【正文】 此要進行變化多、強度大的多 球練習比較困難，而且從經濟觀點或科研方面考慮，乒乓球發(fā)球機的開發(fā)、研究與應用都能極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展。全自動式，是由全電腦程控的，能模擬運動員常用的技術，可發(fā)出很多高性能的球，可以模擬真人發(fā)球，還能發(fā)多種速度不同的球，人性化的設計能夠滿足不同技術水平的人的需要，技 術好的可以選擇多速度和角度發(fā)球；技術不好的可以選擇基本發(fā)球。如果速度慢，那么同時旋轉也弱。捶擊式發(fā)球機有多種設計方案，最常見的是通過凸輪帶動擺桿，將落入發(fā)球口的乒乓球擊出去，這種方式性能單一，而且不方便控制，已經逐漸被淘汰。通過設置球型號開關調節(jié)旋轉輪與摩擦塊之間距離，可以選擇適合所使用球型的發(fā)射軌道 。同時它具有記憶功能，能夠保存使用者輸入的程序以及記錄前 4 一使用者的選擇模式和命令。其弧度調節(jié)機構可以調節(jié)出球的弧線，而角度擺動機構完成出球角度的左右擺動變化，形成豐富的出球線路 。發(fā)球裝置主球道的滑軌設計為三根可更換式的滑軌，從而解決了球在此段摩擦大，運行中阻力大的缺點。它比現實市面銷售的同類產品領先的關鍵在于它的可控制性，它拋出的球接近人工打球的速度、旋轉弧線。 本課題設計步驟 本課題的研究與設計為時一個學期，經歷了選題、選擇方案、 硬件設計、軟件編寫、調試等過程，具體的流程如圖 所示： 7 確定任務選機型 、 劃分軟 /硬件軟件編程硬件設計聯機仿真調試排除故障 、 修正軟件固化程序應用系統獨立運行開始結束 圖 系統設計流程圖 8 第 2 章 乒乓球發(fā)球機控制器設計分析 本章節(jié)的研究內容包括：乒乓球發(fā)球機的結構、電動機選擇、主控單片機的和主要芯片的選擇、以及電機的調速方法。 根據本設計所要實現的功能，應該選用 LCD12864 液晶顯示器。要實現對 LCD12864 的編程，就 必須對 其工作時序圖 清楚地 把握。 其優(yōu)點如下： (1)可實現電機正反轉及調速； (2)啟動性能好，啟動轉矩大； (3)工作電壓高，最高 達 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工作電流為 2A。 (8)INPUT3/INPUT4：輸入 標準 TTL邏輯電平信號 ，控制 全橋驅動器 B通斷。 直流電動機的調速方法 直流電動機概述 直流電機由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成。由公式 (1)可知： Vd=Vmax*D (1) 當我們改變占空比 D 時，就可以得到 不同的電機平均速度 Vd，從而達到調速的目的。 (4)PWM 調脈寬方式 17 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 橋式可逆 PWM 變換器電路 第 3 章 乒乓球發(fā)球機控制器硬件設計 乒乓球發(fā)球機控制器硬件設計是由本組同學主要負責，在此我做了相應的輔助工作。最小系統電路圖如圖 所示。用 C 語言來編寫目標系統軟件，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。 (4)可靠性：在水泵調速系統中，系統的可靠性是至關重要的。 (2)模塊化設計。 (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。 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。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。 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。本設計中只需對直流電機進行調速，不需要改變轉向。 系統上電后，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組生成的，從而使步進電機按照預設效果依次運行。排除的方法是首先認真對照原理圖，看 接線是否有錯誤 。 針對以上各種情況，分別提供了解決方案。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。 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的修改。 (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。當各塊電路調試無故障后，將各塊電路逐步加入系統之中，再對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯系進行試驗 ， 直到所有電路加入系統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 。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 ~） 。 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。同樣采用 L298 驅動，驅動電壓為 12V。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。在位置確定后，在該位置寫入數據，通過寫 數據子程序來實現 ， 此時 應該 設置 RS 為高電平、 RW 為低電平并且 E 為下降沿。 乒乓球發(fā)球機控制器的主程序流程圖如 圖 所示。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。 軟件設計步驟 (1)系統定義：就是清楚地列出系統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，系統定義是對系統任務的描述。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。 (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的要求。它 有功能豐富的庫函數，兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能 ， 而且可以直接實現對系統硬件的控制。系統整體結構框圖如圖 所示 。 橋式可逆 PWM 變換器電路如圖 所示。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。 (1)PWM 的 基本原理及實現方法 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。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。 (6)GND：接地端，芯片本身的散熱與該引腳相連接。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 。 (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。 常用的是 LCD1602 和 LCD12864。 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乒乓球發(fā)球機控制系統軟硬件結合，實現所需要的功能。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。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。一種是自動模式，發(fā)射隨機球或組合球 。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 。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 。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。另一類是全自動，電腦程控系列。它集健身、競技、娛樂于一體，不僅可以鍛煉身體，還可以練習頭腦的靈活性、眼睛的反應力以及全身的協調性。 關鍵詞 ：乒乓球發(fā)球機，控制器，發(fā)球模式，單片機 2 ABSTRACT Considering the characteristics of the table tennis served， the thesis designs a kind of table tennis serving controller. It is consist of traditional 8 monolithic integrated circuits STC89C51 for the hardware circuit design and related software C51 for programming design. It can acplish the function of changing the ball39。該發(fā)球機控制器 由 8 位單片機 STC89C51 為核心的硬件電路和相關軟件編程組合而成。最后，對該課題的研究內容和設計流程進行了簡單的描述。正是在這種情況下，研究乒乓球發(fā)球機是極其必要的。而且其電腦記憶功能還能記錄球員打球的路數，能起到專業(yè)陪練效果。這和人們實戰(zhàn)打球是完全不同的，實際上球速和旋轉并不是完全成正比的，比如攻球的速度最快，但是旋轉并不強 。 1． 2． 1 國外乒乓球發(fā)球機的研究現狀 3 國外的乒乓球發(fā)球機發(fā)展比較快，其功能比較齊全，自動性能也比較高，既可以滿足普通練習者的需求，也可以滿足專業(yè)運動員的要求。通過將發(fā)球機安裝在不同的位置可以實現不同的發(fā)球角度和發(fā)射弧度。在使用者一端裝有控制界面，實現對發(fā)球機的遠程控制。電機調速電路即可控制出球頻度和旋轉強度。其機頭摩擦輪設計為組裝式，由輪毅、壓圈和橡膠組成，其優(yōu)點是更換橡膠圈方便，成本低，保證射點準確。其不足之處是不能像真正的人工發(fā)球可根據實際情況來應變發(fā)球，由于發(fā)球 程序模式所限，所發(fā)球具有一定的規(guī)律性。 乒乓球發(fā)球機的結構及電動機選擇 如圖 所示：乒乓球發(fā)球機由機座、乒乓球輸送機構、撥球機構、搖擺機構和發(fā)射機構組成。 LCD12864 外 形 如圖 所示 ： 圖 LCD12864外形圖 LCD12864 漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，提供 8 位， 4 位并行接口及串行接口可選，內置 8192 個中文漢字（ 16 16 點陣）、 128 個字符（ 8 16 點陣）及 64 256 點陣顯示 RAM（ GDRAM）。 單片機與 LCD12864的數據傳輸有兩種模式：并行通信模式和串行通信模式。 L298N 引腳說明 L298N 引腳圖如圖 所示： 14 圖 L298N引腳圖 L298N內部邏輯圖如圖 ： 圖 L298內部邏輯圖 (1) SENSINGA/SENSINGB：與地之間連接電流檢測電阻，將檢測量反饋給步進電機控制芯，可以恒流驅動步進電機。 (9)OUTPUT3/OUTPUT4：全橋驅動器 B的輸出端，用來連接負載。定子的主要作用是產生磁場，轉子的作用是產生感應電動勢或電磁轉矩，是直流電機進行能量轉換的樞紐。嚴格地講，平均速度與占空比 Vd 并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可以將其近似地看成線性關系。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在產生 PWM 脈沖的實現上比較方便。本章簡單的介紹硬件電路各模塊及原理。 19 圖 單片機最小系統電路圖 驅動電路模塊 本設計采用 3個型號相同的 L298 驅動電路，電路中給 單片機提供 5V電壓， L298提供 12V 電壓。 所以本研究課題選擇單片機 C 語言作為軟件設計語言。只有在硬、軟件都非?？煽康那闆r下，系統才能可靠地正常運行。模塊化設計是把復雜的算法或程序，分解成若干相對獨立、功能單一，甚至可供其他程序調用的模塊。文件編制的好壞，直接影響到程序的使用、維護和擴充。 使用獨立的 Keil 仿真器時， 要注意以下的問題： (1)仿真器標配 的晶振，但用戶可以在仿真器上的晶振插孔中插其他頻率的晶振。具體流程如圖 所示： 25 開 始初 始 化鍵 盤 掃 描按 鍵 1 作 用 ？界 面 1按 鍵 2 作 用 ？界 面 2按 鍵 5 作 用 ？直 流 電 機 賦 參 數定 時 器 初 始 化開 中 斷結 束YYYN按 鍵 3 作 用 ？界 面 3按 鍵 1 作 用 ？5 號 電 機 左 旋NYYN按 鍵 4 作 用 ？5 號 電 機 右 旋YN按 鍵 5 作 用 ？界 面 4按 鍵 1 作 用 ？上 旋 球按