杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 杭州 311402

1 設(shè)計背景

象棋作為中國傳統(tǒng)文化的一部分，是一種在人們業(yè)余休閑生活中極常見的娛樂方式[1]。較多研究機構(gòu)采用機器視覺作為識別定位棋子的方法[2-5]，在考慮研制成本、應(yīng)用范圍、娛樂性和觀賞性等方面后，筆者研制了一款基于無線射頻識別（RFID）技術(shù)的自識別象棋機[6]，并在文獻[6]的基礎(chǔ)上，對自識別象棋機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計。

2 控制系統(tǒng)電路

控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機對各個模塊進行控制[7-8]。集棋模塊電路包括一個步進電機驅(qū)動器和一個RFID檢測模塊，用于棋子的收集、分離和檢測。擺棋模塊電路包括兩個步進電機驅(qū)動器、兩個光電傳感器和一個機械卡爪舵機，用于棋子的精確擺放。升降模塊電路主要由支撐架、電動推桿和棋面平臺組成。電源模塊采用LM2596電源芯片，可將24 V輸入電壓降壓為5 V，為單片機供電。控制系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。

2.1 集棋模塊電路

▲圖1 控制系統(tǒng)電路框圖

集棋模塊電路主要由電機驅(qū)動電路和RFID檢測電路組成。步進電機驅(qū)動器與電機連接比較簡單，直接與電機繞組相連即可。電機驅(qū)動電路中，步進電機驅(qū)動器的CP+控制脈沖信號正極連單片機的P0.4引腳，DIR+方向信號正極連單片機的P0.5引腳[9]。RFID檢測電路中，MF-RC522讀取芯片有IRQ （中斷請求）、NSS（串行數(shù)據(jù)信號）、SCK（串行時鐘）、MOSI（主出從入）、MISO（主入從出）、RST（復(fù)位電路）等數(shù)據(jù)接口，其中：IRQ接口可以不連接；NSS接口與P2.7引腳相連，是進行數(shù)據(jù)傳輸時向數(shù)據(jù)連接線輸出數(shù)據(jù)的接口；SCK接口與P2.6引腳相連，向單片機提供時鐘信號；MOSI接口與P2.5引腳相連，實現(xiàn)主器件數(shù)據(jù)的輸出及從器件數(shù)據(jù)的輸入；MISO接口與P2.4引腳相連，實現(xiàn)主器件數(shù)據(jù)的輸入及從器件數(shù)據(jù)的輸出；RST接口與P2.3引腳相連，實現(xiàn)電路復(fù)位。集棋模塊電路連接如圖2所示。

2.2 擺棋模塊電路

▲圖2 集棋模塊電路連接

擺棋模塊電路包括三坐標定位機構(gòu)的兩路步進電機驅(qū)動電路、兩路光電傳感器連接電路和舵機連接電路，如圖3所示。步進電機驅(qū)動器將單片機發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移信號，CP+控制脈沖信號正極連單片機P1.3和P1.5引腳，DIR+方向信號正極連單片機P1.4和1.6引腳。舵機轉(zhuǎn)動帶動齒輪實現(xiàn)機械卡爪抓取的功能，舵機的信號口與單片機的P0.0引腳相連。光電傳感器起限位作用，其中，光電傳感器1的信號口與P0.1引腳相連，光電傳感器2的信號口與P0.2引腳相連，兩者的控制方式為低電平有效。

▲圖3 擺棋模塊電路連接

2.3 升降模塊電路

升降模塊電路主要由電動推桿連接電路和直流電機驅(qū)動電路組成，如圖4所示。直流電機驅(qū)動器驅(qū)動電動推桿，單片機向直流電機驅(qū)動器發(fā)送信號。電壓從直流電機驅(qū)動器A端輸出，連接到電動推桿VCC和GND端。單片機的P1.0和P1.1引腳與直流電機驅(qū)動器的信號口連接，當P1.0置1、P1.1置0時，電機正轉(zhuǎn)，反之，則電機反轉(zhuǎn)。

▲圖4 升降模塊電路連接

3 控制系統(tǒng)程序

以RFID識別反饋和單片機控制電機運動為主程序，具體運行過程是：把棋子集入集棋模塊，按下啟動按鈕，在延時10 s后棋面下降；此時棋子分離機構(gòu)的電機轉(zhuǎn)動，帶動凹形輪使一顆棋子落到夾取平臺；再通過MF-RC522芯片進行棋子識別，如果棋子被檢測到，那么分離機構(gòu)電機停止轉(zhuǎn)動，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)動；被檢測到的棋子被機械卡爪夾取，并由三坐標機構(gòu)進行擺放，直至32顆棋子擺放完成后，棋面上升。

3.1 集棋模塊

棋子放入集棋機構(gòu)，步進電機轉(zhuǎn)動，使其中一顆棋子下落到夾取平臺。通過MF-RC522芯片對棋子進行身份識別，識別身份反饋給單片機進行信息處理。棋子識別完畢后，電機停止工作，若未識別完成，則電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動。集棋模塊程序流程如圖5所示。

▲圖5 集棋模塊程序流程

3.2 擺棋模塊

擺棋模塊由三坐標定位機構(gòu)和機械卡爪組成，能夠?qū)崿F(xiàn)棋子抓取與棋子擺放的功能。其中：舵機控制卡爪，然后由三坐標定位機構(gòu)實現(xiàn)棋子的位移；夾取平臺處的檢測模塊將檢測到的棋子信息發(fā)至單片機進行識別，之后單片機將脈沖脈沖數(shù)據(jù)發(fā)送至步進電機，使機械卡爪運動到夾取平臺處；卡爪夾起棋子，并把棋子抓取至指定位置。擺棋模塊程序流程如圖6所示。

▲圖6 擺棋模塊程序流程

3.3 升降模塊

升降模塊由支撐架、電動推桿和升降棋面組成，利用單片機對電動推桿進行控制，實現(xiàn)升降功能。當識別完32顆棋子信號并擺放完成后，將信號反饋給單片機，再由單片機發(fā)送信號至直流電機驅(qū)動器，使電動推桿上升。下降時，觸發(fā)啟動按鈕，并由定時器產(chǎn)生20 ms延時，然后單片機發(fā)送信號，使電動推桿下降。升降模塊程序流程如圖7所示。

▲圖7 升降模塊程序流程

4 試驗驗證

為了驗證控制系統(tǒng)的正確性，采用3030鋁合金型材搭建了實物模型，進行了大量試驗。試驗結(jié)果表明，自識別象棋機控制系統(tǒng)能按分離棋子（圖8）、抓取棋子（圖9）、擺放棋子（圖10）和升降棋子（圖 11）的步驟完成象棋的自動擺放，節(jié)省了整理象棋的時間，提高了弈者的興趣。

▲圖8 分離棋子

▲圖9 抓取棋子

▲圖10 擺放棋子

▲圖11 升降棋子