傳統(tǒng)絲弦電氣化制備設(shè)備的設(shè)計(jì)

大連東軟信息學(xué)院 田 華 鞠爾男 邱光宇

“弦”是弦樂(lè)器賴(lài)以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)。任何弦樂(lè)器都離不開(kāi)琴弦制造技術(shù)。于是，從古至今，有關(guān)琴弦的制造及其理論研究，就層出不窮。進(jìn)入20世紀(jì)，古老的絲弦遭遇到前所未有的冷遇，絲弦制作工藝瀕臨失傳，特別是西方現(xiàn)代工業(yè)化材料和造弦技術(shù)的傳入，鋼弦和尼龍弦一統(tǒng)天下，風(fēng)靡全國(guó)，成為傳統(tǒng)文化遭遇現(xiàn)代并被徹底排除出使用領(lǐng)域的典型事例。21世紀(jì)以來(lái)，隨著“非物質(zhì)文化遺產(chǎn)”保護(hù)工作的啟動(dòng)和新理念的普及，“琴學(xué)”備受青睞，斫琴、習(xí)琴以及研究琴學(xué)的人越來(lái)越多。在這種令人興奮的時(shí)代背景下，傳統(tǒng)絲弦及制作工藝，也受到琴家關(guān)注，期盼“絲弦回歸”的聲音越來(lái)越高。通過(guò)對(duì)歷史文獻(xiàn)的系統(tǒng)梳理，不難看出，古代絲弦制造技藝不但相當(dāng)成熟，而且形成了完備的工藝體系和系統(tǒng)理論。從材料選擇到制作程序，記載詳盡，汗牛充棟。中國(guó)內(nèi)陸和香港地區(qū)不但出現(xiàn)了恢復(fù)手工制作絲弦的琴家及專(zhuān)業(yè)技師，而且獲得眾多琴家的積極響應(yīng)。這無(wú)疑讓我們看到了“絲弦回歸”的希望和曙光。

然而傳統(tǒng)絲弦的恢復(fù)和制造僅僅停留在純手工狀態(tài)顯然不符合與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)背景。使用電氣化設(shè)備制造傳統(tǒng)絲弦是我們面對(duì)的時(shí)代課題。使用現(xiàn)有的西方鋼絲呢絨弦設(shè)備是不能制造中國(guó)傳統(tǒng)絲弦的。怎樣針對(duì)中國(guó)自己的文化背景、樂(lè)器、音樂(lè)美學(xué)，使用傳統(tǒng)蠶絲制造琴弦是有其設(shè)備特殊針對(duì)性和中國(guó)社會(huì)發(fā)展需求的。

本課題從歷史文獻(xiàn)及目前實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，采用目前主流STM系列MCU作為控制核心，使用相應(yīng)的電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，設(shè)計(jì)一款方便使用、智能控制的傳統(tǒng)琴弦制造設(shè)備。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絲弦制造設(shè)備的硬件系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)包括機(jī)座和安裝在機(jī)座上的送料機(jī)構(gòu)、捻弦機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

圖1 絲弦制造電氣化設(shè)備硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

送料機(jī)構(gòu)為整個(gè)系統(tǒng)提供絲弦制備的原材料。在電機(jī)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生拉力拉動(dòng)捻弦機(jī)構(gòu)不斷地絞合。動(dòng)力機(jī)構(gòu)是由五組步進(jìn)電機(jī)組成，它們?cè)赟TM32輸出的信號(hào)控制下，進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生絲弦絞合的動(dòng)力。弦弦機(jī)構(gòu)是由圓盤(pán)構(gòu)成，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)完成對(duì)琴弦的絞合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到制造絲弦的目的。以上方案，是通過(guò)用多組電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)絲弦的編織，其編織速度將由電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，再通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)絲弦智能編織制造。

2 控制核心技術(shù)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)用STM32控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)絲弦制備這一目的，這就需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理化的設(shè)計(jì)。

本次電路設(shè)計(jì)本著最優(yōu)，最簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)理念，對(duì)于絲弦制造設(shè)備的機(jī)電控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中包括4個(gè)大部分，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，按鍵模塊，電源模塊，主控芯片模塊。下面我將對(duì)著四個(gè)大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

如圖2所示，由于步進(jìn)電壓所需要的電流比較大，我們采用的驅(qū)動(dòng)芯片是ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片。它由16個(gè)管腳，7個(gè)信號(hào)輸入管腳，7個(gè)輸出管腳，一個(gè)接地，一個(gè)接5V電源。它的每一個(gè)輸入管腳對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出管腳，3個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片共32個(gè)輸出管腳，而5個(gè)步進(jìn)電機(jī)共需要20的管腳的信號(hào)輸入。當(dāng)電壓達(dá)到5V時(shí)，它會(huì)與其內(nèi)部的TTL 和CMOS 電路相連，處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2)按鍵模塊

我設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止、加速、減速。它們分別與STM32的三個(gè)管腳相連，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，出現(xiàn)電位的變換，產(chǎn)生電信號(hào)輸入給STM32。STM32產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。k1負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，k2負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)，k3負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的減速。k4負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的加速，k5負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。

圖3 電源模塊原理圖

3)電源模塊

如圖3所示，電源模塊是由電源端子與自鎖開(kāi)關(guān)構(gòu)成，它能穩(wěn)定的為驅(qū)動(dòng)芯片及步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定的電源輸入，同時(shí)能夠控制輸入電路的通斷。

4)主控芯片模塊

我采用的主控芯片為STM32F103c8t6，其模塊板帶電壓穩(wěn)壓芯片，方便穩(wěn)定地提供5V的壓。其1-5管腳與按鍵相連，能夠接受來(lái)自于按鍵的電信號(hào)。18、19管腳與供電模塊相連，提供5V電壓。其13-14，22-36管腳與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊相連，輸出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。如何能夠有效而且在最短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程，需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧。在硬件和軟件都設(shè)計(jì)成功的情況下，對(duì)硬件的調(diào)試仍然是比較重要的一部分。

通過(guò)連接到STM32的按鍵，連接好電源，然后只讓一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通電，最后分別依次按下正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速按鍵。觀察步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)情況，如果步進(jìn)電機(jī)是按照按鍵的控制來(lái)旋轉(zhuǎn)則說(shuō)明單個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況受按鍵控制，反之亦然。選擇一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，把步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端口與STM32對(duì)應(yīng)的管腳相連，再把步進(jìn)電機(jī)信號(hào)輸入口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸出口對(duì)應(yīng)相連。分別依次按下與STM32相連的按鍵，觀察步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

單個(gè)步進(jìn)電機(jī)測(cè)試完成。依次測(cè)試多個(gè)步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，正個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)良好，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)絲弦制造設(shè)備的原型機(jī)功能。

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了用STM32來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，再通過(guò)絲弦編織的構(gòu)架，達(dá)到了用嵌入式機(jī)電控制技術(shù)來(lái)控制絲弦制造設(shè)備的目的。相對(duì)于市面上存在的絲弦制造設(shè)備來(lái)說(shuō)，這是更高效快捷的方案性嘗試。

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