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)

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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宫F(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。控制右手的長(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。控制頭部的長(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(xiàn)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)