邵陽學院基于單片機的民間舞龍的設計龍騰設計正文.doc

1 一、 前 言 中國文化中，龍有著重要的地位和影響。從距今 7000 多年的新石器時代，先民們對原始龍的圖騰崇拜，到今天人們仍然多以帶有 “ 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、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，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，成為新世紀的中華魂。 二、 舞 龍的 運 動路線 舞龍的運動路線如下面的四幅圖所示 ： 2 3 三、 設計原理 當內外兩側線產生相對的松拉則產生出彎曲變形。 4 四 、結構設計 中國傳統(tǒng)的舞龍采用十人進行操作，其中有九人拿龍的九個支承節(jié)點，一個人拿龍珠。根據(jù)其特性，龍設計為節(jié)，每一節(jié)都能產生獨立的彎曲，各節(jié)的相對彎曲效果就可以完成舞龍的各個要求動作。整條龍的設計不采用任何外部支點，以避免各個支點的相互干涉，影響龍的整體運動。 五 、運動可行性分析 形動路線 盤旋上升路線 字形動路線 形動路線 5 2盤旋上升路線 當龍運動為此螺旋上升式時，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，產生出龍節(jié)的上升位移。 3 8字形路線 6 當每一龍節(jié)的按順序進字形排列時，可以產生出翻騰效果 以上三種運動路線可以包括龍的各個運動要求，進行不同的彎曲組合可以做更多的動作造型?？梢宰龀霈F(xiàn)有舞龍的達不到的多個運動例如：更高層的盤旋上升（現(xiàn)有舞龍 采用疊羅漢式，達到高點進行盤旋，最高二層 7 六 、龍節(jié)設計 彎曲部分采用高強度高韌性的玻璃纖維做為基本骨架進行彎曲，四側用柔性線進行牽拉 2 傳動部分微型伺服型電機控制，通過兩組線圈繞架進行柔性線的收放 3 固定架采用中心軸作為固定架，以減少結構，減輕重量 七、 龍節(jié)整體結構圖 玻璃纖維 伺 服電機 進線保持架 控線板 控線架 繞線槽組 中心軸 8 零件圖 -繞線槽組 9 零件圖 - 進線保持架 零件圖 - 控線板 10 零件圖 - 控線架 零件圖 - 中心軸 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動軸 又是整個龍節(jié)的保持架 .起到雙重 作用 ,減化裝置 ,減輕重量 . 11 八 、控制系統(tǒng) 1單元龍節(jié)采用雙伺服電機控制其四方位的柔性線的拉伸 . 2由單片機輸入運動程序通過遙控器對每單元龍節(jié)的兩電機進行控制 . 九 、電機控制 1 由于兩電機控制一龍節(jié)四個彎曲方向。當單電機控制時，電機控制收放線的長度就可以控制玻璃纖維的單向彎曲。 2 由兩電機控制時，兩電機按一定周期進行往返收放時，玻璃纖維可以產生出旋轉彎曲的效果，在往返 周期內控制線收放長度，就可以控制在旋轉彎曲時的彎曲幅度。 3 對電機電流進行程序化控制時，就可以按預先程序進行運動。 4開環(huán) PWM直流電機調速系統(tǒng)的設計 根據(jù)需要，本系統(tǒng)所設計的調速系統(tǒng)如圖（ 3）所示，由 5 部分組成：轉速給定部分由人工通過輸入設備根據(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)生器由單片機根據(jù)給定值 N 產生滿足占空比 D 要求的脈沖序列，控制直流電動機的電樞電壓，經過引腳 P3.4 輸出給驅動器；驅動器由運算放大器組成，有隔離作用，以防止 12 電機或者高電壓信號進入單片機而燒毀單片機；電 子開關用來接通或斷開電機電樞的供電電源 VCC，使用三極管，也可使用晶閘管等功率器件；最后的執(zhí)行機構為直流電機，又來帶動被控對象，如數(shù)控機床的伺服電機等。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 民間舞龍的電機控制電路的原理圖 圖 7為一個舞龍設計的部分電路圖，通過 2 個 I/O接口控制一臺電機的正反轉。 圖 2.5 舞龍設計的電路圖 圖 2.5 中， 引腳 P2.0、 P2.1 經三態(tài)門 74LS125 和反向驅動器 7406 控制 4個光電隔離器和 4 個大功率場效應管 IRF-640。 當 P2.1=1， P2.0=0）時，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開關管 IRF 640（ SW2）導通。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)光并導通，因而使 SW3 導通。由同樣分析，此時輸出為高電平和 SW1、 SW4 是關斷的。因此，電流從右至左流過直流電動機，使電動機正轉。當 P2.1 和 P2.0端口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 SW2 SW1 SW3 13 輸出為 01H控制模型時，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關斷，電流由右向左流過電動機，是電動機反轉。 同理可 推導 出剎車及滑行時模型分別為 03H， 00H。 圖 2.6多機通信的電路圖 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； TXD TXD TXD TXD RXD RXD RXD RXD 89AT51 0# 89AT51 89AT51 1# 89AT51 2# 上位機 14 ACALL DELAY； JNB TF0 $； CLR TF0； JBC F0， ELSE； SETB P3.5； MOV THO ， #FCH； MOV TL0 ， #18H； JNB F0 ,$+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； 15 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 DJNZ R1， DL2； 雙周期指令 RET； 雙周期指令 /該延時子程序執(zhí)行的機器周期為 1+1+（ 1+1+2） *24+2*10+2=993 程序說明： 單片機內部的一個定時器 /計數(shù)器，按定時器方式工作，最長延時時間只有 60ms 左右（在 12MHz 晶振條件下）。上面的程序是通過使定時器 /計數(shù)器0 工作 于方式 0 的定時器方式，達到 1ms 延時；定時器 /計數(shù)器 1 工作于方式 1的計數(shù)器方式，設定為計數(shù) 1000次 或 2000 次 ，而每次定時器 /計數(shù)器 0時間到、溢出時將發(fā)給它一個計數(shù)脈沖。這樣兩個定時器 /計數(shù)器串接使用的結果：1ms*1000=1s，可得到電機正轉 1min， 1ms*2000=2s，可得到電機反轉 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。它能將強電回路和 MCU隔離開，有效地抑制干擾信號進入 MCU。 光電耦合器的內部包括發(fā)光部分和受光部分，組裝在一個密封 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生電流， CE導通，反之， CE截止。 受光器件有光敏二極管、光敏三極管、達林頓光敏三極管、光敏集成電路和光敏晶閘管等。達林頓光敏三極管的電流傳輸比大，但輸出部分飽和壓降大，響應時間長。 16 圖示為當一位電機保持所控兩柔性線松拉狀態(tài)相同時，另一位電機所控兩柔性線松拉狀態(tài)不同時，玻璃纖維的彎曲狀態(tài)。當兩電機進行往返操作 時，產生出旋轉效果。這也就可以產生出一龍節(jié)與相鄰龍節(jié)的角度變化。 17 如圖示：兩電機都運動到收線長度最大時，彎曲狀態(tài)。 龍節(jié)實體圖 18 龍節(jié)單電機操作時，龍節(jié)的彎曲情況如圖 當電機繼續(xù)進行收線時，曲率繼續(xù)增大，另一 電機收線時到一定位置時可形成彈簧狀彎曲。 控線架按照一定的間距沿玻璃纖維排列 19 十 、無支點騰空設計 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 進行騰空。 2電機采用小伺服電機，重量輕，體積小。其它各部件采用輕質材料。因此龍完全可以實現(xiàn)空中懸浮態(tài)，加上龍節(jié)運動實現(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，使龍肚部位始終朝下。 整體龍要實現(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、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)運動過程中由于采用了氦氣懸浮，則要考慮到其空氣對 龍節(jié)的運動阻力（ f=KV2； f為阻力、 K 為阻力系數(shù)、 V為龍節(jié)的運動 速度），因此在設計中尋求速度與體積的平衡位置來進行充氣材料 體積的大小的設計。充氣材料包裹在龍節(jié)外部，采用龍節(jié)長度進行包裹，以便安裝、維修、調節(jié)方便。 20 十一、 設 計總結 在葛老師的耐心指導下，以及各位同學的討論中，經過兩周時間的設計，本課題 基于單片機民間舞龍 的設計，本說明書的編寫終于完成。本設計雖然較簡單，但通過這一設計實踐，我感到自己在這方面仍存在許多不足之處，對于本次設計，我覺得設計程序部分很認真，該程序 編寫 簡單， 但可能存在一些錯誤， 希望指導老師能 給我 指正。通過此設計，使我加深了對機電一體化設計基礎及有關課程的知識，提高了綜合運用這些知識的能力，并為在今后學習本專業(yè)打下了必須的基礎