基于單片機的室內攀巖機設計

德州學院機電工程系 張 釗 王萬新

基于單片機的室內攀巖機設計

德州學院機電工程系 張 釗 王萬新

通過對室內攀巖機的機械結構、控制模塊、人機交互等模塊的設計，模擬了真實巖壁，讓室內攀巖成為了可能。利用單片機控制攀巖壁的機械安裝角度和攀巖面的運動速度，調節運動的難易程度，以適用不同使用群體，使室內攀巖運動成為家庭運動的一種新理念。

室內攀巖機；人工巖壁；攀爬；極限運動

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

1. 機械傳動設計

將攀巖機的巖面設計成循環移動式結構，可以解決室內空間受限問題，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；通過攀巖面運動速度的控制實現不同的運動強度練習。我們初步方案設計了兩種，方案一：如圖1所示，將巖面運動設計成移動和擺動兩種形式的復合，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構和滑塊搖桿機構實現。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構與滑塊搖桿機構調整攀巖壁的角度，控制攀爬難易程度。

圖2 間歇調節式方案

安全問題是攀巖運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、穩定性方面更據優勢，且攀爬中電動機只需驅動巖面運動，方案簡單、更容易實現，所以我們采用了第二方案。

機械結構設計方面，室內攀巖機的巖面運動由直流電動機通過蝸桿減速器帶動同步帶驅動攀巖面運動，蝸桿減速器具有運動不可逆特點，從而實現了巖面運動的不可逆，不會出現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。巖面運動速度采用單片機控制，改變運動速度就可改變攀巖難度和運動強度。巖壁角度調整可采用直流電機驅動螺旋機構帶動滑塊移位，通過滑塊搖桿機構實現巖壁角度的變化，螺旋傳動結構同樣反向自鎖功能，保證了巖壁角度在意外斷電情況下的穩固定。

2. 控制系統設計

室內攀巖機的控制對象主要是兩臺直流電機，控制模塊采用單片機控制，用以實現自動控制。攀巖機共設計初級、中級、高級和自由練習四種工作模式，模式不同對應巖面移動速度和攀爬時間不同，其中的自由練習模式是指攀巖面移動的速度和練習時間由使用者自行設定。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，系統設有紅外線檢測模塊，隨時檢測攀巖者位置；為應對某些特殊情況的發生，在攀巖機側面設有急停開關。

圖3 系統組成框圖

攀巖機控制系統組成如圖3所示，它由單片機控制模塊、按鍵輸入模塊、紅外檢測模塊、液晶顯示模塊、電機驅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，STC89C52RC單片機具有2個外部中斷、3個定時器/計數器，1個串口中斷源，還有3個8位輸入輸出端口，完全能夠滿足系統的要求［4］。

2.2按鍵輸入檢測模

按鍵接單片機P2口，用于選擇輸入工作模式，調整速度、時間等。

2.3紅外檢測模塊

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

2.4液晶顯示模塊

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

2.5電機驅動模塊

驅動模塊采用L298電路及電機驅動器實現，L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動模塊，可用于連接標準TTL邏輯電平，驅動電感負載（諸如繼電器、線圈、DC和步進電機），驅動能力大，有利于穩定電機轉速。一個L298可驅動一個兩相步進電機或兩個直流電機。

2.6語音輸出模塊

該模塊主要用于在在運行中輸出智能語音提示信息，以實現信息的交互。

3. 驅動控制電路設計

攀巖機電路原理如圖4所示，系統共設有2個電動機、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電機驅動模塊、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P1.4至P1.7接l298電機驅動模塊，控制電動機工作。P3.5、P3.6、P3.7接紅外檢測模塊，檢測是否有攀巖者，根據攀巖者攀爬位置不同，及時對電機的轉速進行微調。語音模塊接單片機的P3.0，P3.1串口，實現語音信息的輸入和輸出。液晶顯示接單片機P0口，用于顯示工作模式、攀巖者攀巖速度與高度等相關信息，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。各個模塊不停運行，檢測，直至設定時間為零時結束。

4. 軟件控制流程設計

系統上電后首先進行初始化設置，然后進行運動模式選擇，按開始鍵后根據所選模式攀巖機進入工作狀態，系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件控制流程圖

5. 結束語

相對于野外攀巖而言，室內攀巖機結構尺寸小，占地空間小，投資成本低，受環境限制也少，便于推廣。此外攀巖機還具有以下創新亮點：

1）通過可調螺旋傳動結構調節巖面的坡度，形成各種坡度的攀巖墻，能較好地模擬自然攀爬環境，滿足不同級別攀巖者的需求。

2）通過變換攀巖速度，可實現不同難度的攀研挑戰，比自然巖面更具挑戰性。

3）電機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）攀巖者實際距離地面較近，安全性大為提高。

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

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

［3］林禮.人工巖壁攀巖的風險識別與規避——以長沙市為例［D］.湖南師范大學，2014.5.

［4］樊澤明. 一種基于單片機的智能小車設計［J］.工業儀表與自動化裝置，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，主要從事機械制造自動化研究。