室內(nèi)攀巖機(jī)控制設(shè)計(jì)

劉珈利 王萬新

摘要：通過對(duì)室內(nèi)攀巖機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析，給出了攀巖機(jī)控制系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了液晶顯示、按鍵輸入、語音輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外檢測(cè)及巖壁限位等模塊的硬件電路，利用單片機(jī)控制攀巖壁的機(jī)械安裝角度和攀巖面的運(yùn)動(dòng)速度，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的難易程度，適應(yīng)不同的使用群體，讓室內(nèi)攀巖成為了可能。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)攀巖機(jī)； 人工巖壁； 攀爬； 極限運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Control design of indoor rock climbing machine

Liu Jiali，Wang Wanxin

（School of Mechanical and Electronical Engineering， Dezhou University， Dezhou Shandong 253023， China）

Abstract： Through the movement analysis of indoor rock climbing machine， the paper proposes the rock climbing machine control system plan， in which the LCD display， button input， speech output， motor drive， infrared detection and rock limit module hardware circuit. Using single chip micro- computer to control the mechanical installation angle of rock climbing wall and the climbing surface velocity， adjusting the difficulty of movement， the fruits apply to different user groups， so it is possible to realize let indoor rock climbing.

Key words： indoor rock climbing machine； artificial rock； climbing； extreme sports

0 引言

受地理環(huán)境和參與者自身?xiàng)l件等客觀因素制約，攀巖運(yùn)動(dòng)雖然受到一些年輕人的熱誠追捧，但卻一直并未形成普及態(tài)勢(shì)[1]，而室內(nèi)攀巖設(shè)施卻因?yàn)榭臻g限制且所需投資巨大，迄今仍遠(yuǎn)不能滿足大多數(shù)人的現(xiàn)實(shí)需求。在經(jīng)過對(duì)攀巖運(yùn)動(dòng)的詳盡分析后，研究開發(fā)了一款類似于跑步機(jī)的室內(nèi)攀巖機(jī)，將原本固定的攀巖壁設(shè)計(jì)為往復(fù)循環(huán)的攀巖面，人在向上攀爬的同時(shí)巖面下降，解決了空間制約問題；通過攀巖壁傾斜角度的調(diào)整，模擬了自然環(huán)境下不同難度的攀巖路線；而且利用單片機(jī)控制攀巖面的運(yùn)動(dòng)速度，調(diào)節(jié)攀爬運(yùn)動(dòng)節(jié)奏，適應(yīng)于不同使用者，使攀巖運(yùn)動(dòng)進(jìn)入家庭成為了可能。

1 攀巖機(jī)結(jié)構(gòu)分析

室內(nèi)攀巖機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，攀巖機(jī)的巖面由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)同步帶驅(qū)動(dòng)往復(fù)循環(huán)，即人在巖面上向上爬行的同時(shí)，巖面不斷下降，攀爬過的巖面循環(huán)使用，這樣解決了室內(nèi)空間受限問題，使室內(nèi)攀巖的可行性大幅提升。攀巖壁傾斜角度由電動(dòng)機(jī)通過螺旋機(jī)構(gòu)和滑塊搖桿機(jī)構(gòu)控制，改變傾斜角度來模擬不同難度的攀巖路線。通過單片機(jī)控制攀巖面運(yùn)動(dòng)速度改變攀爬節(jié)奏，增大了運(yùn)動(dòng)的挑戰(zhàn)性和刺激性。

安全設(shè)計(jì)方面，首先攀巖機(jī)的高度有限，危險(xiǎn)性降低。其次，巖面運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)具有上電鎖緊特性，不會(huì)出現(xiàn)攀巖面因攀巖者重力作用下降的問題，改良了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。最后，采用直流電機(jī)驅(qū)控螺旋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊平移，通過滑塊搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)巖壁角度調(diào)整，螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)不可逆特點(diǎn)，保證了巖壁角度在意外斷電情況下的穩(wěn)定性。

2 攀巖機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

室內(nèi)攀巖機(jī)的控制系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括：單片機(jī)控制核心、液晶顯示、按鍵輸入、語音輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外檢測(cè)及巖壁限位檢測(cè)等功能模塊。攀巖機(jī)工作模式規(guī)劃、并標(biāo)命為4種：初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)和自由練習(xí)，模式不同對(duì)應(yīng)巖面移動(dòng)速度和攀爬時(shí)間也隨即不同。其中，自由練習(xí)模式為攀巖面移動(dòng)速度和練習(xí)時(shí)間由使用者自行調(diào)控及設(shè)定。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選擇

單片機(jī)控制核心采用STC89C52RC單片機(jī)，引腳如圖3所示。該單片機(jī)具有4個(gè)外部中斷、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)串口中斷源，還有32個(gè)通用I/O口，能夠滿足系統(tǒng)的要求[2]。P0 口是漏極開路輸出，作為I/O口用時(shí)，需添加上拉電阻。通過串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）還可直接下載用戶程序，因而無需專用編程器。

3.2按鍵及檢測(cè)信號(hào)輸入設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共設(shè)計(jì)9個(gè)輸入按鍵，分別用于系統(tǒng)的運(yùn)行“開始”、“停止”、“模式選擇”、自由模式下“時(shí)間+”、“時(shí)間-”、“速度+”、“速度-”，以及控制巖壁面傾斜角度的“角度+”、“角度-”等操作。為了節(jié)約端口資源，采用矩陣鍵盤[3]，接P3.2～P3.7（如圖4所示）。在攀巖壁的上、中、下3個(gè)位置設(shè)有3對(duì)紅外檢測(cè)裝置，檢測(cè)攀巖機(jī)上是否有攀巖者以及測(cè)定攀巖者的實(shí)時(shí)位置；在巖壁面傾斜的最大、最小極限位置設(shè)計(jì)2個(gè)限位開關(guān)，檢測(cè)信號(hào)接單片機(jī)的P1.3～P1.7。

3.3 液晶顯示設(shè)計(jì)

系統(tǒng)顯示模塊采用帶中文字庫的12864液晶屏，每屏可顯示4行8列、共32個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字，字符顯示RAM在液晶模塊中的地址為80H～9FH[4]。字符顯示RAM的地址與32個(gè)字符顯示區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，行首地址分別為80H、90H、88H、98H。12864液晶顯示接口有串、并行2種數(shù)據(jù)傳送方式，PSB管腳低電平為串行驅(qū)動(dòng)，高電平為并行驅(qū)動(dòng)。并行時(shí)：8位數(shù)據(jù)線DB0-DB7、3位控制線RS、R/W、E。串行時(shí)：I2C接口SCLK，SDA。并行方式占用I/O 較多，但速度較快。本次研發(fā)采用了并行方式，即如圖5所示。數(shù)據(jù)線接P0口，上拉電阻取100Ω，控制線接P1.0～P1.2。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

用于改變巖壁傾角的直流電機(jī)采用LM298芯片驅(qū)動(dòng)，LM298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可用于驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（諸如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機(jī)），驅(qū)動(dòng)能力大，工作電壓可高達(dá)46V，總DC電流達(dá)4A，一個(gè)LM298可驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)或2個(gè)直流電機(jī)[5]。

驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，二極管D1～D4單向?qū)ǎ峁?duì)直流電動(dòng)機(jī)的保護(hù)作用。LM298芯片供電電壓為直流5V，而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)供電電壓為直流12V，相應(yīng)地各自分別對(duì)接LM298芯片9號(hào)VSS和4號(hào)VS引腳?？刂菩盘?hào)輸入端則接單片機(jī)P2.3～P2.4。而且，IN1為“1”、IN2為“0”時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，IN1為“0”、IN2為“1”時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

巖面移動(dòng)采用57步進(jìn)電機(jī)、TB6600步進(jìn)電機(jī)專業(yè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)是一款設(shè)計(jì)成熟的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。通過撥碼開關(guān)可以驚喜選擇操縱控制脈沖和驅(qū)動(dòng)電流，適合驅(qū)動(dòng)86、57、42、39型兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)。輸入信號(hào)共有3路：

1）步進(jìn)脈沖信號(hào)PUL+，PUL-；

2）方向電平信號(hào)DIR+，DIR-；

3）脫機(jī)信號(hào)EN+，EN-。輸入信號(hào)接線有共陽極接法和共陰極接法2種，其中的共陽極接法如圖7所示。由圖7可見，分別將PUL+，DIR+，EN+連接到控制系統(tǒng)的電源上，如果此電源是+5V 則可直接接入，如果此電源大于+5V，則須外部另加限流。芯片VCC接24V，EN端可不接，EN有效時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)），這時(shí)可以手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸，做適當(dāng)調(diào)節(jié)。PUL-、DIR-、EN-分別接P2.5～P2.7。

圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖8 放音電路設(shè)計(jì)

Fig.7 Drive circuit of stepper motor Fig.8 Audio circuit design

3.5 語音輸出模塊

語音播報(bào)模塊采用YF017語音芯片，用于在系統(tǒng)運(yùn)行中輸出智能語音提示，如圖8所示。YF017系列語音芯片一共有3個(gè)I/O口，接單片機(jī)P2.0～P2.2。語音芯片設(shè)有內(nèi)置電阻，外圍只需要一個(gè)104電容就可穩(wěn)定工作，產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：工作電壓范圍更寬（2.2～6V）；且可通過單片機(jī)最少一個(gè)I/O口，即可控制多達(dá)32段內(nèi)置聲音的任意調(diào)用與組合。工作時(shí)，各I/O 的作用可做如下概述：

1）BUSY。需要播報(bào)聲音時(shí)，芯片輸出0；在停止工作或者待機(jī)時(shí)，輸出1。

2）DATA。 接收控制脈沖引腳；根據(jù)收到的脈沖數(shù)量，就對(duì)應(yīng)播放與其關(guān)聯(lián)地址中的語音內(nèi)容。

3）RST。為0時(shí)芯片進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，即收到一個(gè)脈沖后，芯片的播放指針歸零。

4 軟件控制流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先開啟初始化設(shè)置，而后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式選擇，選擇確定后將根據(jù)所選模式控制攀巖機(jī)進(jìn)入工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件控制流程圖

Fig.9 Flow chart of software control

5 結(jié)束語

相對(duì)于野外攀巖，室內(nèi)攀巖機(jī)采用單片機(jī)控制，具有液晶顯示、語音輸出等功能，攀巖壁的傾斜角度和攀巖面的運(yùn)動(dòng)速度調(diào)整方便，安全性提高、趣味性增強(qiáng)、適應(yīng)人群更廣。且設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，占地空間更小，投資成本降低，受環(huán)境限制也相應(yīng)減少，便于在更大范圍內(nèi)共享推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘紫妍，呂金輝. 把攀巖運(yùn)動(dòng)帶回家[J]. 科學(xué)24小時(shí)，2013（6）：34-35.

[2] 樊澤明，梁振濤，馬龍.一種基于單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（2）：69-73.

[3] 過 磊. 基于AT89S52的多功能循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014（11）：83-87.

[4] 李香宇，王萌，周旻，等. 基于AT89S52單片機(jī)的民用地震報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù)，201636（4）：33-36.

[5] 周惠忠，馬梅，楊永廣，等. 光電式智能盲人導(dǎo)航器的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)，2014（5）：41-44.