酷创项目 使用Arty制作的自动贩卖机

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楼主 2022-08-16 13:46:37
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来源 | digilent.com.cn/community

DIGILENT翻译团:michael080808翻译校对



项目背景:

儿时,人人都想从父母那里得到零花钱用在糖果和礼品的自动贩卖机上。偶然间,我们在附近看到一台自动贩卖机,脑洞过后,决定用Arty FPGA开发板PmodSTEP步进电机驱动模块来将其模拟接口转换成数字接口。在这里,我们将与大家分享如何一步步实现这一创意想法。如果你有兴趣,不妨跟着一起来动手DIY吧~




●  所需材料:

  1. 胶囊式自动贩卖机(注:美国的一种传统的自动贩卖机,用胶囊状的塑料球包住糖果、小玩具等,由于每次出货是具有随机性的,所以非常吸引小孩子)

  2. Arty FPGA开发板

  3. USB Micro连接线

  4. PmodSTEP步进电机驱动模块

  5. 步进电机

  6. 按键

  7. 电源

  8. 导线

  9. 亚克力板


●  所需工具:

  1. 3D打印机

  2. 激光切割机

  3. 电烙铁

  4. 螺丝刀


●  所需软件:

Vivado Design Suite



●  设计自动贩卖机的前面板



整个项目我们得先从在线订购一个简单的胶囊自动贩卖机开始。在对其进行拆解后,我们发现其外部结构主要由我们能够替换的多块滑动面板构成,所以我们计划打造一个激光切割的亚克力板替代前面板。因为前面板将要插入的滑槽的宽度,我们选择1/4英寸(0.635厘米)厚的亚克力板,我们也碰巧有一块这样的废料。正如你们看到的,最初我们计划使用一个硬币计数器来触发装置,但是后来我们决定使用一个简单的按键替代它。



在前面板设计部分,我现在最喜欢的建模工具是Onshape(www.onshape.com/)。这是一个在线的3D建模软件,由早先开发SolidWorks的团队开发。这一工具足够强大,有极佳的组合体处理功能,二期界面设计非常棒。最重要的,这个网站有自己的交互向导可以教大家如何使用所有的工具。作为一名机械工程师,我真心推荐你们尝试一下!


我先使用Onshape对前面板进行建模,然后创建了若干模型来替代我需要安装在前面板上的硬件。通过重排这些东西,最终我实现了一种可以使得所有需要的器件都能恰好适合前面板的设计方式。然后,通过右击我的前面板模型,将前面板导出为DXF文件,以便于之后导入激光切割机进行切割。


重要提示:在切割亚克力板之前,我在激光雕刻机的监视器上进行了测试。这是一个很好的习惯,因为我最初为分配器做的开孔太小了。如果不进行测试的话,我很可能就一直不知道这个情况(而需要返工了)。



●  设计齿轮



这个自动贩卖机需要玩家通过旋转底部平台(内部结构包含多个组件)进行操作。这些内部组件能刚刚好适合每个胶囊的进出,并且一个接着一个地推出,再将它们通过滑槽滑落到玩家手中。


事实上,底部平台的运动主要靠其边缘的一组轮齿实现。正常的前面板具有与这些轮齿啮合的齿轮,并通过贩卖机前部的曲柄得以旋转。


为了使这个齿轮运动,我设计了一个匹配齿轮,它刚刚好适合我们准备装入的步进电机的轴。在这里,我再一次使用Onshape进行设计,通过3D打印完成这部分。


为了确保牢固,我将齿轮轴设计成锥形以搭配齿轮使之不脱落。不幸的是,锥形设计的精度不够,齿轮时常会有一些小的滑动,所以我最终只是使用环氧树脂胶将齿轮胶合在需要的位置。有时候最好的方法就是最简单的方法。



●  自制Zuno固定夹


DIGILENT官网所出售的Zuno固定夹是一种非常有用的小板固定工具,主要设计用于像chipKIT uC32和chipKIT WF32等大多数小型的微控制器板(单片机)。但是不幸的是,这种固定夹不能用于比ChipKIT大或者比其小的板子,比如Arty和PmodSTEP,所以我们在Onshape上设计了自己的Zuno固定夹(见下图绿色部分)。




●  电源防护孔



电源部分,我们使用一个定制的7V电源。为了简化设计,我们只在箱体的后面板开了一个孔。为了防止金属物体不小心切断电源线,我设计了一个能插入到电源孔的小的保护器。



●  零部件装配



整个装置的装配步骤是比较直接了当的。考虑到前面板必须滑入到位,在面板就位之前,每个部件必须被拧紧。之后,板子放到位,一切都接好线,并将顶部装置放回。



●  接线


给机器接线的第一步,是将导线焊接到开关和电源上。开关初始设置为关闭状态。电源为7V,中心正极,并用一对额外的7V/接地线连接在输出端。


然后接线至Arty的圆孔插孔,将额外的7V/地线组连接到PmodSTEP的H5接口,并将开关连接到Arty的Pmod JD上的Vdd和引脚1。


步进电机连接到PmodSTEP的四针步进电机接头。最后,确保Arty上的5V选择跳线(J13)和PmodSTEP上的JP1分别设置为REG和V_EXT。



●  代码部分

当所有元件都连接好后,我们就需要开始对Arty进行编程了。点击「阅读原文」可至DIGILENT中文技术社区下载项目的工程文件。在Vivado中需要附加必需的源文件。下载项目文件后,打开Vivado并创建一个新项目。将下载的文件导入项目并生成比特流。一旦完成上述步骤,插入电源,并按照Arty编程指南完成Arty编程。


至此,我们就完成了这一自动贩卖机的构建。随心所欲地将好玩的东西装进贩卖机,按下按钮,机器内就会吐出一个小礼品啦,再也不需要投入硬币了!



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