娃娃機教學示范平臺

張盛開 于吉生 魏媛媛 徐傳濤 吳兵

摘要：本娃娃機以15系列單片機為核心，通過橫向和縱向2個直流電機實現抓手的定位，通過1個直流電機實現抓手的上升和下降，天車運行時，由搖桿和按鈕進行控制，速度為固定數值。抓娃娃時，抓手通過48V電磁線圈控制，電壓越高抓力越大。投幣機連接單片機，根據投幣多少由規則決定可以抓幾回。中獎幾率事先設定好，連續抓取時中獎幾率大。

關鍵詞：娃娃機;單片機;電磁線圈;直流電機

引言

娃娃機作為娛樂產品非常普遍，大家通常喜愛抓娃娃，網上也有很多抓娃娃的攻略，實際上不是很準確，設計此產品目的是讓學生了解其原理，增長專業知識，提高學生的創新能力，在玩的過程中避免造成過度消費。

1娃娃機的結構組成

娃娃機的結構組成：鐵質框架、亞克力封皮、天車、抓手、搖桿、按鈕、投幣器、單片機控制器、LED燈。天車由4部分組成：橫向移動電機、縱向移動電機、抓手升降電機和抓手電磁線圈。

天車的橫向和縱向行走，由2個直流電機進行控制，電機速度根據需求，提前在CPU面板上設置好，電機采用PWM方式進行控制。升降電機由1個直流電機控制，電機采用PWM方式進行控制。抓手由電磁線圈控制，抓手下降時由于重力作用，抓手成自然打開狀態，抓取娃娃時，電磁線圈得電，抓手合上。娃娃機實物模型如圖1所示。

2 電氣控制系統組成

娃娃機采用15系列單片機，由單片機驅動3臺直流電機和一個電磁線圈，搖桿和按鈕信號作為單片機輸入信號，同時搭配數碼管顯示參數設置相關數據以及幣數和剩余時間。主要電氣硬件配置表如表1所示。單片機系統網絡圖如圖2所示。

單片機板設置“菜單確定”、“減少”、“增加”、“測試/退出”4個按鍵，用于參數設置，設置參數時數碼管會顯示相應數據，同時設計一個遠端的投幣計數數碼管顯示板，單片機CPU主板如圖3所示。主板具有電機運轉超時短路保護，三個電機速度可以獨立調整，計時參數調節方便快捷，抓力強力弱力調節直觀簡單等功能。通過加裝樂搖搖裝置，可以實現手機支付功能。樂搖搖裝置采用4G卡進行聯網，因此娃娃機要放在有手機信號的地方，保證手機可以正常掃碼支付。

主機具有自動檢測電機極性和校正功能，在投幣總數<10的情況下，把天車移到設備中間開機，程序會自動檢測電機極性，如果此時電機反轉，待機器出現電機故障提示后按“開始”鍵，程序會自動校正極性，待程序極性校正后，投下10個以上的幣即可。系統3個運行電機均設置限位開關，每個電機設置2個限位開關，用于電機前端和后端極限位置進停止電機。電機限位開關如圖4所示。天車在運行過程中，會出現天車已經達到娃娃機柜內的兩頭位置，但娃娃機電機仍在運轉，此時需要調整天車的位置即可，原因是天車在兩頭軌道運行過程中，會出現不同步的情況，天車出現傾斜，碰不到極限限位開關，因此電機無法停止。

抓手可以通過調節電磁線圈的電壓（線圈額定電壓為直流48V），調節抓力的強弱，電壓越高，抓力越大，越容易抓起娃娃。抓手抓力強力弱力調節方法，主板數碼管液晶屏顯示數字含義：輸出電壓V=供電電壓×2×顯示數字/100，例如主板數碼管顯示為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，由于變壓器帶負載，電壓下降，得到的輸出電壓會低一點。抓手抓力強力強力調整為15伏～50伏，默認35伏;弱力調整為5伏～40伏，默認9伏。抓手在下降到底端抓取娃娃時，采用強力控制電磁線圈，娃娃很容易抓起來，當娃娃升到半空時，采用弱力控制電磁線圈，娃娃會脫落。由于采用了中獎幾率，當投幣數量達到一定時，會一直采用強力控制電磁線圈，這時娃娃很容易被抓到出娃娃口的上方。抓手及電磁線圈如圖5所示。

3中獎模式算法及中獎方式選擇

0→取消控制，中獎幾率跟抓物計時（10ms～120ms）、強力調整（15V～50V）和弱力調整（5V～40V）有關，參數值調得越大越容易抓。

3→中獎回授：

中獎幾率=。

注：使用此功能時，須加裝感應器1組，否則一直為中獎機會：如工作模式為普通模式，則中獎數是累計的，如果為自動販賣模式，則最后一次游戲不中獎不扣分。倒如：控制基數為10，受控次數為1時，每游戲10次便有1次中獎機會，如果在第10個幣游戲結束，還未抓到禮品，則第10個幣不扣分，直到抓到禮品為止。

連續投多少個幣中獎多少次=控制基數×多少個幣一個游戲。例如：控制基數為10，受控次數為2，3幣一次游戲時，則為連續投30個幣有2次中獎機會，如果在最后一次游戲結束，還沒有抓到兩個禮品，則最后一次游戲結束，不扣分，直到抓到兩個禮品為止。

4→隨機模式： 中獎幾率=，中獎機會隨機出現。

4 教學效果

本娃娃由于封皮采用亞克力透明板，設備工作時，學生可以觀察到CPU板的工作狀態，讓學生更好的了解到課本上的單片機知識，通過本設備學生了解了單片機在實際生活中的應用，同時熟悉了單片機產品的設計過程，本設備加深了學生的單片機專業知識，讓學生做到所學所用，學習不再枯燥。

參考文獻：

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[2] 朱云鶴. 娃娃機市場發展簡述及SWOT分析 [J]. 現代營銷（經營版）， 2019

[3] 葛建新. 基于IAP15W4K58S4單片機超聲波測距系統的設計與實現[J]. 電子測試，2021

基金項目：營口理工學院大學生創新創業項目（S202114 435019）資助。