【正文】 性。 國內外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 對于乒乓球發(fā)球機的研究可以追溯至六十年代末和七十年代初，當時歐洲出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機。另一類是全自動，電腦程控系列。這種機器雖然性能很高，但價格也比較貴，令很多人望而止步。這種發(fā)球方式有兩種，一種是單輪驅動，另一種是雙輪驅動。而弧圈球雖然旋轉極強，但是速度未必很快。這種發(fā)球機的缺點是噪音極大而且不能提供高的性能， 同時，空氣壓縮消耗的功率很大，難以使用電池來供電 。目前，世界上生產(chǎn)乒乓球發(fā)球機的廠家比較多，具有代表意義的廠家是美國的 LNEWGY 公司和日本的Butterfly 公司。通過控制球桌旁的控制盒可以調節(jié)發(fā)球速度、發(fā)球頻 率、旋轉速度以及出球口角度 :通過手動調節(jié)出球口上的旋鈕可以發(fā)射出上旋、逆旋、側旋甚至混合旋轉等各種 旋 向的球 。 公司之 Amicus 發(fā)球機 : 其發(fā)球原理是采用兩個高速旋轉的輪子 (旋轉方向相反 )，由于輪子的空間小于球的直徑，當球從滾 道滾入兩輪之間的時候，輪子將球旋出，但它只能形成 45176。一種是自動模式，發(fā)射隨機球或組合球 。該發(fā)球機結構緊湊，底座下有輪子，使用者可方便調整發(fā)球機位置，但其 高度不能調節(jié)。 其發(fā)球機構由撥叉、電動機和凸輪組成，撥叉由 L 形臂和直臂兩部分組成，與機身底盤間有一彈簧相連， L 形臂可擺動到球道的入球端，直臂與雙扇結構的凸輪面相接觸。該發(fā)球機的特點是結構簡單，發(fā)球速度快，經(jīng)濟實惠 。還可以自動發(fā)出上旋球、下旋球、 5 不轉球、右側上、右側下、左側上、左側下、右側旋、左側旋九種基本旋轉發(fā)球方式的球。其電腦控制系統(tǒng)具有記憶功能，使得在關機前處于什么狀態(tài)，再次開機時會仍然處于該狀態(tài)。按照使用者要求可發(fā)射各種旋向球和不轉球，可任意改變球的落點，落點與旋向可任意組合。 盡管乒乓球發(fā)球機經(jīng)過多年發(fā)展，己有很大改進，但發(fā)球機“打”出的球和人打得球還是許多不同 :一是發(fā)球機發(fā)出來的球和運動員實際打過去的球在性能上不大相同 。 進行基于單片機控制的乒乓球發(fā)球機軟件設計，與其他同學配合實現(xiàn)乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)軟硬件結合，實現(xiàn)所需要的功能。 圖 乒乓球發(fā)球機的機械結構圖 電動機選擇 ：撥球機構的作用是將乒乓球按照一定的速度靠自身重力落入輸送機構，可以用步進電機來帶動；輸送機構與撥球機構中乒乓球的速度和方向一致，只負責將球送入發(fā)射機構，此過程可以用直流電機帶動；搖擺機構的作用是帶動發(fā)射裝置實現(xiàn)上下、左右的擺動，從而使發(fā)球的角度和弧度發(fā)生變化，可采用步進電 9 動機來帶動；發(fā)射機構的發(fā)射裝置設計為由兩個摩擦輪組成，分別由兩個直流電動機來帶動，通過控制兩個直流電機給予不同速度，從而實現(xiàn)乒乓球的上、下旋。 常用的是 LCD1602 和 LCD12864。顯示屏最多可實現(xiàn) 32 個中文字符或 64 個 ASCII碼 字符的顯示。 (8)PSB： 并 /串行接口選擇：高電平時為并行接口 ； 低電平時為串行接口； (9)NC： 空腳； 12 (10)/RST：復位，低電平有效； (11)LED_A：背光源正極； (12)LED_K：背光源負極。本設計采用并行通信模式。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個 H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器 。 (2)OUTPUT1/OUTPUT2：全橋驅動器 A的輸出端，用來連接負載。 (6)GND：接地端，芯片本身的散熱與該引腳相連接。 步進電機的調速方法 步進電動機概述 步進電機 又叫脈沖電機，它 是 一種 將電脈沖信號轉 換為 角位移 或線位移 的 機電式數(shù)模轉換器 。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對 步進電機進行調速。直流電動機具有調速性能好、精度和效率高、起動轉矩大、過載能力強等優(yōu)點，因此廣泛應用于啟動和調速要求高的器械上。 (1)PWM 的 基本原理及實現(xiàn)方法 PWM 的基本原理是加在負載的脈沖電壓頻率不變，調節(jié)脈沖電壓的占空比，從而改變電動機速度。 (2)產(chǎn)生 PWM 信號的方法 利用單片機產(chǎn)生 PWM 信號，可以采用利用延時方法產(chǎn)生 PWM 信號和利用定時器產(chǎn)生 PWM 信號。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM 的占空比調節(jié)決定電動機的轉向和轉速。 (5)橋式可逆 PWM 變換器 PWM 變換器 的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度 可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。 橋式可逆 PWM 變換器電路如圖 所示。 18 總體設計 在硬件電路的設計中，配合本組同學做出了如下工作：選用 STC89C51 單片機作為主控芯片， 外圍電路包括：電動機驅動電路、鍵盤及液晶顯示電路。系統(tǒng)整體結構框圖如圖 所示 。 驅動電路接線如圖 所示： D1IS EN A1OUT12OUT23VS4IN15EN A6IN27GND8VSS9IN310EN B11IN412OUT313OUT414IS EN B15L1100uFC1100uFC2TLP1D2 D3 D4D5 D6 D7 D8104C3104C41KR21KR41KR61KR81KR11KR31KR51KR7GNDGNDGNDGNDVCC1VCC1VCCVCC1P30P31P32P33123456GNDM1 20 圖 電機驅動電路接線圖 按鍵電路模塊 按鍵作為一種不帶自鎖保護功能的開關，只有在動作的瞬間會接通電路，其余時刻均處于掉電模式。它 有功能豐富的庫函數(shù)，兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能 ， 而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。 軟件程序編寫的原則 22 (1)實時性：即能夠在對象允許的時間完成對系統(tǒng)的檢測、計算、處理和控制。 (3)靈活性和通用性：一個好的應用程序，不僅要針對性強，而且要有一 定的靈活性和通用性，即稍加改變后就能適應不同系統(tǒng)的要求。為了提高系統(tǒng)軟件的可靠性，采用一些軟件設計技巧，并把調試好的應用軟件固化在單片機中。即抓住整個問題的本質特性，采用自頂而下逐層分解的方法，對問題進行抽象，劃分出不同的模塊，形成不同的層次概念。模塊化結構不僅使復雜的程序設計簡單化，開發(fā)周期得以縮短，節(jié)省費用，提高了軟件的質量，而且還可以有效地防止磨時間錯誤的擴張，增強整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；同時，還使程序結構具備靈活性，層次分明，條理清晰，便于組裝，易于維護。 軟件設計步驟 (1)系統(tǒng)定義：就是清楚地列出系統(tǒng)的各個部分與軟件設計有關的特點，并進行定義，以作為軟件設計的依據(jù)，系統(tǒng)定義是對系統(tǒng)任務的描述。 (4)維護和再設計：當軟件投入現(xiàn)場運行時，一方面可能會發(fā)生各種現(xiàn)場問題，因而需要進一步對系統(tǒng)軟件進行改造和完善；另一方面，用戶往往會由于環(huán)境或技術條件的變化，提出比原計劃更多的要求，因而需要對原系統(tǒng)軟件進行改進和擴充，然后再重新固化，以適應情況變化的要求。除增加了源代碼、功能導航器、模板編輯以及改進的搜索功能外， uVision3 24 還提供了一個配置向導功能，加速了啟動代碼和配置文件的生成。 (2)仿真器上的復位按鈕只復位仿真芯片，不復位目標系統(tǒng)。 乒乓球發(fā)球機控制器的主程序流程圖如 圖 所示。 LCD12864 流程 26 LCD12864 液晶顯示器的工作流 程包括：初始化、寫命令、寫數(shù)據(jù)、顯示。在位置確定后，在該位置寫入數(shù)據(jù)，通過寫 數(shù)據(jù)子程序來實現(xiàn) ， 此時 應該 設置 RS 為高電平、 RW 為低電平并且 E 為下降沿。 本設計 單片機控制系統(tǒng)中， 需要功能鍵較少 ， 因此 ， 可以 采用 非編碼 鍵盤的 獨立式按鍵結構。按鍵控制的五種模式是相互獨立的，可通過 5個嵌套的 if 語 句來任意選擇哪個按鍵作用。 上電后，定時器初始化，定時時間到，允許開中斷，開始計數(shù)，將數(shù)值與預設數(shù)值加以比較，根據(jù)所計數(shù)據(jù)和預設數(shù)值的關系確定輸出電平的高低。同樣采用 L298 驅動，驅動電壓為 12V。 整個調試過程分為三個部分：硬件調試，軟件調試，系統(tǒng)聯(lián) 機調試 。 當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調試階段，調試分為以下 兩 步 ：靜態(tài)調試和動態(tài)調試。 (2) 排除元器件失效 ： 造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞。其次，加電后檢查各插件上引腳的電位（單片機IO 口的引腳電壓在 ~） 。動態(tài)調試借用開發(fā)系統(tǒng)資源來調試用戶系統(tǒng)中單片機的外圍電路，使系統(tǒng)在運行中暴露問題， 從而發(fā)現(xiàn)故障，排除故障 。當各塊電路調試無故障后，將各塊電路逐步加入系統(tǒng)之中，再對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行試驗 ， 直到所有電路加入系統(tǒng)后各部分電路仍能正確工作為止，由分到合的調試就完成了 。 軟件調試過程如下： (1) 模塊結構程序調試時要一個個子程序分別調試。 (3) 在上述兩步調試完成后，除了單步和斷點調試，還應進行連續(xù)調試。檢查后發(fā)現(xiàn)驅動電路所。 34 (4) 當全部調試完成后，反復運行了多次，觀察穩(wěn)定性，必要時要對延時子程序作適當?shù)男薷摹? (2) 各程序模塊 調試 通過以后，可以把有關的功能模塊聯(lián)合起來一起進行整體程序綜合調試。如果采用模塊程序設計技術，則逐個模塊調試好后，再進行系統(tǒng)程序總調試；如果采用實時多任務結構程序，一般逐個任務進行調試。 由分到合是指，按照邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，如顯示部分，DA 部分 ，比較電路部分 等，先分塊調試。 針對以上各種情況，分別提供了解決方案。 (3) 排除電源故障：電源的故障包括電壓值不符合設計要求、電源引出線和插座不對應、電源功率不足、負載能力差等。排除的方法是首先認真對照原理圖，看 接線是否有錯誤 。 通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結合起來調試以進一步排除故障。 系統(tǒng)上電后，定時器初始化，當定時時間達到預設時間時，依次輸出預設脈沖，脈沖在軟件中是由數(shù)組生成的，從而使步進電機按照預設效果依次運行。直流電機驅動流程圖如圖 所示： 開 始開 定 時 器開 始 計 數(shù)比 預 設 數(shù) 值 大 ？輸 出 高 電 平輸 出 低 電 平結 束NY 圖 直流電機驅動 流程圖 31 步進電機驅動流程 步進電機的轉速是由脈沖頻率控制的，兩個脈沖之間時間間隔越短，電機轉的越快，一般通過 51 單片機定時器進行控制。本設計中只需對直流電機進行調速，不需要改變轉向。 本設計中單片機的 P1 口與鍵盤相連。 而且 液晶顯示模塊對時間的要求很嚴格，延時時間的準確把握對液晶顯示的精確工作有至關重要的作用，因此軟件設計中需要延時程序。其次是 初始化，初始化包括基本 指令、擴充指令的操作、顯示開、關坐標以及清除 LCD 的顯示內容 。當按鍵 1 作用后， 液晶顯示器顯示要選擇的發(fā)球模式，此時若按鍵 2 作用，液晶顯示器顯示進入隨機模式，按鍵 4 作用，隨機模式發(fā)球；若按鍵 2 不作用，按鍵 3 作用，進入定向模式，按鍵 1 作用，左旋，按鍵 4 作用，右旋。 使用 Keil 編譯軟件進行程序的編譯與調試的步驟為：建立工程文件、選擇單片機、建立源文件、保存為 .C 文件、加載 C 文件、編譯、運行，最后生成 HEX 文件。 uVision3 提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于 MCUI/O 引腳和外設狀態(tài)變化下的程序變量。 Keil 提供了包括編譯器、宏匯編、 鏈接定位 、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。 (3)文件編制：文件編制是用流程圖、注釋、存儲器分配說 明等方法來描述程序來形成文件，以便用戶和操作人員了解。所謂結構化編程是利用高級語言提供的相關語句實現(xiàn)三種基本結構，每個基本結構具有唯一的出口和入口，整個程序由三種基本結構組成，程序中不使用 goto 之類的語句。 (2)模塊化設計。用結構化方法設計的程序只存在三種基本結構，即順序結構、分支結構、循環(huán)結構， 程序代碼的空間順序和程序執(zhí)行的時間順序基本一致，程序結構清晰。 (4)可靠性：在水泵調速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的可靠性是至關重要的。同時，對多個處理任務系統(tǒng)應實行中斷嵌套或采用多重中斷的辦法，加快處理速度。用 C 語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于 改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。 1 2 3 4 5 6P1 Header 6S1 S2 S3 S4 S5GNDP13P14P15P16P17 圖 鍵盤接線圖 LCD 液晶顯示電路模塊 在本設計中，液晶顯示 模塊的作用非常重要 ， 主要用來實時監(jiān)控當前機器的工作狀態(tài)。最小系統(tǒng)電路圖如圖 所示。 STC