娃娃机教学示范平台

张盛开 于吉生 魏媛媛 徐传涛 吴兵

摘要：本娃娃机以15系列单片机为核心，通过横向和纵向2个直流电机实现抓手的定位，通过1个直流电机实现抓手的上升和下降，天车运行时，由摇杆和按钮进行控制，速度为固定数值。抓娃娃时，抓手通过48V电磁线圈控制，电压越高抓力越大。投币机连接单片机，根据投币多少由规则决定可以抓几回。中奖几率事先设定好，连续抓取时中奖几率大。

关键词：娃娃机;单片机;电磁线圈;直流电机

引言

娃娃机作为娱乐产品非常普遍，大家通常喜爱抓娃娃，网上也有很多抓娃娃的攻略，实际上不是很准确，设计此产品目的是让学生了解其原理，增长专业知识，提高学生的创新能力，在玩的过程中避免造成过度消费。

1娃娃机的结构组成

娃娃机的结构组成：铁质框架、亚克力封皮、天车、抓手、摇杆、按钮、投币器、单片机控制器、LED灯。天车由4部分组成：横向移动电机、纵向移动电机、抓手升降电机和抓手电磁线圈。

天车的横向和纵向行走，由2个直流电机进行控制，电机速度根据需求，提前在CPU面板上设置好，电机采用PWM方式进行控制。升降电机由1个直流电机控制，电机采用PWM方式进行控制。抓手由电磁线圈控制，抓手下降时由于重力作用，抓手成自然打开状态，抓取娃娃时，电磁线圈得电，抓手合上。娃娃机实物模型如图1所示。

2 电气控制系统组成

娃娃机采用15系列单片机，由单片机驱动3台直流电机和一个电磁线圈，摇杆和按钮信号作为单片机输入信号，同时搭配数码管显示参数设置相关数据以及币数和剩余时间。主要电气硬件配置表如表1所示。单片机系统网络图如图2所示。

单片机板设置“菜单确定”、“减少”、“增加”、“测试/退出”4个按键，用于参数设置，设置参数时数码管会显示相应数据，同时设计一个远端的投币计数数码管显示板，单片机CPU主板如图3所示。主板具有电机运转超时短路保护，三个电机速度可以独立调整，计时参数调节方便快捷，抓力强力弱力调节直观简单等功能。通过加装乐摇摇装置，可以实现手机支付功能。乐摇摇装置采用4G卡进行联网，因此娃娃机要放在有手机信号的地方，保证手机可以正常扫码支付。

主机具有自动检测电机极性和校正功能，在投币总数<10的情况下，把天车移到设备中间开机，程序会自动检测电机极性，如果此时电机反转，待机器出现电机故障提示后按“开始”键，程序会自动校正极性，待程序极性校正后，投下10个以上的币即可。系统3个运行电机均设置限位开关，每个电机设置2个限位开关，用于电机前端和后端极限位置进停止电机。电机限位开关如图4所示。天车在运行过程中，会出现天车已经达到娃娃机柜内的两头位置，但娃娃机电机仍在运转，此时需要调整天车的位置即可，原因是天车在两头轨道运行过程中，会出现不同步的情况，天车出现倾斜，碰不到极限限位开关，因此电机无法停止。

抓手可以通过调节电磁线圈的电压（线圈额定电压为直流48V），调节抓力的强弱，电压越高，抓力越大，越容易抓起娃娃。抓手抓力强力弱力调节方法，主板数码管液晶屏显示数字含义：输出电压V=供电电压×2×显示数字/100，例如主板数码管显示为32，电源供电48V，则输出电压为48× 2× 32/100=31V;如果为变压器供电，由于变压器带负载，电压下降，得到的输出电压会低一点。抓手抓力强力强力调整为15伏～50伏，默认35伏;弱力调整为5伏～40伏，默认9伏。抓手在下降到底端抓取娃娃时，采用强力控制电磁线圈，娃娃很容易抓起来，当娃娃升到半空时，采用弱力控制电磁线圈，娃娃会脱落。由于采用了中奖几率，当投币数量达到一定时，会一直采用强力控制电磁线圈，这时娃娃很容易被抓到出娃娃口的上方。抓手及电磁线圈如图5所示。

3中奖模式算法及中奖方式选择

0→取消控制，中奖几率跟抓物计时（10ms～120ms）、强力调整（15V～50V）和弱力调整（5V～40V）有关，参数值调得越大越容易抓。

3→中奖回授：

中奖几率=。

注：使用此功能時，须加装感应器1组，否则一直为中奖机会：如工作模式为普通模式，则中奖数是累计的，如果为自动贩卖模式，则最后一次游戏不中奖不扣分。倒如：控制基数为10，受控次数为1时，每游戏10次便有1次中奖机会，如果在第10个币游戏结束，还未抓到礼品，则第10个币不扣分，直到抓到礼品为止。

连续投多少个币中奖多少次=控制基数×多少个币一个游戏。例如：控制基数为10，受控次数为2，3币一次游戏时，则为连续投30个币有2次中奖机会，如果在最后一次游戏结束，还没有抓到两个礼品，则最后一次游戏结束，不扣分，直到抓到两个礼品为止。

4→随机模式： 中奖几率=，中奖机会随机出现。

4 教学效果

本娃娃由于封皮采用亚克力透明板，设备工作时，学生可以观察到CPU板的工作状态，让学生更好的了解到课本上的单片机知识，通过本设备学生了解了单片机在实际生活中的应用，同时熟悉了单片机产品的设计过程，本设备加深了学生的单片机专业知识，让学生做到所学所用，学习不再枯燥。

参考文献：

[1] 宛易. 你为什么总是抓不到娃娃 [J]. 视野，2021

[2] 朱云鹤. 娃娃机市场发展简述及SWOT分析 [J]. 现代营销（经营版）， 2019

[3] 葛建新. 基于IAP15W4K58S4单片机超声波测距系统的设计与实现[J]. 电子测试，2021

基金项目：营口理工学院大学生创新创业项目（S202114 435019）资助。