单片机控制的民间舞龙设计论文

1 一、前 言 . 1 二、舞龙的运动路线 . 2 三、 设计原理 . 4 四、结构设计 . 4 五、运动可行性分析 . 5 六、龙节设计 . 7 七、龙节整体结构图 . 7 八、控制系统 .11 九、电机控制 . 12 十、无支点腾空设计 . 20 十一、设计总结 . 21 十二、参 考 文 献 . 21 一、前 言 中国文化中，龙有着重要的地位和影响。从距今 7000 多年的新石器时代，先民们对原始龙的图腾崇拜，到今天人们仍然多以带有 “ 龙 ” 字的成语或典故来形容生活中的美好事物。 上下数千年，龙已渗透了中国社会的各个方面，成为一种文化的凝聚和积淀。龙成了中国的象征、中华民族的象征、中国文化的象征。对每一个炎黄子孙来说，龙的形象是一种符号、一种意绪、一种血肉相联的情感！ “ 龙的子孙 ” 、 “ 龙的传人 ” 这些称谓，常令我们激动、奋发、自豪。龙的文化除了在中华大地上传播承继外，还被远渡海外的华人带到了世界各地，在世界各国的华人居住区或中国城内，最多和最引人注目的饰物仍然是龙。因而， “ 龙的传人 ” 、 “ 龙的国度 ”也获得了世界的认同。 龙，集日月之精华，汇天地之灵气，具百兽之形，兼包容四海 、吐纳百川之胸襟。在这新的时代，被赋予了新的生命。它将不仅是中华民族的象征，它还将代表中华民族的精神，成为新世纪的中华魂。 2 二、舞龙的运动路线 舞龙的运动路线如下面的四幅图所示 ： 3 4 三、 设计原理 当内外两侧线产生相对的松拉则产生出弯曲变形。 四、结构设计 中国传统的舞龙采用十人进行操作，其中有九人拿龙的九个支承节点，一个人拿龙珠。根据其特性，龙设计为节，每一节都能产生独立的弯曲，各节的相对弯曲效果就可以完成舞龙的各个要求动作。整条龙的设计不采 用任何外部支点，以避免各个支点的相互干涉，影响龙的整体运动。 5 五、运动可行性分析 形动路线 盘旋上升路线 字形动路线 形动路线 2盘旋上升路线 当龙运动为此螺旋上升式时，在最小径处弯曲幅度最大。在大径处同步径幅度小。 每一龙节的弯曲为平面圆弧。分别与相邻的龙节圆弧平面有一定夹角，产生出龙节的上升位移。 6 3 8 字形路线 当每一龙节的按顺序进字形排列时，可以产生出翻腾效果 以上三种运动路线可以包括龙的各个运动要求，进行不同的弯曲组合可以做更多的动作造型。可以做 出现有舞龙的达不到的多个运动例如：更高层的盘旋上升（现有舞龙采用叠罗汉式，达到高点进行盘旋，最高二层 7 六、龙节设计 弯曲部分采用高强度高韧性的玻璃纤维做为基本骨架进行弯曲，四侧用柔性线进行牵拉 2 传动部分微型伺服型电机控制，通过两组线圈绕架进行柔性线的收放 3 固定架采用中心轴作为固定架，以减少结构，减轻重量 七、龙节整体结构图 8 零件图 -绕线槽组 玻璃纤维 伺服电机 进线保持架 控线板 控线架 绕线槽组 中心轴 9 零件图 - 进线保持架 10 零 件图 - 控线板 零件图 - 控线架 零件图 - 中心轴 11 八、控制系统 1单元龙节采用双伺服电机控制其四方位的柔性线的拉伸 . 2由单片机输入运动程序通过遥控器对每单元龙节的两电机进行控制 . 玻璃纤维安装孔 绕线槽组隔离轴肩 螺纹 绕线槽组安装区 注 :中心轴既是绕线槽组的转动轴 又是整 个龙节的保持架 .起到双重 作用 ,减化装置 ,减轻重量 . 12 九、电机控制 1 由于两电机控制一龙节四个弯曲方向。当单电机控制时，电机控制收放线的长度就可以控制玻璃纤维的单向弯曲。 2 由两电机控制时，两电机按一定周期进行往返收放时，玻璃纤维可以产生出旋转弯曲的效果，在往 返周期内控制线收放长度，就可以控制在旋转弯曲时的弯曲幅度。 3 对电机电流进行程序化控制时，就可以按预先程序进行运动。 4开环 PWM 直流电机调速系统的设计 根据需要，本系统所设计的调速系统如图（ 3）所示，由 5 部分组成：转速给定部分由人工通过输入设备根据系统的要求由 P1 口输入，也就是输入上面所提到的给定值 N；脉冲宽度发生器由单片机根据给定值 N 产生满足占空比 D 要求的脉冲序列，控制直流电动机的电枢电压，经过引脚 P3.4 输出给驱动器；驱动器由运算放大器组成，有隔离作用，以防止电机或者高电压信号进入单片机而烧毁单片机； 电子开关用来接通或断开电机电枢的供电电源 VCC，使用三极管，也可使用晶闸管等功率器件；最后的执行机构为直流电机，又来带动被控对象，如数控机床的伺服电机等。图中的 2732 为 4KB 的程序存储器，地址空间为0000H0FFFH， P0 口为片外程序存储器的地址 /数据口， P2 为其高 8 位地址口。 5民间舞龙的电机控制电路的原理图 13 图 7为一个舞龙设计的部分电路图，通过 2 个 I/O 接口控制一台电机的正反转。 图 2.5 舞龙设计的电路图 图 2.5 中， 引脚 P2.0、 P2.1 经三态门 74LS125 和反向驱动器 7406 控制 4个光电隔离器和 4个大功率场效应管 IRF-640。 当 P2.1=1， P2.0=0）时，由于锁存器 74LS125 中三态门 2 是打开的，所以光电隔离器 LEI2 导通并发光，光敏三极管输出为高电平，因而使大功率场效应开关管 IRF 640（ SW2）导通。同理， 74LS125 三态门 4 输出为 “0” ，使得 三态门 3 的控制端口也为 “0” 电平，因此，三态门 3打开，使光电隔离器 LEI3发光并导通，因而使 SW3 导通。由同样分析，此时输出为高电平和 SW1、 SW4 是关断的。因此，电流从右至左流过直流电动机，使电动机正转。当 P2.1 和 P2.0 端口输出为 01H 控制模型时，锁存器 74LS125 中的三态门 1.三态门 4输出 “1” ，使得 SW1和 SW4接通， SW2和 SW3关断，电流由右向左流过电动机，是电动机反转。 同理可 推导 出刹车及滑行时模型分别为 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# 上位机 SW2 SW1 SW3 14 图 2.6 多机通信的电路图 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； 单周期指令 DL2： MOV R2， #18H； 单周期指令 DL1： NOP； 单周期 指令 NOP； 单周期指令 DJNZ R2， DL1； 双周期指令 16 DJNZ R1， DL2； 双周期指令 RET； 双周期指令 /该延时子程序执行的机器周期为 1+1+（ 1+1+2） *24+2*10+2=993 程序说明：单片机内部的一个定时器 /计数器，按定时器方式工作，最长延时时间只有 60ms 左右（在 12MHz 晶振条件下）。上面的程序是通过使定时器 /计数器0 工作于方式 0 的定时器方式，达到 1ms 延时 ；定时器 /计数器 1 工作于方式 1的计数器方式，设定为计数 1000 次或 2000 次，而每次定时器 /计数器 0 时间到、溢出时将发给它一个计数脉冲。这样两个定时器 /计数器串接使用的结果：1ms*1000=1s，可得到电机正转 1min， 1ms*2000=2s，可得到电机反转 2min。 光电隔离 光电耦合是由发光器件和受光器件组成一体的光耦合器件的总称。它能将强电回路和 MCU 隔离开，有效地抑制干扰信号进入 MCU。 光电耦合器的内部包括发光部分和受光部分，组装在一个密封的管壳中。发光部分为发光二极管，作为 输入端，受光部分为光敏元件，作为输出端。当输入端加上电信号，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流， CE导通，反之， CE 截止。 受光器件有光敏二极管、光敏三极管、达林顿光敏三极管、光敏集成电路和光敏晶闸管等。达林顿光敏三极管的电流传输比大，但输出部分饱和压降大，响应时间长。 17 图示为当一位电机保持所控两柔性线松拉状态相同时，另一位电机所控两柔性线松拉状态不同时，玻璃纤维的弯曲状态。当两电机进行往返操作时，产生出旋转效果。这也就可以产生出一龙节与相邻龙节的角度变化。 18 如图示：两电机都运 动到收线长度最大时，弯曲状态。 龙节实体图 19 龙节单电机操作时，龙节的弯曲情况如图 当电机继续进行收线时，曲率继续增大，另一 电机收线时到一定位置时可形成弹簧状弯曲。 控线架按照一定的间距沿玻璃纤维排列 20 十、无支点腾空设计 1利用浮力使龙腾空。根据每一龙节的重量，利用浮力 =G 进行腾空。 2电机采用小伺服电机，重量轻，体积小。其它各部件采用轻质材料。因此龙完全可以实现空中悬浮态，加上龙节运动实现飞舞状态。 3龙节安装统一安装在氢气气囊某一侧，使龙肚部位始终朝下。 整体龙要实现悬浮状态，就要使浮力与重力相等，其中重力要 考虑到龙节、单片机、直流电源（ 或干电池）、以及龙节充气材料的重量等。 在龙节运动过程中由于采用了氦气悬浮，则要考虑到其空气对 龙节的运动阻力（ f=KV2； f 为阻力、 K为阻力系数、 V为龙节的运动 速度），因此在设计中寻求速度与体积的平衡位置来进行充气材料 体积的大小的设计。充气材料包裹在龙节外部，采用龙节长度进行包裹，以便安装、维修、调节方便。 21 十一、设计总结 在葛老师的耐心指导下，以及各位同学的讨论中，经过两周时间的设计，本课题 基于单片机民间舞龙的设计，本说明书的编写终于完成。本设计虽 然较简单，但通过这一设计实践，我感到自己在这方面仍存在许多不足之处，对于本次设计，我觉得设计程序部分很认真，该程序编写简单，但可能存在一些错误，希望指导老师能给我指正。通过此设计，使我加深了对机电一体化设计基础及有关课程的知识，提高了综合运用这些知识的能力，并为在今后学习