机电一体化课程设计基于单片机的民间舞龙的设计

1、邵 阳 学 院机械与能源工程系机电一体化课 程 设 计设计题目：基于单片机的民间舞龙的设计系 别： 机械与能源工程系 专业班级： 04 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导老师： 日期：2007年1月4日一、前 言1二、舞龙的运动路线1三、 设计原理3四、结构设计4五、运动可行性分析4六、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11十、无支点腾空设计19十一、设计总结20十二、参 考 文 献20 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

2、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

3、纪的中华魂。 二、舞龙的运动路线舞龙的运动路线如下面的四幅图所示：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。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

4、龙节的上升位移。38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零件图-绕线槽组零件图 - 进线保持架 零件图 - 控线板零

5、件图 - 控线架零件图 - 中心轴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.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.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

6、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

7、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 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。+5v+5v74ls1254n254+27v7404p2.0irf640411p2.15ksw32289at5136a643sw244sw1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

8、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。txdtxdtxdtxdrx

9、drxdrxdrxd89at51 0#89at5189at51 1#89at51 2#上位机图2.6多机通信的电路图控制程序如下：ljmp 0030horg 001bhsetb 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，

10、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 ，#

11、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 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/

12、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，

13、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。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。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 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

14、按照一定的间距沿玻璃纤维排列十、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。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