基于单片机控制的智能螺旋丸设计

李晓帅 郝润生 杨海祺 孟冲

摘要：针对目前动漫产业中Cosplay装备做工和还原度偏低的问题，设计了一种基于单片机控制的螺旋丸装置。系统以STC89C52单片机作为核心控制器，通过超声波传感器检测手势的距离，单片机根据距离的大小，输出占空比变化的PWM波，通过L293D控制直流电机驱动一个球体中的旋转结构以变化的速度进行旋转，同时调节LED灯光的亮度。旋转体则由两个相互垂直且有一定差速的旋转轴并内嵌有数个LED及光导纤维组成。通过旋转变化，能再现人气动漫中火影忍者“螺旋丸”的效果。

关键词：Cosplay;螺旋丸;超声波传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0010-03

0 引言

Cosplay（Costume play）是指利用服装、饰品、道具和化妆等手段来扮演动漫、游戏中人物角色的一种表演艺术行为[1]，作为一种新的文化领域颇受年轻人的喜爱。在动漫产业蓬勃发展的背景下，动漫产业的衍生产业—Cosplay产业快速发展。在很多动漫展会、同人展会、Cosplay舞台剧中，都会用到Cosplay道具。但国内市场上Cosplay道具的做工和还原度普遍偏低，缺乏技术和创新。设计一款还原度高、视觉效果好的Cosplay道具成为市场的迫切需求。

螺旋丸是动漫《火影忍者》中最重要的也是最为常見的忍术之一，作为主角旋涡鸣人最常使用的忍术，螺旋丸也有很多种形态的变化。借鉴该动漫中的螺旋丸效果，本文设计了一种基于单片机控制的智能“螺旋丸”。其主要功能如下：由单片机控制一个直流电机驱动旋转机械机构运行，旋转机械机构则带动球体内的数十个发光单元同时旋转，利用人眼的视觉暂留原理，旋转过程会产生数十条动态螺旋线，构成一个螺旋发光球体。它可以根据手势的远近自动调节旋转的速度和发光的亮度，形成不同的旋转变化，最大程度地再现了动漫中的螺旋丸效果。

1 螺旋丸结构设计

螺旋丸的外形是一个透明球体，其结构示意图如图1所示。在球形外壳的内部，分别设置有相互垂直的一个长轴和一个短轴，长轴的一端延伸至球形外壳外与一个直流电机相连，另一端通过连接件与短轴固定连接，短轴的两端分别固定连接有发光单元。发光单元由若干个发光二极管和光导纤维组成，每个发光二极管的头部与光导纤维连接。当发光二极管点亮时，照射光导纤维的一端，实现光导纤维的另一端发光。

长轴和短轴上都安装有齿轮，通过齿轮的啮合，长轴将电机的旋转传动给短轴，短轴带动发光单元旋转发光。齿轮传动示意图如图2所示。

2 控制系统硬件设计

本设计以STC89C52单片机作为螺旋丸的控制器，其硬件结构框图如图3所示，包括四个模块，上电复位模块、晶振模块、超声波检测模块、电机驱动模块等组成。超声波检测模块将检测的手势距离传送给单片机，单片机根据距离的大小产生PWM波，分别对电机驱动模块和灯光控制模块发出控制信号，调节电机的转速和灯光的亮度，进而形成旋转变化的螺旋丸效果。

2.1 单片机控制电路

单片机控制电路由STC89C52单片机、晶振电路、上电复位电路、电源电路等组成[2]。STC89C52单片机是整个设计的控制核心。它具有低功耗、高性能等特点，其运行速度相对来说中等，但足以满足需求。该控制器更适合开发试验，性价比高，并且与MCS-51完全兼容。

2.2 超声波检测模块

通过超声波检测模块检测手势的距离，并根据距离的大小控制电机的转速、调节LED光的亮度，进而获得不同旋转变化的灯光效果。与激光测距、微波测距相比，超声波测量距离技术成本低、比较容易实现、结构也相对简单。

超声波模块选用HC-SR04[2]，它可提供2～400cm的测量范围。模块由超声波发射器、超声波接收器及控制电路三部分组成。超声波测距就是利用其反射特性，超声波的发射是通过工作频率为40kHz的多谐振荡器电路实现的。测量时，单片机控制超声波发生器发射超声波，超声波传播后遇到障碍物反射回反射波;接收传感器将接收到的反射波信号通过压电转换方式转换成电信号，电信号经放大电路放大以及滤波电路处理后，转换成方波信号，方波信号再经单片机处理后得到测量的距离。

HC-SR04共有4个引脚，分别为VCC、GND、TRIG和ECHO。在设计中，I/O口P2.1接TRIG引脚，P2.0接ECHO引脚。

2.3 电机驱动模块

螺旋丸的旋转部分采用直流电机驱动。直流电机具有很多优点，不仅调速性能好、范围广，而且操作方便，可以承受持续的冲击，能达到快速启动、制动的目的。驱动芯片采用L293D，它属于H桥集成电路，连续输出电流0.6A，最高工作电压36V，可以驱动感性负载。L293D的输入端可以与单片机直接相连，当驱动小型直流电机时，可以直接控制两路电机。

由于螺旋丸只有一个直流电机，所以在设计中，只使用了L293D驱动芯片的一组输入/输出。单片机I/O口的P1.2连接IN1，P1.2引脚输出PWM波，P1.4接EN1，OUT1和GND分别接直流电机两端。

3 控制系统软件设计

软件设计主要包括超声波检测模块是否检测到手势进入控制范围（根据动漫中道具的使用特点，设定距离为40cm）、对手势的距离进行测量、输出PWM波控制电机的旋转速度和LED的发光亮度。

软件设计流程如图4所示。

当程序初始化后，先调用手势检测子程序，由超声波模块检测手势的距离，根据手势的距离通过输出PWM波来调节电机的转速和LED灯光的亮度。如果手势距离小于40cm，且距离是由远及近，则增加PWM的占空比，控制节电机的转速上升和LED灯光的亮度增加。反之，距离是由近及远，则减小PWM的占空比，控制节电机的转速下降和降低LED灯光的亮度。

通过脉宽宽度调制（PWM）方式，控制直流电机调速和LED灯光的亮度。采用此方法控制直流电机调速可以减少热损耗，提高系统稳定性，实现智能化的数字控制，降低成本。采用脉冲宽度调制（PWM）方式控制灯光的亮度。PWM调光的工作原理则是利用脉宽调制信号反复开关LED，进而调节LED的平均电流[3]。

4 结论

本文设计了一种基于单片机控制的旋转发光装置，设计了机械结构和控制系统。该装置由直流电机驱动一个旋转机构带动若干发光单元旋转发光，其中部分连接件采用3D打印技术完成。它能够根据手势的距离，自动启动、停止以及调节旋转的速度和发光单元的亮度。该装置在旋转过程会产生数十条动态螺旋线，构成一个螺旋发光球体，呈现了人气动漫《火影忍者》中螺旋丸的效果。如果在此基础上增加蓝牙模块或WiFi模块[4]，则能够实现更加智能化的控制。

参考文献

[1] 陈怡迟.我国Cosplay产业发展现状[J].现代商贸工业，2020（5）：16-17.

[2] 王宁，王巍，牛萍娟.手势控制的LED变形灯设计[J].现代电子技术，2020，43（2）：24-28.

[3] 孟卓.基于HC-SR04的超声波导盲系统设计[J].电子设计工程，2019，27（21）：136-139.

[4] 陈炳飞，周朝霞，邱义，等.亮度自适应的智能台灯设计[J].物联网技术，2018（7）：98-101.