室内攀岩机控制设计

2016-11-19刘珈利王万新

智能计算机与应用 2016年5期

刘珈利王万新

摘要：通过对室内攀岩机的运动分析，给出了攀岩机控制系统方案，设计了液晶显示、按键输入、语音输出、电机驱动、红外检测及岩壁限位等模块的硬件电路，利用单片机控制攀岩壁的机械安装角度和攀岩面的运动速度，调节运动的难易程度，适应不同的使用群体，让室内攀岩成为了可能。

关键词：室内攀岩机；人工岩壁；攀爬；极限运动

中图分类号：G712 文献标识码：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

受地理环境和参与者自身条件等客观因素制约，攀岩运动虽然受到一些年轻人的热诚追捧，但却一直并未形成普及态势[1]，而室内攀岩设施却因为空间限制且所需投资巨大，迄今仍远不能满足大多数人的现实需求。在经过对攀岩运动的详尽分析后，研究开发了一款类似于跑步机的室内攀岩机，将原本固定的攀岩壁设计为往复循环的攀岩面，人在向上攀爬的同时岩面下降，解决了空间制约问题；通过攀岩壁倾斜角度的调整，模拟了自然环境下不同难度的攀岩路线；而且利用单片机控制攀岩面的运动速度，调节攀爬运动节奏，适应于不同使用者，使攀岩运动进入家庭成为了可能。

1 攀岩机结构分析

室内攀岩机结构如图1所示，攀岩机的岩面由步进电机经同步带驱动往复循环，即人在岩面上向上爬行的同时，岩面不断下降，攀爬过的岩面循环使用，这样解决了室内空间受限问题，使室内攀岩的可行性大幅提升。攀岩壁倾斜角度由电动机通过螺旋机构和滑块摇杆机构控制，改变倾斜角度来模拟不同难度的攀岩路线。通过单片机控制攀岩面运动速度改变攀爬节奏，增大了运动的挑战性和刺激性。

安全设计方面，首先攀岩机的高度有限，危险性降低。其次，岩面运动由步进电动机通过同步带驱动，步进电机具有上电锁紧特性，不会出现攀岩面因攀岩者重力作用下降的问题，改良了运动稳定性。最后，采用直流电机驱控螺旋机构带动滑块平移，通过滑块摇杆机构来实现岩壁角度调整，螺旋传动结构具有运动不可逆特点，保证了岩壁角度在意外断电情况下的稳定性。

2 攀岩机控制系统总体方案

室内攀岩机的控制系统组成如图2所示，主要包括：单片机控制核心、液晶显示、按键输入、语音输出、电机驱动、红外检测及岩壁限位检测等功能模块。攀岩机工作模式规划、并标命为4种：初级、中级、高级和自由练习，模式不同对应岩面移动速度和攀爬时间也随即不同。其中，自由练习模式为攀岩面移动速度和练习时间由使用者自行调控及设定。

3 系统硬件设计

3.1 单片机选择

单片机控制核心采用STC89C52RC单片机，引脚如图3所示。该单片机具有4个外部中断、3个定时器/计数器，1个串口中断源，还有32个通用I/O口，能够满足系统的要求[2]。P0 口是漏极开路输出，作为I/O口用时，需添加上拉电阻。通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）还可直接下载用户程序，因而无需专用编程器。

3.2按键及检测信号输入设计

系统共设计9个输入按键，分别用于系统的运行“开始”、“停止”、“模式选择”、自由模式下“时间+”、“时间-”、“速度+”、“速度-”，以及控制岩壁面倾斜角度的“角度+”、“角度-”等操作。为了节约端口资源，采用矩阵键盘[3]，接P3.2～P3.7（如图4所示）。在攀岩壁的上、中、下3个位置设有3对红外检测装置，检测攀岩机上是否有攀岩者以及测定攀岩者的实时位置；在岩壁面倾斜的最大、最小极限位置设计2个限位开关，检测信号接单片机的P1.3～P1.7。

3.3 液晶显示设计

系统显示模块采用带中文字库的12864液晶屏，每屏可显示4行8列、共32个16×16点阵的汉字，字符显示RAM在液晶模块中的地址为80H～9FH[4]。字符显示RAM的地址与32个字符显示区域一一对应，行首地址分别为80H、90H、88H、98H。12864液晶显示接口有串、并行2种数据传送方式，PSB管脚低电平为串行驱动，高电平为并行驱动。并行时：8位数据线DB0-DB7、3位控制线RS、R/W、E。串行时：I2C接口SCLK，SDA。并行方式占用I/O 较多，但速度较快。本次研发采用了并行方式，即如图5所示。数据线接P0口，上拉电阻取100Ω，控制线接P1.0～P1.2。

3.4 电机驱动模块

用于改变岩壁倾角的直流电机采用LM298芯片驱动，LM298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动模块，可用于驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机），驱动能力大，工作电压可高达46V，总DC电流达4A，一个LM298可驱动一个两相步进电机或2个直流电机[5]。

驱动电路如图6所示，二极管D1～D4单向导通，提供对直流电动机的保护作用。LM298芯片供电电压为直流5V，而电动机驱动供电电压为直流12V，相应地各自分别对接LM298芯片9号VSS和4号VS引脚。控制信号输入端则接单片机P2.3～P2.4。而且，IN1为“1”、IN2为“0”时电机正转，IN1为“0”、IN2为“1”时电机反转。

岩面移动采用57步进电机、TB6600步进电机专业驱动器驱动，该驱动是一款设计成熟的两相步进电机驱动器，可实现正反转控制。通过拨码开关可以惊喜选择操纵控制脉冲和驱动电流，适合驱动86、57、42、39型两相、四相混合式步进电机。输入信号共有3路：

1）步进脉冲信号PUL+，PUL-；

2）方向电平信号DIR+，DIR-；

3）脱机信号EN+，EN-。输入信号接线有共阳极接法和共阴极接法2种，其中的共阳极接法如图7所示。由图7可见，分别将PUL+，DIR+，EN+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V 则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流。芯片VCC接24V，EN端可不接，EN有效时电机转子处于自由状态（脱机状态），这时可以手动旋转电机转轴，做适当调节。PUL-、DIR-、EN-分别接P2.5～P2.7。

图7 步进电机驱动电路图8 放音电路设计

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

3.5 语音输出模块

语音播报模块采用YF017语音芯片，用于在系统运行中输出智能语音提示，如图8所示。YF017系列语音芯片一共有3个I/O口，接单片机P2.0～P2.2。语音芯片设有内置电阻，外围只需要一个104电容就可稳定工作，产品优势：工作电压范围更宽（2.2～6V）；且可通过单片机最少一个I/O口，即可控制多达32段内置声音的任意调用与组合。工作时，各I/O 的作用可做如下概述：

1）BUSY。需要播报声音时，芯片输出0；在停止工作或者待机时，输出1。

2）DATA。接收控制脉冲引脚；根据收到的脉冲数量，就对应播放与其关联地址中的语音内容。

3）RST。为0时芯片进入待机状态，即收到一个脉冲后，芯片的播放指针归零。

4 软件控制流程设计

系统上电后，首先开启初始化设置，而后进行运动模式选择，选择确定后将根据所选模式控制攀岩机进入工作。系统软件流程图如图9所示。

图9 软件控制流程图

Fig.9 Flow chart of software control

5 结束语

相对于野外攀岩，室内攀岩机采用单片机控制，具有液晶显示、语音输出等功能，攀岩壁的倾斜角度和攀岩面的运动速度调整方便，安全性提高、趣味性增强、适应人群更广。且设备结构尺寸紧凑，占地空间更小，投资成本降低，受环境限制也相应减少，便于在更大范围内共享推广。

参考文献：

[1] 潘紫妍，吕金辉. 把攀岩运动带回家[J]. 科学24小时，2013（6）：34-35.

[2] 樊泽明，梁振涛，马龙.一种基于单片机的智能小车设计[J].工业仪表与自动化装置，2014（2）：69-73.