【正文】 性。 國(guó)內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 對(duì)于乒乓球發(fā)球機(jī)的研究可以追溯至六十年代末和七十年代初，當(dāng)時(shí)歐洲出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機(jī)。另一類是全自動(dòng)，電腦程控系列。這種機(jī)器雖然性能很高，但價(jià)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(qū)動(dòng)，另一種是雙輪驅(qū)動(dòng)。而弧圈球雖然旋轉(zhuǎn)極強(qiáng)，但是速度未必很快。這種發(fā)球機(jī)的缺點(diǎn)是噪音極大而且不能提供高的性能， 同時(shí)，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(jī)的廠家比較多，具有代表意義的廠家是美國(guó)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(diào)節(jié)發(fā)球速度、發(fā)球頻 率、旋轉(zhuǎn)速度以及出球口角度 :通過手動(dòng)調(diào)節(jié)出球口上的旋鈕可以發(fā)射出上旋、逆旋、側(cè)旋甚至混合旋轉(zhuǎn)等各種 旋 向的球 。 公司之 Amicus 發(fā)球機(jī) : 其發(fā)球原理是采用兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的輪子 (旋轉(zhuǎn)方向相反 )，由于輪子的空間小于球的直徑，當(dāng)球從滾 道滾入兩輪之間的時(shí)候，輪子將球旋出，但它只能形成 45176。一種是自動(dòng)模式，發(fā)射隨機(jī)球或組合球 。該發(fā)球機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，底座下有輪子，使用者可方便調(diào)整發(fā)球機(jī)位置，但其 高度不能調(diào)節(jié)。 其發(fā)球機(jī)構(gòu)由撥叉、電動(dòng)機(jī)和凸輪組成，撥叉由 L 形臂和直臂兩部分組成，與機(jī)身底盤間有一彈簧相連， L 形臂可擺動(dòng)到球道的入球端，直臂與雙扇結(jié)構(gòu)的凸輪面相接觸。該發(fā)球機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)球速度快，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠 。還可以自動(dòng)發(fā)出上旋球、下旋球、 5 不轉(zhuǎn)球、右側(cè)上、右側(cè)下、左側(cè)上、左側(cè)下、右側(cè)旋、左側(cè)旋九種基本旋轉(zhuǎn)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(guān)機(jī)前處于什么狀態(tài)，再次開機(jī)時(shí)會(huì)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(zhuǎn)球，可任意改變球的落點(diǎn)，落點(diǎn)與旋向可任意組合。 盡管乒乓球發(fā)球機(jī)經(jīng)過多年發(fā)展，己有很大改進(jìn)，但發(fā)球機(jī)“打”出的球和人打得球還是許多不同 :一是發(fā)球機(jī)發(fā)出來的球和運(yùn)動(dòng)員實(shí)際打過去的球在性能上不大相同 。 進(jìn)行基于單片機(jī)控制的乒乓球發(fā)球機(jī)軟件設(shè)計(jì)，與其他同學(xué)配合實(shí)現(xiàn)乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)所需要的功能。 圖 乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 電動(dòng)機(jī)選擇 ：撥球機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，可以用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)；輸送機(jī)構(gòu)與撥球機(jī)構(gòu)中乒乓球的速度和方向一致，只負(fù)責(zé)將球送入發(fā)射機(jī)構(gòu)，此過程可以用直流電機(jī)帶動(dòng)；搖擺機(jī)構(gòu)的作用是帶動(dòng)發(fā)射裝置實(shí)現(xiàn)上下、左右的擺動(dòng)，從而使發(fā)球的角度和弧度發(fā)生變化，可采用步進(jìn)電 9 動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)；發(fā)射機(jī)構(gòu)的發(fā)射裝置設(shè)計(jì)為由兩個(gè)摩擦輪組成，分別由兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)，通過控制兩個(gè)直流電機(jī)給予不同速度，從而實(shí)現(xiàn)乒乓球的上、下旋。 常用的是 LCD1602 和 LCD12864。顯示屏最多可實(shí)現(xiàn) 32 個(gè)中文字符或 64 個(gè) ASCII碼 字符的顯示。 (8)PSB： 并 /串行接口選擇：高電平時(shí)為并行接口 ； 低電平時(shí)為串行接口； (9)NC： 空腳； 12 (10)/RST：復(fù)位，低電平有效； (11)LED_A：背光源正極； (12)LED_K：背光源負(fù)極。本設(shè)計(jì)采用并行通信模式。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè) H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器 。 (2)OUTPUT1/OUTPUT2：全橋驅(qū)動(dòng)器 A的輸出端，用來連接負(fù)載。 (6)GND：接地端，芯片本身的散熱與該引腳相連接。 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī) 又叫脈沖電機(jī)，它 是 一種 將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn) 換為 角位移 或線位移 的 機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器 。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、精度和效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于啟動(dòng)和調(diào)速要求高的器械上。 (1)PWM 的 基本原理及實(shí)現(xiàn)方法 PWM 的基本原理是加在負(fù)載的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)脈沖電壓的占空比，從而改變電動(dòng)機(jī)速度。 (2)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)的方法 利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，可以采用利用延時(shí)方法產(chǎn)生 PWM 信號(hào)和利用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì) PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 (5)橋式可逆 PWM 變換器 PWM 變換器 的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)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(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 橋式可逆 PWM 變換器電路如圖 所示。 18 總體設(shè)計(jì) 在硬件電路的設(shè)計(jì)中，配合本組同學(xué)做出了如下工作：選用 STC89C51 單片機(jī)作為主控芯片， 外圍電路包括：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤及液晶顯示電路。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 。 驅(qū)動(dòng)電路接線如圖 所示： D1IS EN A1OUT12OUT23VS4IN15EN A6IN27GND8VSS9IN310EN B11IN412OUT313OUT414IS EN B15L1100uFC1100uFC2TLP1D2 D3 D4D5 D6 D7 D8104C3104C41KR21KR41KR61KR81KR11KR31KR51KR7GNDGNDGNDGNDVCC1VCC1VCCVCC1P30P31P32P33123456GNDM1 20 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接線圖 按鍵電路模塊 按鍵作為一種不帶自鎖保護(hù)功能的開關(guān)，只有在動(dòng)作的瞬間會(huì)接通電路，其余時(shí)刻均處于掉電模式。它 有功能豐富的庫(kù)函數(shù)，兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能 ， 而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。 軟件程序編寫的原則 22 (1)實(shí)時(shí)性：即能夠在對(duì)象允許的時(shí)間完成對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)、計(jì)算、處理和控制。 (3)靈活性和通用性：一個(gè)好的應(yīng)用程序，不僅要針對(duì)性強(qiáng)，而且要有一 定的靈活性和通用性，即稍加改變后就能適應(yīng)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(shè)計(jì)技巧，并把調(diào)試好的應(yīng)用軟件固化在單片機(jī)中。即抓住整個(gè)問題的本質(zhì)特性，采用自頂而下逐層分解的方法，對(duì)問題進(jìn)行抽象，劃分出不同的模塊，形成不同的層次概念。模塊化結(jié)構(gòu)不僅使復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，開發(fā)周期得以縮短，節(jié)省費(fèi)用，提高了軟件的質(zhì)量，而且還可以有效地防止磨時(shí)間錯(cuò)誤的擴(kuò)張，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；同時(shí)，還使程序結(jié)構(gòu)具備靈活性，層次分明，條理清晰，便于組裝，易于維護(hù)。 軟件設(shè)計(jì)步驟 (1)系統(tǒng)定義：就是清楚地列出系統(tǒng)的各個(gè)部分與軟件設(shè)計(jì)有關(guān)的特點(diǎn)，并進(jìn)行定義，以作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)，系統(tǒng)定義是對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的描述。 (4)維護(hù)和再設(shè)計(jì)：當(dāng)軟件投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面可能會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)場(chǎng)問題，因而需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行改造和完善；另一方面，用戶往往會(huì)由于環(huán)境或技術(shù)條件的變化，提出比原計(jì)劃更多的要求，因而需要對(duì)原系統(tǒng)軟件進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充，然后再重新固化，以適應(yīng)情況變化的要求。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外， uVision3 24 還提供了一個(gè)配置向?qū)Чδ?，加速了啟?dòng)代碼和配置文件的生成。 (2)仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。 乒乓球發(fā)球機(jī)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(shí)現(xiàn) ， 此時(shí) 應(yīng)該 設(shè)置 RS 為高電平、 RW 為低電平并且 E 為下降沿。 本設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。按鍵控制的五種模式是相互獨(dú)立的，可通過 5個(gè)嵌套的 if 語(yǔ) 句來任意選擇哪個(gè)按鍵作用。 上電后，定時(shí)器初始化，定時(shí)時(shí)間到，允許開中斷，開始計(jì)數(shù)，將數(shù)值與預(yù)設(shè)數(shù)值加以比較，根據(jù)所計(jì)數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)數(shù)值的關(guān)系確定輸出電平的高低。同樣采用 L298 驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓為 12V。 整個(gè)調(diào)試過程分為三個(gè)部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián) 機(jī)調(diào)試 。 當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到焊接安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試分為以下 兩 步 ：靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試。 (2) 排除元器件失效 ： 造成這類錯(cuò)誤的原因有兩個(gè)：一個(gè)是元器件買來時(shí)就已壞了；另一個(gè)是由于安裝錯(cuò)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(jī)IO 口的引腳電壓在 ~） 。動(dòng)態(tài)調(diào)試借用開發(fā)系統(tǒng)資源來調(diào)試用戶系統(tǒng)中單片機(jī)的外圍電路，使系統(tǒng)在運(yùn)行中暴露問題， 從而發(fā)現(xiàn)故障，排除故障 。當(dāng)各塊電路調(diào)試無故障后，將各塊電路逐步加入系統(tǒng)之中，再對(duì)各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進(jìn)行試驗(yàn) ， 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(diào)試就完成了 。 軟件調(diào)試過程如下： (1) 模塊結(jié)構(gòu)程序調(diào)試時(shí)要一個(gè)個(gè)子程序分別調(diào)試。 (3) 在上述兩步調(diào)試完成后，除了單步和斷點(diǎn)調(diào)試，還應(yīng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)試。檢查后發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路所。 34 (4) 當(dāng)全部調(diào)試完成后，反復(fù)運(yùn)行了多次，觀察穩(wěn)定性，必要時(shí)要對(duì)延時(shí)子程序作適當(dāng)?shù)男薷摹? (2) 各程序模塊 調(diào)試 通過以后，可以把有關(guān)的功能模塊聯(lián)合起來一起進(jìn)行整體程序綜合調(diào)試。如果采用模塊程序設(shè)計(jì)技術(shù)，則逐個(gè)模塊調(diào)試好后，再進(jìn)行系統(tǒng)程序總調(diào)試；如果采用實(shí)時(shí)多任務(wù)結(jié)構(gòu)程序，一般逐個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)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(diào)試。 針對(duì)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(shè)計(jì)要求、電源引出線和插座不對(duì)應(yīng)、電源功率不足、負(fù)載能力差等。排除的方法是首先認(rèn)真對(duì)照原理圖，看 接線是否有錯(cuò)誤 。 通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障。 系統(tǒng)上電后，定時(shí)器初始化，當(dāng)定時(shí)時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，依次輸出預(yù)設(shè)脈沖，脈沖在軟件中是由數(shù)組生成的，從而使步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)設(shè)效果依次運(yùn)行。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖如圖 所示： 開 始開 定 時(shí) 器開 始 計(jì) 數(shù)比 預(yù) 設(shè) 數(shù) 值 大 ？輸 出 高 電 平輸 出 低 電 平結(jié) 束NY 圖 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 流程圖 31 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈沖頻率控制的，兩個(gè)脈沖之間時(shí)間間隔越短，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，一般通過 51 單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中只需對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，不需要改變轉(zhuǎn)向。 本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的 P1 口與鍵盤相連。 而且 液晶顯示模塊對(duì)時(shí)間的要求很嚴(yán)格，延時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確把握對(duì)液晶顯示的精確工作有至關(guān)重要的作用，因此軟件設(shè)計(jì)中需要延時(shí)程序。其次是 初始化，初始化包括基本 指令、擴(kuò)充指令的操作、顯示開、關(guān)坐標(biāo)以及清除 LCD 的顯示內(nèi)容 。當(dāng)按鍵 1 作用后， 液晶顯示器顯示要選擇的發(fā)球模式，此時(shí)若按鍵 2 作用，液晶顯示器顯示進(jìn)入隨機(jī)模式，按鍵 4 作用，隨機(jī)模式發(fā)球；若按鍵 2 不作用，按鍵 3 作用，進(jìn)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(jìn)行程序的編譯與調(diào)試的步驟為：建立工程文件、選擇單片機(jī)、建立源文件、保存為 .C 文件、加載 C 文件、編譯、運(yùn)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(shè)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(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)化編程是利用高級(jí)語(yǔ)言提供的相關(guān)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)三種基本結(jié)構(gòu)，每個(gè)基本結(jié)構(gòu)具有唯一的出口和入口，整個(gè)程序由三種基本結(jié)構(gòu)組成，程序中不使用 goto 之類的語(yǔ)句。 (2)模塊化設(shè)計(jì)。用結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計(jì)的程序只存在三種基本結(jié)構(gòu)，即順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)， 程序代碼的空間順序和程序執(zhí)行的時(shí)間順序基本一致，程序結(jié)構(gòu)清晰。 (4)可靠性：在水泵調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的。同時(shí)，對(duì)多個(gè)處理任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)行中斷嵌套或采用多重中斷的辦法，加快處理速度。用 C 語(yǔ)言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)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(jìn)和擴(kuò)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(shè)計(jì)中，液晶顯示 模塊的作用非常重要 ， 主要用來實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前機(jī)器的工作狀態(tài)。最小系統(tǒng)電路圖如圖 所示。 STC