基于單片機(jī)控制的智能螺旋丸設(shè)計

李曉帥 郝潤生 楊海祺 孟沖

摘要：針對目前動漫產(chǎn)業(yè)中Cosplay裝備做工和還原度偏低的問題，設(shè)計了一種基于單片機(jī)控制的螺旋丸裝置。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，通過超聲波傳感器檢測手勢的距離，單片機(jī)根據(jù)距離的大小，輸出占空比變化的PWM波，通過L293D控制直流電機(jī)驅(qū)動一個球體中的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以變化的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)LED燈光的亮度。旋轉(zhuǎn)體則由兩個相互垂直且有一定差速的旋轉(zhuǎn)軸并內(nèi)嵌有數(shù)個LED及光導(dǎo)纖維組成。通過旋轉(zhuǎn)變化，能再現(xiàn)人氣動漫中火影忍者“螺旋丸”的效果。

關(guān)鍵詞：Cosplay;螺旋丸;超聲波傳感器

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0010-03

0 引言

Cosplay（Costume play）是指利用服裝、飾品、道具和化妝等手段來扮演動漫、游戲中人物角色的一種表演藝術(shù)行為[1]，作為一種新的文化領(lǐng)域頗受年輕人的喜愛。在動漫產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，動漫產(chǎn)業(yè)的衍生產(chǎn)業(yè)—Cosplay產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在很多動漫展會、同人展會、Cosplay舞臺劇中，都會用到Cosplay道具。但國內(nèi)市場上Cosplay道具的做工和還原度普遍偏低，缺乏技術(shù)和創(chuàng)新。設(shè)計一款還原度高、視覺效果好的Cosplay道具成為市場的迫切需求。

螺旋丸是動漫《火影忍者》中最重要的也是最為常見的忍術(shù)之一，作為主角旋渦鳴人最常使用的忍術(shù)，螺旋丸也有很多種形態(tài)的變化。借鑒該動漫中的螺旋丸效果，本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)控制的智能“螺旋丸”。其主要功能如下：由單片機(jī)控制一個直流電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)機(jī)械機(jī)構(gòu)則帶動球體內(nèi)的數(shù)十個發(fā)光單元同時旋轉(zhuǎn)，利用人眼的視覺暫留原理，旋轉(zhuǎn)過程會產(chǎn)生數(shù)十條動態(tài)螺旋線，構(gòu)成一個螺旋發(fā)光球體。它可以根據(jù)手勢的遠(yuǎn)近自動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的速度和發(fā)光的亮度，形成不同的旋轉(zhuǎn)變化，最大程度地再現(xiàn)了動漫中的螺旋丸效果。

1 螺旋丸結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺旋丸的外形是一個透明球體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在球形外殼的內(nèi)部，分別設(shè)置有相互垂直的一個長軸和一個短軸，長軸的一端延伸至球形外殼外與一個直流電機(jī)相連，另一端通過連接件與短軸固定連接，短軸的兩端分別固定連接有發(fā)光單元。發(fā)光單元由若干個發(fā)光二極管和光導(dǎo)纖維組成，每個發(fā)光二極管的頭部與光導(dǎo)纖維連接。當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，照射光導(dǎo)纖維的一端，實(shí)現(xiàn)光導(dǎo)纖維的另一端發(fā)光。

長軸和短軸上都安裝有齒輪，通過齒輪的嚙合，長軸將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)傳動給短軸，短軸帶動發(fā)光單元旋轉(zhuǎn)發(fā)光。齒輪傳動示意圖如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計以STC89C52單片機(jī)作為螺旋丸的控制器，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包括四個模塊，上電復(fù)位模塊、晶振模塊、超聲波檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。超聲波檢測模塊將檢測的手勢距離傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)距離的大小產(chǎn)生PWM波，分別對電機(jī)驅(qū)動模塊和燈光控制模塊發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和燈光的亮度，進(jìn)而形成旋轉(zhuǎn)變化的螺旋丸效果。

2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路由STC89C52單片機(jī)、晶振電路、上電復(fù)位電路、電源電路等組成[2]。STC89C52單片機(jī)是整個設(shè)計的控制核心。它具有低功耗、高性能等特點(diǎn)，其運(yùn)行速度相對來說中等，但足以滿足需求。該控制器更適合開發(fā)試驗(yàn)，性價比高，并且與MCS-51完全兼容。

2.2 超聲波檢測模塊

通過超聲波檢測模塊檢測手勢的距離，并根據(jù)距離的大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)LED光的亮度，進(jìn)而獲得不同旋轉(zhuǎn)變化的燈光效果。與激光測距、微波測距相比，超聲波測量距離技術(shù)成本低、比較容易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)也相對簡單。

超聲波模塊選用HC-SR04[2]，它可提供2～400cm的測量范圍。模塊由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及控制電路三部分組成。超聲波測距就是利用其反射特性，超聲波的發(fā)射是通過工作頻率為40kHz的多諧振蕩器電路實(shí)現(xiàn)的。測量時，單片機(jī)控制超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波，超聲波傳播后遇到障礙物反射回反射波;接收傳感器將接收到的反射波信號通過壓電轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)放大電路放大以及濾波電路處理后，轉(zhuǎn)換成方波信號，方波信號再經(jīng)單片機(jī)處理后得到測量的距離。

HC-SR04共有4個引腳，分別為VCC、GND、TRIG和ECHO。在設(shè)計中，I/O口P2.1接TRIG引腳，P2.0接ECHO引腳。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

螺旋丸的旋轉(zhuǎn)部分采用直流電機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，不僅調(diào)速性能好、范圍廣，而且操作方便，可以承受持續(xù)的沖擊，能達(dá)到快速啟動、制動的目的。驅(qū)動芯片采用L293D，它屬于H橋集成電路，連續(xù)輸出電流0.6A，最高工作電壓36V，可以驅(qū)動感性負(fù)載。L293D的輸入端可以與單片機(jī)直接相連，當(dāng)驅(qū)動小型直流電機(jī)時，可以直接控制兩路電機(jī)。

由于螺旋丸只有一個直流電機(jī)，所以在設(shè)計中，只使用了L293D驅(qū)動芯片的一組輸入/輸出。單片機(jī)I/O口的P1.2連接IN1，P1.2引腳輸出PWM波，P1.4接EN1，OUT1和GND分別接直流電機(jī)兩端。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括超聲波檢測模塊是否檢測到手勢進(jìn)入控制范圍（根據(jù)動漫中道具的使用特點(diǎn)，設(shè)定距離為40cm）、對手勢的距離進(jìn)行測量、輸出PWM波控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和LED的發(fā)光亮度。

軟件設(shè)計流程如圖4所示。

當(dāng)程序初始化后，先調(diào)用手勢檢測子程序，由超聲波模塊檢測手勢的距離，根據(jù)手勢的距離通過輸出PWM波來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和LED燈光的亮度。如果手勢距離小于40cm，且距離是由遠(yuǎn)及近，則增加PWM的占空比，控制節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升和LED燈光的亮度增加。反之，距離是由近及遠(yuǎn)，則減小PWM的占空比，控制節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降和降低LED燈光的亮度。

通過脈寬寬度調(diào)制（PWM）方式，控制直流電機(jī)調(diào)速和LED燈光的亮度。采用此方法控制直流電機(jī)調(diào)速可以減少熱損耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)字控制，降低成本。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式控制燈光的亮度。PWM調(diào)光的工作原理則是利用脈寬調(diào)制信號反復(fù)開關(guān)LED，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED的平均電流[3]。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)發(fā)光裝置，設(shè)計了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。該裝置由直流電機(jī)驅(qū)動一個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動若干發(fā)光單元旋轉(zhuǎn)發(fā)光，其中部分連接件采用3D打印技術(shù)完成。它能夠根據(jù)手勢的距離，自動啟動、停止以及調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的速度和發(fā)光單元的亮度。該裝置在旋轉(zhuǎn)過程會產(chǎn)生數(shù)十條動態(tài)螺旋線，構(gòu)成一個螺旋發(fā)光球體，呈現(xiàn)了人氣動漫《火影忍者》中螺旋丸的效果。如果在此基礎(chǔ)上增加藍(lán)牙模塊或WiFi模塊[4]，則能夠?qū)崿F(xiàn)更加智能化的控制。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王寧，王巍，牛萍娟.手勢控制的LED變形燈設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（2）：24-28.

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