【文章內(nèi)容簡介】 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。 1 LNEWGY 公司之樂吉發(fā)球機 : 其發(fā)球原理是由電 動機帶動的位置可調(diào)旋轉(zhuǎn)輪和一固定的摩擦塊組成發(fā)射機構(gòu)，當(dāng)球進(jìn)入發(fā)球通道，由旋轉(zhuǎn)輪將球旋出發(fā)球口來，旋轉(zhuǎn)輪的位置不同，則可得到不同旋向的球。 該系列乒乓球發(fā)球機一般可分為三個等級，初級發(fā)球機是為初學(xué)者和娛樂者設(shè)計的，中級發(fā)球機是為中級和比賽級球員設(shè)計的，而高級發(fā)球機是專為專業(yè)運動員和愛好乒乓球的行家設(shè)計。該系列發(fā)球機的特點之一是使用者可以根據(jù)自己的水平狀況選擇合適的發(fā)球機等級，當(dāng)水平提高時，該發(fā)球機可以通過升級包 ， 快速方便的達(dá)到高的等級。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 。通過手動調(diào)節(jié)發(fā)球機后的兩個控制桿可以實現(xiàn)發(fā)球角度擺動范圍的變化，利用兩桿的不同組合可有八種擺動范圍選擇，還可實現(xiàn)定點發(fā)球 。通過設(shè)置球型號開關(guān)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)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 。通過將發(fā)球機安裝在不同的位置可以實現(xiàn)不同的發(fā)球角度和發(fā)射弧度。 公司之 Amicus 發(fā)球機 : 其發(fā)球原理是采用兩個高速旋轉(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候，輪子 將球旋出，但它只能形成 45176。的側(cè)旋球。其旋轉(zhuǎn)速度和球發(fā)射速度沒有關(guān)聯(lián)，可以發(fā)射慢旋的短球和快速的突發(fā)球，這是同類發(fā)球機無法做到的。 該發(fā)球機有三個不同的發(fā)球模式可選擇，一種是規(guī)則模式，發(fā)射固定落點的球 。一種是自動模式，發(fā)射隨機球或組合球 。另外一種是自定義模式，根據(jù)需求自己編寫發(fā)球模式的程序。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。在使用者一端裝有控制界面，實現(xiàn)對發(fā)球機的遠(yuǎn)程控制。該發(fā)球機結(jié)構(gòu)緊湊，底座下有輪子，使用者可方便調(diào)整發(fā)球機位置，但其高度不能調(diào)節(jié)。 1． 2． 2 國內(nèi)乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 相對國外而言，國內(nèi)的乒乓球發(fā)球機起步比較晚，但發(fā)展很快，從最初的全手動發(fā)球機到現(xiàn)在的全自動發(fā)球機，甚至有些產(chǎn)品性能超過了國外的同類產(chǎn)品。主要有以下幾個典型方面 : : 該發(fā)球機是福建省的林清云所設(shè)計的，其機械結(jié)構(gòu)包括機身殼體、基座、儲球斗、發(fā)球機構(gòu)、弧度調(diào)節(jié)機構(gòu)、角度擺動機構(gòu)及電機調(diào)速電路。其工作原理是 :由于儲球斗裝于機器上方，乒乓球可通過自身重力落入發(fā)球機構(gòu)，發(fā)球機構(gòu)中的撥叉在電動機的帶動下?lián)舸蚵淙肭虻赖钠古仪颍古仪蚪?jīng)球道前端的摩擦輥高速切搓后成旋轉(zhuǎn)狀飛 出球道。 其發(fā)球機構(gòu)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(jié)構(gòu)的凸輪面相接觸。通過電動機帶動凸輪轉(zhuǎn)動，在彈簧的作用下，撥叉即可做出打擊動作，將乒乓球擊出。其弧度調(diào)節(jié)機構(gòu)可以調(diào)節(jié)出球的弧線，而角度擺動機構(gòu)完成出球角度的左右擺動變化，形成豐富的出球線路 。電機調(diào)速電路即可控制出球頻度和旋轉(zhuǎn)強度。該發(fā)球機的特點是結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)球速度快，經(jīng)濟(jì)實惠 。缺點是故障率高，質(zhì)量差、發(fā)球變化少，調(diào)節(jié)不方便。 : 該發(fā)球機是雙蛇公 司研發(fā)生產(chǎn)的全自動電腦控制操作系列的發(fā)球機，它是在研究總結(jié)眾多發(fā)球機的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，專為乒乓球運動愛好者開發(fā)出的具有突破性的創(chuàng)意產(chǎn)品。其主要特點是通過電腦編成實現(xiàn)“一鍵一功能”，即使用者通過遙控器或者控制面板上的按鍵來改變發(fā)球特性，只要按一下按鍵，就可以自動發(fā)出攻球、前沖弧圈球、削球、長膠球、高吊球性能的球 。還可以自動發(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。 該發(fā)球裝置設(shè)計有云臺旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，并安裝有旋轉(zhuǎn)角度極限裝置，可以左右各旋轉(zhuǎn) 20度，在訓(xùn)練時， 使用者可根據(jù)自己的需求進(jìn)行任意調(diào)整，通過細(xì)調(diào)可以派生出多種多樣性能的球，從而使發(fā)出的球更接近人工發(fā)球，也更具有人性化。發(fā)球裝置主球道的滑軌設(shè)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。其機頭摩擦輪設(shè)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(zhǔn)確。其電腦控制系統(tǒng)具有記憶功能，使得在關(guān)機前處于什么狀態(tài)，再次開機時會仍然處于該狀態(tài)。由于其旋轉(zhuǎn)機構(gòu)需手動調(diào)機，使整個裝置不能完全實現(xiàn)自動化。 : 該發(fā)球機是由三鼎公司采用生產(chǎn)研制，采 用微電腦控制，在一定程度上實現(xiàn)了訓(xùn)練過程的自動化，其桌面分割為多個小方塊，可根據(jù)程序設(shè)定準(zhǔn)確地將球射到指定區(qū)域。它利用對轉(zhuǎn)雙輪原理的特性，借助輪子與球之間的摩擦力來獲取能量，使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。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，落點與旋向可任意組合。有 300 個訓(xùn)練程序可選擇，使用者可根據(jù)自己需求來輸入所需程序。它比現(xiàn)實市面銷售的同類產(chǎn)品領(lǐng)先的關(guān)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(zhuǎn)弧線。其不足之處是不能像真正的人工發(fā)球可根據(jù)實際情況來應(yīng)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。 盡管乒乓球發(fā)球機經(jīng)過多年發(fā)展，己有很大改進(jìn)，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 。二是運動員打球時都有一個揮球拍動作，接球者可以借此來判斷和反應(yīng)，而發(fā)球機發(fā)出的球則很突然，接球者不好判斷。 本課題研究內(nèi)容與設(shè)計步驟 本課題研究內(nèi)容 6 本課題的研究內(nèi)容包括以下幾個部分： 研究乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)方案， 了解單片機的特性、 C語言程序設(shè)計、 PROTEL 仿真環(huán)境、基本實驗、擴(kuò)展實驗及其使用方法。熟悉 芯片各個部分的功能及 L298 控制電機設(shè)計。 進(jìn)行基于單片機控制的乒乓球發(fā)球機軟件設(shè)計，與其他同學(xué)配合實現(xiàn)乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)所需要的功能。 具體而言： (1) 了解 STC89C51 單片機的特性、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、 Keil uVision 開發(fā)環(huán)境； (2) 研究、分析乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)設(shè)計方案； (3) 分析自動乒乓球發(fā)球機的工作原理及工作過程； (4) 實現(xiàn)基于 51 單片機控制的控制系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)機控制。 本課題設(shè)計步驟 本課題的研究與設(shè)計為時一個學(xué)期，經(jīng)歷了選題、選擇方案、 硬件設(shè)計、軟件編寫、調(diào)試等過程，具體的流程如圖 所示： 7 確定任務(wù)選機型 、 劃分軟 /硬件軟件編程硬件設(shè)計聯(lián)機仿真調(diào)試排除故障 、 修正軟件固化程序應(yīng)用系統(tǒng)獨立運行開始結(jié)束 圖 系統(tǒng)設(shè)計流程圖 8 第 2 章 乒乓球發(fā)球機控制器設(shè)計分析 本章節(jié)的研究內(nèi)容包括：乒乓球發(fā)球機的結(jié)構(gòu)、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(diào)速方法。 乒乓球發(fā)球機的結(jié)構(gòu)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(gòu)、撥球機構(gòu)、搖擺機構(gòu)和發(fā)射機構(gòu)組成。 圖 乒乓球發(fā)球機的機械結(jié)構(gòu)圖 電動機選擇：撥球機構(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構(gòu)，可以用步進(jìn)電機來帶動；輸送機構(gòu)與撥球機構(gòu)中乒乓球的速度和方向一致，只負(fù)責(zé)將球送入發(fā)射機構(gòu)，此過程可以用直流電機帶動；搖擺機構(gòu)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(jìn)電 9 動機來帶動；發(fā)射機構(gòu)的發(fā)射裝置設(shè)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。 主控單片機的選型 本系統(tǒng)采用 STC89C51 為核心處理器 ,STC89C51 是單片機是 是一個 新一代抗干擾， 低功耗，高 性能 CMOS 8 位單片機， 片內(nèi)含 4KB 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器， 128B 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 本系統(tǒng)需要擴(kuò)展 I/O 口，因此選 89C51 比選 80C31 少擴(kuò)展ROM，節(jié)省電路空間，且應(yīng)用較為普遍 ,其引腳如圖 所示： 圖 STC89C51單片機引腳圖 單片機的主要特性 （ 1） 增強型 6時鐘 /機器周期， 12時鐘 /機器周期 8051CPU； （ 2） 用戶應(yīng)用程序從 4K～ 64K不等； （ 3） 3V/5V工作電壓，操作頻率 0～ 33MHz； 5V工作電 壓，操作頻率 0～ 40MHz； （ 4） 4個 8位 I/O口，含 3個高電流 P1口，可直接驅(qū)動 LCD； （ 5） 可編程看門狗定時器（ WDT）； 10 （ 6） 兼容 TTL和 CMOS邏輯電平； （ 7） 3個 16位定時器 /計數(shù)器； （ 8） 通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； （ 9） 掉電 檢測和低功耗模式等。 液晶顯示芯片的選擇 本設(shè)計中，液晶顯示器是一個非常重要的模塊，其作用是對乒乓球發(fā)球機發(fā)球狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控并可以 顯示制作者信息，當(dāng)前工作模式和提示用戶操作。 常用的是 LCD1602 和 LCD12864。 LCD1602 是一種專門用于顯示字母、 數(shù)字、符號等的點陣式 LCD，而 LCD12864 一般用來顯示漢字。 根據(jù)本設(shè)計所要實現(xiàn)的功能，應(yīng)該選用 LCD12864 液晶顯示器。 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(nèi)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）。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。 其優(yōu)點如下： (1) 顯示質(zhì)量高 ； (2) 數(shù)字式接口 ： 和單片機系統(tǒng)的接口簡單可靠，操作方便 ； (3) 功耗低 ； 11 (4) 體積小、重量輕 。 LCD12864 引腳說明 LCD12864引腳圖如圖 ： 圖 LCD12864引腳圖 (1)VSS： 模塊的電源地 ； (2)VDD： 模塊的電源端 ，通常使用 5V 電壓； (3)VO： LCD 驅(qū)動電壓輸入端，對比度（亮度）調(diào)整 ； (4)RS： 數(shù)據(jù) /指令選擇端： RS 為高電平時，表示 DB7~DB0 為數(shù)據(jù)； RS 為低電平時，表示 DB7~DB0 為指令； (5)R/W：讀 /寫 選擇信號 。 R/W 為 高電平時，讀取數(shù)據(jù)； R/W 為低電平時，寫入數(shù)據(jù)； (6)E： 并行的使能信號（脈沖有效） ； (7)DB0~DB7： 數(shù)據(jù)位 0~數(shù)據(jù)位 7。 (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(fù)位，低電平有效； (11)LED_A：背光源正極； (12)LED_K：背光源負(fù)極。 LCD12864 工作時序 本設(shè)計所采用的液晶顯示模塊，主要體現(xiàn)在軟件中，對 LCD12864 的編程是一個重點和難點。要實現(xiàn)對 LCD12864 的編程，就 必須對 其工作時序圖 清楚地 把握。 單片機與 LCD12864的數(shù)據(jù)傳輸有兩種模式：并行通信模式和串行通信模式。本設(shè)計采用并行通信模式。 LCD12864的并行讀 /寫操作時序如圖 (a)和 (b)所示： 圖 (a) LCD12864的并行讀操作時序 13 圖 (b) LCD12864的并行寫操作時序 由圖可知：當(dāng)需要寫指令字，設(shè)置 LCD12864 的工作方式時：需要把 RS 置為低電平， RW 置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口 D0~D7，最后 E 引腳一個高脈沖將數(shù)據(jù)寫入。當(dāng)寫入數(shù)據(jù)字，在 LCD1602 上 實現(xiàn)顯示時：需要把 RS 置為高電平，RW 置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口 D0~D7，最后 E 引腳一個高脈沖將數(shù)據(jù)寫入。 驅(qū)動芯片的選擇 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N， 內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個 H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器 ?？梢则?qū)動一臺兩相步進(jìn)電機或四相步進(jìn)電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機， 而且電路簡單，使用比較方便。 其優(yōu)點如下： (1)可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速； (2)啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大； (3)工作電壓高，最高 達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A。 L298N 引腳說明 L298N 引腳圖如圖 所示： 14 圖 L298N引腳圖 L298N內(nèi)部邏輯圖如圖 ： 圖 L298內(nèi)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(jìn)電機控制芯，可以恒流驅(qū)動步進(jìn)電機。 (2)OUTPUT1/OUTPUT2：全橋驅(qū)動器 A