有急停開關(guān)。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

攀巖機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖3所示，它由單片機(jī)控制模塊、按鍵輸入模塊、紅外檢測模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和語言輸出模塊等組成。

2.1控制模塊

控制核心采用STC89C52RC單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)具有2個外部中斷、3個定時器/計數(shù)器，1個串口中斷源，還有3個8位輸入輸出端口，完全能夠滿足系統(tǒng)的要求［4］。

2.2按鍵輸入檢測模

按鍵接單片機(jī)P2口，用于選擇輸入工作模式，調(diào)整速度、時間等。

2.3紅外檢測模塊

在攀巖壁的上、中、下三個位置設(shè)有三對紅外檢測裝置，利用紅外線檢測模塊檢測攀巖機(jī)上是否有攀巖者，并且能測定攀巖者的實(shí)時位置。

2.4液晶顯示模塊

單片機(jī)P0口接12864液晶顯示模塊，可以將巖面的運(yùn)動速度、攀爬時間、攀爬高度及時顯示。

2.5電機(jī)驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊采用L298電路及電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)，L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動模塊，可用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動電感負(fù)載（諸如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機(jī)），驅(qū)動能力大，有利于穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。一個L298可驅(qū)動一個兩相步進(jìn)電機(jī)或兩個直流電機(jī)。

2.6語音輸出模塊

該模塊主要用于在在運(yùn)行中輸出智能語音提示信息，以實(shí)現(xiàn)信息的交互。

3. 驅(qū)動控制電路設(shè)計

攀巖機(jī)電路原理如圖4所示，系統(tǒng)共設(shè)有2個電動機(jī)、多個輸入按鍵、1個語音交互芯片，多個紅外檢測對管、1個298電機(jī)驅(qū)動模塊、1個液晶顯示屏及多個電阻電容等。

圖4 電路工作原理圖

STC89C52的P2.3到P2.7口接 “角度+”、“角度-”、 “時間+”、“時間-”及“工作模式”等按鍵，P2.1，P2.2口連接“開始”“停止”按鍵。單片機(jī)P1.4至P1.7接l298電機(jī)驅(qū)動模塊，控制電動機(jī)工作。P3.5、P3.6、P3.7接紅外檢測模塊，檢測是否有攀巖者，根據(jù)攀巖者攀爬位置不同，及時對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)。語音模塊接單片機(jī)的P3.0，P3.1串口，實(shí)現(xiàn)語音信息的輸入和輸出。液晶顯示接單片機(jī)P0口，用于顯示工作模式、攀巖者攀巖速度與高度等相關(guān)信息，反饋攀巖者自身攀巖情況，液晶顯示控制信號接P1.0～P1.2口。各個模塊不停運(yùn)行，檢測，直至設(shè)定時間為零時結(jié)束。

4. 軟件控制流程設(shè)計

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)行運(yùn)動模式選擇，按開始鍵后根據(jù)所選模式攀巖機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件控制流程圖

5. 結(jié)束語

相對于野外攀巖而言，室內(nèi)攀巖機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸小，占地空間小，投資成本低，受環(huán)境限制也少，便于推廣。此外攀巖機(jī)還具有以下創(chuàng)新亮點(diǎn)：

1）通過可調(diào)螺旋傳動結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)巖面的坡度，形成各種坡度的攀巖墻，能較好地模擬自然攀爬環(huán)境，滿足不同級別攀巖者的需求。

2）通過變換攀巖速度，可實(shí)現(xiàn)不同難度的攀研挑戰(zhàn)，比自然巖面更具挑戰(zhàn)性。

3）電機(jī)減速器具有自鎖功能，保證攀巖面不會在斷電時失控滑落，安全性能高。

4）攀巖者實(shí)際距離地面較近，安全性大為提高。

［1］潘紫妍.把攀巖運(yùn)動帶回家［J］.科學(xué)24小時，2013.06，34-35.

［2］LEO.室內(nèi)攀巖——我征服 我存在［J］.第一健身俱樂部.2008.02，52-59.

［3］林禮.人工巖壁攀巖的風(fēng)險識別與規(guī)避——以長沙市為例［D］.湖南師范大學(xué)，2014.5.

［4］樊澤明. 一種基于單片機(jī)的智能小車設(shè)計［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2014，2：69-73.

Design of indoor rock climbing machine based on single chip microcomputer

Wang Wan-Xin
（School of Mechanical and Electronical Engineering， Dezhou University， Dezhou Shandong， 253023）

Through design of the indoor rock climbing machine mechanical structure， control module， human-computer interaction module， We simulate a real rock， let indoor rock climbing has become possible. Using single chip computer control the installation angle of rock climbing wall and the climbing surface velocity， adjusting the degree of motions difficulty， so as to Suitable for different use groups， make indoor rock climbing has become a new concept of home exercise.

Indoor Rock Climbing Machine； Artificial Rock Climbing； Extreme Sports

王萬新（1971—），男，山東平原人，碩士，講師，主要從事機(jī)械制造自動化研究。