單片機(jī)控制的民間舞龍?jiān)O(shè)計(jì)論文

1 一、前 言 . 1 二、舞龍的運(yùn)動(dòng)路線 . 2 三、 設(shè)計(jì)原理 . 4 四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 4 五、運(yùn)動(dòng)可行性分析 . 5 六、龍節(jié)設(shè)計(jì) . 7 七、龍節(jié)整體結(jié)構(gòu)圖 . 7 八、控制系統(tǒng) .11 九、電機(jī)控制 . 12 十、無支點(diǎn)騰空設(shè)計(jì) . 20 十一、設(shè)計(jì)總結(jié) . 21 十二、參 考 文 獻(xiàn) . 21 一、前 言 中國文化中，龍有著重要的地位和影響。從距今 7000 多年的新石器時(shí)代，先民們對原始龍的圖騰崇拜，到今天人們?nèi)匀欢嘁詭в?“ 龍 ” 字的成語或典故來形容生活中的美好事物。 上下數(shù)千年，龍已滲透了中國社會的各個(gè)方面，成為一種文化的凝聚和積淀。龍成了中國的象征、中華民族的象征、中國文化的象征。對每一個(gè)炎黃子孫來說，龍的形象是一種符號、一種意緒、一種血肉相聯(lián)的情感！ “ 龍的子孫 ” 、 “ 龍的傳人 ” 這些稱謂，常令我們激動(dòng)、奮發(fā)、自豪。龍的文化除了在中華大地上傳播承繼外，還被遠(yuǎn)渡海外的華人帶到了世界各地，在世界各國的華人居住區(qū)或中國城內(nèi)，最多和最引人注目的飾物仍然是龍。因而， “ 龍的傳人 ” 、 “ 龍的國度 ”也獲得了世界的認(rèn)同。 龍，集日月之精華，匯天地之靈氣，具百獸之形，兼包容四海 、吐納百川之胸襟。在這新的時(shí)代，被賦予了新的生命。它將不僅是中華民族的象征，它還將代表中華民族的精神，成為新世紀(jì)的中華魂。 2 二、舞龍的運(yùn)動(dòng)路線 舞龍的運(yùn)動(dòng)路線如下面的四幅圖所示 ： 3 4 三、 設(shè)計(jì)原理 當(dāng)內(nèi)外兩側(cè)線產(chǎn)生相對的松拉則產(chǎn)生出彎曲變形。 四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中國傳統(tǒng)的舞龍采用十人進(jìn)行操作，其中有九人拿龍的九個(gè)支承節(jié)點(diǎn)，一個(gè)人拿龍珠。根據(jù)其特性，龍?jiān)O(shè)計(jì)為節(jié)，每一節(jié)都能產(chǎn)生獨(dú)立的彎曲，各節(jié)的相對彎曲效果就可以完成舞龍的各個(gè)要求動(dòng)作。整條龍的設(shè)計(jì)不采 用任何外部支點(diǎn)，以避免各個(gè)支點(diǎn)的相互干涉，影響龍的整體運(yùn)動(dòng)。 5 五、運(yùn)動(dòng)可行性分析 形動(dòng)路線 盤旋上升路線 字形動(dòng)路線 形動(dòng)路線 2盤旋上升路線 當(dāng)龍運(yùn)動(dòng)為此螺旋上升式時(shí)，在最小徑處彎曲幅度最大。在大徑處同步徑幅度小。 每一龍節(jié)的彎曲為平面圓弧。分別與相鄰的龍節(jié)圓弧平面有一定夾角，產(chǎn)生出龍節(jié)的上升位移。 6 3 8 字形路線 當(dāng)每一龍節(jié)的按順序進(jìn)字形排列時(shí)，可以產(chǎn)生出翻騰效果 以上三種運(yùn)動(dòng)路線可以包括龍的各個(gè)運(yùn)動(dòng)要求，進(jìn)行不同的彎曲組合可以做更多的動(dòng)作造型?？梢宰?出現(xiàn)有舞龍的達(dá)不到的多個(gè)運(yùn)動(dòng)例如：更高層的盤旋上升（現(xiàn)有舞龍采用疊羅漢式，達(dá)到高點(diǎn)進(jìn)行盤旋，最高二層 7 六、龍節(jié)設(shè)計(jì) 彎曲部分采用高強(qiáng)度高韌性的玻璃纖維做為基本骨架進(jìn)行彎曲，四側(cè)用柔性線進(jìn)行牽拉 2 傳動(dòng)部分微型伺服型電機(jī)控制，通過兩組線圈繞架進(jìn)行柔性線的收放 3 固定架采用中心軸作為固定架，以減少結(jié)構(gòu)，減輕重量 七、龍節(jié)整體結(jié)構(gòu)圖 8 零件圖 -繞線槽組 玻璃纖維 伺服電機(jī) 進(jìn)線保持架 控線板 控線架 繞線槽組 中心軸 9 零件圖 - 進(jìn)線保持架 10 零 件圖 - 控線板 零件圖 - 控線架 零件圖 - 中心軸 11 八、控制系統(tǒng) 1單元龍節(jié)采用雙伺服電機(jī)控制其四方位的柔性線的拉伸 . 2由單片機(jī)輸入運(yùn)動(dòng)程序通過遙控器對每單元龍節(jié)的兩電機(jī)進(jìn)行控制 . 玻璃纖維安裝孔 繞線槽組隔離軸肩 螺紋 繞線槽組安裝區(qū) 注 :中心軸既是繞線槽組的轉(zhuǎn)動(dòng)軸 又是整 個(gè)龍節(jié)的保持架 .起到雙重 作用 ,減化裝置 ,減輕重量 . 12 九、電機(jī)控制 1 由于兩電機(jī)控制一龍節(jié)四個(gè)彎曲方向。當(dāng)單電機(jī)控制時(shí)，電機(jī)控制收放線的長度就可以控制玻璃纖維的單向彎曲。 2 由兩電機(jī)控制時(shí)，兩電機(jī)按一定周期進(jìn)行往返收放時(shí)，玻璃纖維可以產(chǎn)生出旋轉(zhuǎn)彎曲的效果，在往 返周期內(nèi)控制線收放長度，就可以控制在旋轉(zhuǎn)彎曲時(shí)的彎曲幅度。 3 對電機(jī)電流進(jìn)行程序化控制時(shí)，就可以按預(yù)先程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 4開環(huán) PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)需要，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)如圖（ 3）所示，由 5 部分組成：轉(zhuǎn)速給定部分由人工通過輸入設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的要求由 P1 口輸入，也就是輸入上面所提到的給定值 N；脈沖寬度發(fā)生器由單片機(jī)根據(jù)給定值 N 產(chǎn)生滿足占空比 D 要求的脈沖序列，控制直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，經(jīng)過引腳 P3.4 輸出給驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器由運(yùn)算放大器組成，有隔離作用，以防止電機(jī)或者高電壓信號進(jìn)入單片機(jī)而燒毀單片機(jī)； 電子開關(guān)用來接通或斷開電機(jī)電樞的供電電源 VCC，使用三極管，也可使用晶閘管等功率器件；最后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流電機(jī)，又來帶動(dòng)被控對象，如數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)等。圖中的 2732 為 4KB 的程序存儲器，地址空間為0000H0FFFH， P0 口為片外程序存儲器的地址 /數(shù)據(jù)口， P2 為其高 8 位地址口。 5民間舞龍的電機(jī)控制電路的原理圖 13 圖 7為一個(gè)舞龍?jiān)O(shè)計(jì)的部分電路圖，通過 2 個(gè) I/O 接口控制一臺電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 圖 2.5 舞龍?jiān)O(shè)計(jì)的電路圖 圖 2.5 中， 引腳 P2.0、 P2.1 經(jīng)三態(tài)門 74LS125 和反向驅(qū)動(dòng)器 7406 控制 4個(gè)光電隔離器和 4個(gè)大功率場效應(yīng)管 IRF-640。 當(dāng) P2.1=1， P2.0=0）時(shí)，由于鎖存器 74LS125 中三態(tài)門 2 是打開的，所以光電隔離器 LEI2 導(dǎo)通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，因而使大功率場效應(yīng)開關(guān)管 IRF 640（ SW2）導(dǎo)通。同理， 74LS125 三態(tài)門 4 輸出為 “0” ，使得 三態(tài)門 3 的控制端口也為 “0” 電平，因此，三態(tài)門 3打開，使光電隔離器 LEI3發(fā)光并導(dǎo)通，因而使 SW3 導(dǎo)通。由同樣分析，此時(shí)輸出為高電平和 SW1、 SW4 是關(guān)斷的。因此，電流從右至左流過直流電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng) P2.1 和 P2.0 端口輸出為 01H 控制模型時(shí)，鎖存器 74LS125 中的三態(tài)門 1.三態(tài)門 4輸出 “1” ，使得 SW1和 SW4接通， SW2和 SW3關(guān)斷，電流由右向左流過電動(dòng)機(jī)，是電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 同理可 推導(dǎo) 出剎車及滑行時(shí)模型分別為 03H， 00H。 1 2 3 4 1 2 3 4 +27V IRF640 4 6A6 4 4N25 4 74LS125 7404 +5V +5V 5k P2.0 P2.1 89AT51 TXD TXD TXD TXD RXD RXD RXD RXD 89AT51 0# 89AT51 89AT51 1# 89AT51 2# 上位機(jī) SW2 SW1 SW3 14 圖 2.6 多機(jī)通信的電路圖 控制程序如 下： LJMP 0030H ORG 001BH SETB F0； RETI； MOV TMOD， #01010000B； REPEAT1： MOV TH1， #E0H； MOV TL1， #18H； MOV TH0， #FCH； MOV TL0 ， #18H； CLR P3.5； MOV IE #88H； SETB TR1； SETB TR0； LOOP1： MOV P2， #F7H； MOV P3， #08H； ACALL DELAY； JNB TF0 $； CLR TF0； JBC F0， ELSE； SETB P3.5； MOV THO ， #FCH； 15 MOV TL0 ， #18H； JNB F0 ,$+7； SJMP L00P1； CLR F0； ELSE： AJMP REPEAT1； REPEAT2： MOV TH1， #C1H； MOV TL1， #10H； MOV THO ， #FCH； MOV TL0 ， #18H； CLR P3.5； MOV IE ， #88H； SETB TR1； SETB TR0； LOOP2： MOV P2 ， #08H； MOV P3 ， #F7H； ACALL DELAY； JNB TF0 $； CLR TF0； JBC F0 ， ELSE； MOV THO ， #FCH； MOV TL0 ， #18H； SETB P3.5； SJMP L00P2； CLR F0； ELSE： AJMP REPEAT2： DELAY： MOV R1， #0AH； 單周期指令 DL2： MOV R2， #18H； 單周期指令 DL1： NOP； 單周期 指令 NOP； 單周期指令 DJNZ R2， DL1； 雙周期指令 16 DJNZ R1， DL2； 雙周期指令 RET； 雙周期指令 /該延時(shí)子程序執(zhí)行的機(jī)器周期為 1+1+（ 1+1+2） *24+2*10+2=993 程序說明：單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，按定時(shí)器方式工作，最長延時(shí)時(shí)間只有 60ms 左右（在 12MHz 晶振條件下）。上面的程序是通過使定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器0 工作于方式 0 的定時(shí)器方式，達(dá)到 1ms 延時(shí) ；定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 工作于方式 1的計(jì)數(shù)器方式，設(shè)定為計(jì)數(shù) 1000 次或 2000 次，而每次定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 時(shí)間到、溢出時(shí)將發(fā)給它一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。這樣兩個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器串接使用的結(jié)果：1ms*1000=1s，可得到電機(jī)正轉(zhuǎn) 1min， 1ms*2000=2s，可得到電機(jī)反轉(zhuǎn) 2min。 光電隔離 光電耦合是由發(fā)光器件和受光器件組成一體的光耦合器件的總稱。它能將強(qiáng)電回路和 MCU 隔離開，有效地抑制干擾信號進(jìn)入 MCU。 光電耦合器的內(nèi)部包括發(fā)光部分和受光部分，組裝在一個(gè)密封的管殼中。發(fā)光部分為發(fā)光二極管，作為 輸入端，受光部分為光敏元件，作為輸出端。當(dāng)輸入端加上電信號，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流， CE導(dǎo)通，反之， CE 截止。 受光器件有光敏二極管、光敏三極管、達(dá)林頓光敏三極管、光敏集成電路和光敏晶閘管等。達(dá)林頓光敏三極管的電流傳輸比大，但輸出部分飽和壓降大，響應(yīng)時(shí)間長。 17 圖示為當(dāng)一位電機(jī)保持所控兩柔性線松拉狀態(tài)相同時(shí)，另一位電機(jī)所控兩柔性線松拉狀態(tài)不同時(shí)，玻璃纖維的彎曲狀態(tài)。當(dāng)兩電機(jī)進(jìn)行往返操作時(shí)，產(chǎn)生出旋轉(zhuǎn)效果。這也就可以產(chǎn)生出一龍節(jié)與相鄰龍節(jié)的角度變化。 18 如圖示：兩電機(jī)都運(yùn) 動(dòng)到收線長度最大時(shí)，彎曲狀態(tài)。 龍節(jié)實(shí)體圖 19 龍節(jié)單電機(jī)操作時(shí)，龍節(jié)的彎曲情況如圖 當(dāng)電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行收線時(shí)，曲率繼續(xù)增大，另一 電機(jī)收線時(shí)到一定位置時(shí)可形成彈簧狀彎曲。 控線架按照一定的間距沿玻璃纖維排列 20 十、無支點(diǎn)騰空設(shè)計(jì) 1利用浮力使龍騰空。根據(jù)每一龍節(jié)的重量，利用浮力 =G 進(jìn)行騰空。 2電機(jī)采用小伺服電機(jī)，重量輕，體積小。其它各部件采用輕質(zhì)材料。因此龍完全可以實(shí)現(xiàn)空中懸浮態(tài)，加上龍節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛舞狀態(tài)。 3龍節(jié)安裝統(tǒng)一安裝在氫氣氣囊某一側(cè)，使龍肚部位始終朝下。 整體龍要實(shí)現(xiàn)懸浮狀態(tài)，就要使浮力與重力相等，其中重力要 考慮到龍節(jié)、單片機(jī)、直流電源（ 或干電池）、以及龍節(jié)充氣材料的重量等。 在龍節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中由于采用了氦氣懸浮，則要考慮到其空氣對 龍節(jié)的運(yùn)動(dòng)阻力（ f=KV2； f 為阻力、 K為阻力系數(shù)、 V為龍節(jié)的運(yùn)動(dòng) 速度），因此在設(shè)計(jì)中尋求速度與體積的平衡位置來進(jìn)行充氣材料 體積的大小的設(shè)計(jì)。充氣材料包裹在龍節(jié)外部，采用龍節(jié)長度進(jìn)行包裹，以便安裝、維修、調(diào)節(jié)方便。 21 十一、設(shè)計(jì)總結(jié) 在葛老師的耐心指導(dǎo)下，以及各位同學(xué)的討論中，經(jīng)過兩周時(shí)間的設(shè)計(jì)，本課題 基于單片機(jī)民間舞龍的設(shè)計(jì)，本說明書的編寫終于完成。本設(shè)計(jì)雖 然較簡單，但通過這一設(shè)計(jì)實(shí)踐，我感到自己在這方面仍存在許多不足之處，對于本次設(shè)計(jì)，我覺得設(shè)計(jì)程序部分很認(rèn)真，該程序編寫簡單，但可能存在一些錯(cuò)誤，希望指導(dǎo)老師能給我指正。通過此設(shè)計(jì)，使我加深了對機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及有關(guān)課程的知識，提高了綜合運(yùn)用這些知識的能力，并為在今后學(xué)習(xí)