張盛開(kāi) 于吉生 魏媛媛 徐傳濤 吳兵

摘要：本娃娃機(jī)以15系列單片機(jī)為核心，通過(guò)橫向和縱向2個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)抓手的定位，通過(guò)1個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)抓手的上升和下降，天車(chē)運(yùn)行時(shí)，由搖桿和按鈕進(jìn)行控制，速度為固定數(shù)值。抓娃娃時(shí)，抓手通過(guò)48V電磁線(xiàn)圈控制，電壓越高抓力越大。投幣機(jī)連接單片機(jī)，根據(jù)投幣多少由規(guī)則決定可以抓幾回。中獎(jiǎng)幾率事先設(shè)定好，連續(xù)抓取時(shí)中獎(jiǎng)幾率大。

關(guān)鍵詞：娃娃機(jī);單片機(jī);電磁線(xiàn)圈;直流電機(jī)

引言

娃娃機(jī)作為娛樂(lè)產(chǎn)品非常普遍，大家通常喜愛(ài)抓娃娃，網(wǎng)上也有很多抓娃娃的攻略，實(shí)際上不是很準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)此產(chǎn)品目的是讓學(xué)生了解其原理，增長(zhǎng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，在玩的過(guò)程中避免造成過(guò)度消費(fèi)。

1娃娃機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

娃娃機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：鐵質(zhì)框架、亞克力封皮、天車(chē)、抓手、搖桿、按鈕、投幣器、單片機(jī)控制器、LED燈。天車(chē)由4部分組成：橫向移動(dòng)電機(jī)、縱向移動(dòng)電機(jī)、抓手升降電機(jī)和抓手電磁線(xiàn)圈。

天車(chē)的橫向和縱向行走，由2個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)速度根據(jù)需求，提前在CPU面板上設(shè)置好，電機(jī)采用PWM方式進(jìn)行控制。升降電機(jī)由1個(gè)直流電機(jī)控制，電機(jī)采用PWM方式進(jìn)行控制。抓手由電磁線(xiàn)圈控制，抓手下降時(shí)由于重力作用，抓手成自然打開(kāi)狀態(tài)，抓取娃娃時(shí)，電磁線(xiàn)圈得電，抓手合上。娃娃機(jī)實(shí)物模型如圖1所示。

2 電氣控制系統(tǒng)組成

娃娃機(jī)采用15系列單片機(jī)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)3臺(tái)直流電機(jī)和一個(gè)電磁線(xiàn)圈，搖桿和按鈕信號(hào)作為單片機(jī)輸入信號(hào)，同時(shí)搭配數(shù)碼管顯示參數(shù)設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)以及幣數(shù)和剩余時(shí)間。主要電氣硬件配置表如表1所示。單片機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

單片機(jī)板設(shè)置“菜單確定”、“減少”、“增加”、“測(cè)試/退出”4個(gè)按鍵，用于參數(shù)設(shè)置，設(shè)置參數(shù)時(shí)數(shù)碼管會(huì)顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)端的投幣計(jì)數(shù)數(shù)碼管顯示板，單片機(jī)CPU主板如圖3所示。主板具有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超時(shí)短路保護(hù)，三個(gè)電機(jī)速度可以獨(dú)立調(diào)整，計(jì)時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)方便快捷，抓力強(qiáng)力弱力調(diào)節(jié)直觀(guān)簡(jiǎn)單等功能。通過(guò)加裝樂(lè)搖搖裝置，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)支付功能。樂(lè)搖搖裝置采用4G卡進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，因此娃娃機(jī)要放在有手機(jī)信號(hào)的地方，保證手機(jī)可以正常掃碼支付。

主機(jī)具有自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)極性和校正功能，在投幣總數(shù)<10的情況下，把天車(chē)移到設(shè)備中間開(kāi)機(jī)，程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)極性，如果此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，待機(jī)器出現(xiàn)電機(jī)故障提示后按“開(kāi)始”鍵，程序會(huì)自動(dòng)校正極性，待程序極性校正后，投下10個(gè)以上的幣即可。系統(tǒng)3個(gè)運(yùn)行電機(jī)均設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，每個(gè)電機(jī)設(shè)置2個(gè)限位開(kāi)關(guān)，用于電機(jī)前端和后端極限位置進(jìn)停止電機(jī)。電機(jī)限位開(kāi)關(guān)如圖4所示。天車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)天車(chē)已經(jīng)達(dá)到娃娃機(jī)柜內(nèi)的兩頭位置，但娃娃機(jī)電機(jī)仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)需要調(diào)整天車(chē)的位置即可，原因是天車(chē)在兩頭軌道運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同步的情況，天車(chē)出現(xiàn)傾斜，碰不到極限限位開(kāi)關(guān)，因此電機(jī)無(wú)法停止。

抓手可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線(xiàn)圈的電壓（線(xiàn)圈額定電壓為直流48V），調(diào)節(jié)抓力的強(qiáng)弱，電壓越高，抓力越大，越容易抓起娃娃。抓手抓力強(qiáng)力弱力調(diào)節(jié)方法，主板數(shù)碼管液晶屏顯示數(shù)字含義：輸出電壓V=供電電壓×2×顯示數(shù)字/100，例如主板數(shù)碼管顯示為32，電源供電48V，則輸出電壓為48× 2× 32/100=31V;如果為變壓器供電，由于變壓器帶負(fù)載，電壓下降，得到的輸出電壓會(huì)低一點(diǎn)。抓手抓力強(qiáng)力強(qiáng)力調(diào)整為15伏～50伏，默認(rèn)35伏;弱力調(diào)整為5伏～40伏，默認(rèn)9伏。抓手在下降到底端抓取娃娃時(shí)，采用強(qiáng)力控制電磁線(xiàn)圈，娃娃很容易抓起來(lái)，當(dāng)娃娃升到半空時(shí)，采用弱力控制電磁線(xiàn)圈，娃娃會(huì)脫落。由于采用了中獎(jiǎng)幾率，當(dāng)投幣數(shù)量達(dá)到一定時(shí)，會(huì)一直采用強(qiáng)力控制電磁線(xiàn)圈，這時(shí)娃娃很容易被抓到出娃娃口的上方。抓手及電磁線(xiàn)圈如圖5所示。

3中獎(jiǎng)模式算法及中獎(jiǎng)方式選擇

0→取消控制，中獎(jiǎng)幾率跟抓物計(jì)時(shí)（10ms～120ms）、強(qiáng)力調(diào)整（15V～50V）和弱力調(diào)整（5V～40V）有關(guān)，參數(shù)值調(diào)得越大越容易抓。

3→中獎(jiǎng)回授：

中獎(jiǎng)幾率=。

注：使用此功能時(shí)，須加裝感應(yīng)器1組，否則一直為中獎(jiǎng)機(jī)會(huì)：如工作模式為普通模式，則中獎(jiǎng)數(shù)是累計(jì)的，如果為自動(dòng)販賣(mài)模式，則最后一次游戲不中獎(jiǎng)不扣分。倒如：控制基數(shù)為10，受控次數(shù)為1時(shí)，每游戲10次便有1次中獎(jiǎng)機(jī)會(huì)，如果在第10個(gè)幣游戲結(jié)束，還未抓到禮品，則第10個(gè)幣不扣分，直到抓到禮品為止。

連續(xù)投多少個(gè)幣中獎(jiǎng)多少次=控制基數(shù)×多少個(gè)幣一個(gè)游戲。例如：控制基數(shù)為10，受控次數(shù)為2，3幣一次游戲時(shí)，則為連續(xù)投30個(gè)幣有2次中獎(jiǎng)機(jī)會(huì)，如果在最后一次游戲結(jié)束，還沒(méi)有抓到兩個(gè)禮品，則最后一次游戲結(jié)束，不扣分，直到抓到兩個(gè)禮品為止。

4→隨機(jī)模式： 中獎(jiǎng)幾率=，中獎(jiǎng)機(jī)會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)。

4 教學(xué)效果

本娃娃由于封皮采用亞克力透明板，設(shè)備工作時(shí)，學(xué)生可以觀(guān)察到CPU板的工作狀態(tài)，讓學(xué)生更好的了解到課本上的單片機(jī)知識(shí)，通過(guò)本設(shè)備學(xué)生了解了單片機(jī)在實(shí)際生活中的應(yīng)用，同時(shí)熟悉了單片機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，本設(shè)備加深了學(xué)生的單片機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，讓學(xué)生做到所學(xué)所用，學(xué)習(xí)不再枯燥。

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基金項(xiàng)目：營(yíng)口理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（S202114 435019）資助。