乒乓球发球机控制器软件设计(编辑修改稿)

乒乓球发球机控制器软件设计(编辑修改稿)内容摘要：

前，世界上生产乒乓球发球机的厂家比较多，具有代表意义的厂家是美国的 LNEWGY 公司和日本的Butterfly 公司。 1 LNEWGY 公司之乐吉发球机 : 其发球原理是由电 动机带动的位置可调旋转轮和一固定的摩擦块组成发射机构，当球进入发球通道，由旋转轮将球旋出发球口来，旋转轮的位置不同，则可得到不同旋向的球。 该系列乒乓球发球机一般可分为三个等级，初级发球机是为初学者和娱乐者设计的，中级发球机是为中级和比赛级球员设计的，而高级发球机是专为专业运动员和爱好乒乓球的行家设计。 该系列发球机的特点之一是使用者可以根据自己的水平状况选择合适的发球机等级，当水平提高时，该发球机可以通过升级包 ， 快速方便的达到高的等级。 通过控制球桌旁的控制盒可以调节发球速度、发球频率、旋转速度以及出球口角度 :通过手动调节出球口上的旋钮可以发射出上旋、逆旋、侧旋甚至混合旋转等各种 旋 向的球。 通过手动调节发球机后的两个控制杆可以实现发球角度摆动范围的变化，利用两杆的不同组合可有八种摆动范围选择，还可实现定点发球。 通过设置球型号开关调节旋转轮与摩擦块之间距离，可以选择适合所使用球型的发射轨道。 通过将发球机安装在不同的位置可以实现不同的发球角度和发射弧度。 公司之 Amicus 发球机 : 其发球原理是采用两个高速旋转的轮子 (旋转方向相反 )，由于轮子的空间小于球的直径，当球从滚道滚入两轮之间的时候，轮子 将球旋出，但它只能形成 45176。 的侧旋球。 其旋转速度和球发射速度没有关联，可以发射慢旋的短球和快速的突发球，这是同类发球机无法做到的。 该发球机有三个不同的发球模式可选择，一种是规则模式，发射固定落点的球。 一种是自动模式，发射随机球或组合球。 另外一种是自定义模式，根据需求自己编写发球模式的程序。 同时它具有记忆功能，能够保存使用者输入的程序以及记录前 4 一使用者的选择模式和命令。 在使用者一端装有控制界面，实现对发球机的远程控制。 该发球机结构紧凑，底座下有轮子，使用者可方便调整发球机位置，但其高度不能调节。 1． 2． 2 国内乒乓球发球机的研究现状 相对国外而言，国内的乒乓球发球机起步比较晚，但发展很快，从最初的全手动发球机到现在的全自动发球机，甚至有些产品性能超过了国外的同类产品。 主要有以下几个典型方面 : : 该发球机是福建省的林清云所设计的，其机械结构包括机身壳体、基座、储球斗、发球机构、弧度调节机构、角度摆动机构及电机调速电路。 其工作原理是 :由于储球斗装于机器上方，乒乓球可通过自身重力落入发球机构，发球机构中的拨叉在电动机的带动下击打落入球道的乒乓球，乒乓球经球道前端的摩擦辊高速切搓后成旋转状飞 出球道。 其发球机构由拨叉、电动机和凸轮组成，拨叉由 L形臂和直臂两部分组成，与机身底盘间有一弹簧相连， L 形臂可摆动到球道的入球端，直臂与双扇结构的凸轮面相接触。 通过电动机带动凸轮转动，在弹簧的作用下，拨叉即可做出打击动作，将乒乓球击出。 其弧度调节机构可以调节出球的弧线，而角度摆动机构完成出球角度的左右摆动变化，形成丰富的出球线路。 电机调速电路即可控制出球频度和旋转强度。 该发球机的特点是结构简单，发球速度快，经济实惠。 缺点是故障率高，质量差、发球变化少，调节不方便。 : 该发球机是双蛇公 司研发生产的全自动电脑控制操作系列的发球机，它是在研究总结众多发球机的优缺点的基础上，专为乒乓球运动爱好者开发出的具有突破性的创意产品。 其主要特点是通过电脑编成实现“一键一功能”，即使用者通过遥控器或者控制面板上的按键来改变发球特性，只要按一下按键，就可以自动发出攻球、前冲弧圈球、削球、长胶球、高吊球性能的球。 还可以自动发出上旋球、下旋球、 5 不转球、右侧上、右侧下、左侧上、左侧下、右侧旋、左侧旋九种基本旋转发球方式的球。 该发球装置设计有云台旋转机构，并安装有旋转角度极限装置，可以左右各旋转 20度，在训练时， 使用者可根据自己的需求进行任意调整，通过细调可以派生出多种多样性能的球，从而使发出的球更接近人工发球，也更具有人性化。 发球装置主球道的滑轨设计为三根可更换式的滑轨，从而解决了球在此段摩擦大，运行中阻力大的缺点。 其机头摩擦轮设计为组装式，由轮毅、压圈和橡胶组成，其优点是更换橡胶圈方便，成本低，保证射点准确。 其电脑控制系统具有记忆功能，使得在关机前处于什么状态，再次开机时会仍然处于该状态。 由于其旋转机构需手动调机，使整个装置不能完全实现自动化。 : 该发球机是由三鼎公司采用生产研制，采 用微电脑控制，在一定程度上实现了训练过程的自动化，其桌面分割为多个小方块，可根据程序设定准确地将球射到指定区域。 它利用对转双轮原理的特性，借助轮子与球之间的摩擦力来获取能量，使球获得一定的初速度将球发射出去。 按照使用者要求可发射各种旋向球和不转球，可任意改变球的落点，落点与旋向可任意组合。 有 300 个训练程序可选择，使用者可根据自己需求来输入所需程序。 它比现实市面销售的同类产品领先的关键在于它的可控制性，它抛出的球接近人工打球的速度、旋转弧线。 其不足之处是不能像真正的人工发球可根据实际情况来应变发球，由于发球 程序模式所限，所发球具有一定的规律性。 尽管乒乓球发球机经过多年发展，己有很大改进，但发球机“打”出的球和人打得球还是许多不同 :一是发球机发出来的球和运动员实际打过去的球在性能上不大相同。 二是运动员打球时都有一个挥球拍动作，接球者可以借此来判断和反应，而发球机发出的球则很突然，接球者不好判断。 本课题研究内容与设计步骤 本课题研究内容 6 本课题的研究内容包括以下几个部分： 研究乒乓球发球机控制系统方案， 了解单片机的特性、 C语言程序设计、 PROTEL 仿真环境、基本实验、扩展实验及其使用方法。 熟悉 芯片各个部分的功能及 L298 控制电机设计。 进行基于单片机控制的乒乓球发球机软件设计，与其他同学配合实现乒乓球发球机控制系统软硬件结合，实现所需要的功能。 具体而言： (1) 了解 STC89C51 单片机的特性、指令系统、程序设计、 Keil uVision 开发环境； (2) 研究、分析乒乓球发球机控制系统设计方案； (3) 分析自动乒乓球发球机的工作原理及工作过程； (4) 实现基于 51 单片机控制的控制系统软、硬件联机控制。 本课题设计步骤 本课题的研究与设计为时一个学期，经历了选题、选择方案、 硬件设计、软件编写、调试等过程，具体的流程如图 所示： 7 确定任务选机型 、 划分软 /硬件软件编程硬件设计联机仿真调试排除故障 、 修正软件固化程序应用系统独立运行开始结束 图 系统设计流程图 8 第 2 章 乒乓球发球机控制器设计分析 本章节的研究内容包括：乒乓球发球机的结构、电动机选择、主控单片机的和主要芯片的选择、以及电机的调速方法。 乒乓球发球机的结构及电动机选择 如图 所示：乒乓球发球机由机座、乒乓球输送机构、拨球机构、摇摆机构和发射机构组成。 图 乒乓球发球机的机械结构图 电动机选择：拨球机构的作用是将乒乓球 按照一定的速度靠自身重力落入输送机构，可以用步进电机来带动；输送机构与拨球机构中乒乓球的速度和方向一致，只负责将球送入发射机构，此过程可以用直流电机带动；摇摆机构的作用是带动发射装置实现上下、左右的摆动，从而使发球的角度和弧度发生变化，可采用步进电 9 动机来带动；发射机构的发射装置设计为由两个摩擦轮组成，分别由两个直流电动机来带动，通过控制两个直流电机给予不同速度，从而实现乒乓球的上、下旋。 主控单片机的选型 本系统采用 STC89C51 为核心处理器 ,STC89C51 是单片机是 是一个 新一代抗干扰， 低功耗，高 性能 CMOS 8 位单片机， 片内含 4KB 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器， 128B 的随机存取数据存储器（ RAM），与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 本系统需要扩展 I/O 口，因此选 89C51 比选 80C31 少扩展ROM，节省电路空间，且应用较为普遍 ,其引脚如图 所示： 图 STC89C51单片机引脚图 单片机的主要特性 （ 1） 增强型 6时钟 /机器周期， 12时钟 /机器周期 8051CPU； （ 2） 用户应用程序从 4K～ 64K不等； （ 3） 3V/5V工作电压，操作频率 0～ 33MHz； 5V工作电 压，操作频率 0～ 40MHz； （ 4） 4个 8位 I/O口，含 3个高电流 P1口，可直接驱动 LCD； （ 5） 可编程看门狗定时器（ WDT）； 10 （ 6） 兼容 TTL和 CMOS逻辑电平； （ 7） 3个 16位定时器 /计数器； （ 8） 通用异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个 UART； （ 9） 掉电 检测和低功耗模式等。 液晶显示芯片的选择 本设计中，液晶显示器是一个非常重要的模块，其作用是对乒乓球发球机发球状态进行实时监控并可以 显示制作者信息，当前工作模式和提示用户操作。 常用的是 LCD1602 和 LCD12864。 LCD1602 是一种专门用于显示字母、 数字、符号等的点阵式 LCD，而 LCD12864 一般用来显示汉字。 根据本设计所要实现的功能，应该选用 LCD12864 液晶显示器。 LCD12864 外 形 如图 所示 ： 图 LCD12864外形图 LCD12864 汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，提供 8 位， 4 位并行接口及串行接口可选，内置 8192 个中文汉字（ 16 16 点阵）、 128 个字符（ 8 16 点阵）及 64 256 点阵显示 RAM（ GDRAM）。 显示屏最多可实现 32 个中文字符或 64 个 ASCII码 字符的显示。 其优点如下： (1) 显示质量高 ； (2) 数字式接口 ： 和单片机系统的接口简单可靠，操作方便 ； (3) 功耗低 ； 11 (4) 体积小、重量轻。 LCD12864 引脚说明 LCD12864引脚图如图 ： 图 LCD12864引脚图 (1)VSS： 模块的电源地 ； (2)VDD： 模块的电源端 ，通常使用 5V 电压； (3)VO： LCD 驱动电压输入端，对比度（亮度）调整 ； (4)RS： 数据 /指令选择端： RS 为高电平时，表示 DB7~DB0 为数据； RS 为低电平时，表示 DB7~DB0 为指令； (5)R/W：读 /写 选择信号。 R/W 为 高电平时，读取数据； R/W 为低电平时，写入数据； (6)E： 并行的使能信号（脉冲有效） ； (7)DB0~DB7： 数据位 0~数据位 7。 (8)PSB： 并 /串行接口选择：高电平时为并行接口 ； 低电平时为串行接口； (9)NC： 空脚； 12 (10)/RST：复位，低电平有效； (11)LED_A：背光源正极； (12)LED_K：背光源负极。 LCD12864 工作时序 本设计所采用的液晶显示模块，主要体现在软件中，对 LCD12864 的编程是一个重点和难点。 要实现对 LCD12864 的编程，就 必须对 其工作时序图 清楚地 把握。 单片机与 LCD12864的数据传输有两种模式：并行通信模式和串行通信模式。 本设计采用并行通信模式。 LCD12864的并行读 /写操作时序如图 (a)和 (b)所示： 图 (a) LCD12864的并行读操作时序 13 图 (b) LCD12864的并行写操作时序 由图可知：当需要写指令字，设置 LCD12864 的工作方式时：需要把 RS 置为低电平， RW 置为低电平，然后将数据送到数据口 D0~D7，最后 E 引脚一个高脉冲将数据写入。 当写入数据字，在 LCD1602 上 实现显示时：需要把 RS 置为高电平，RW 置为低电平，然后将数据送到数据口 D0~D7，最后 E 引脚一个高脉冲将数据写入。 驱动芯片的选择 L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N， 内部包含 4 通道逻辑驱动电路。 是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H桥的高电压大电流双全桥式驱动器。 可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机， 而且电路简单，使用比较方便。 其优点如下： (1)可实现电机正反转及调速； (2)启动性能好，启动转矩大； (3)工作电压高，最高 达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A。 L298N 引脚说明 L298N 引脚图如图 所示： 14 图 L298N引脚图 L298N内部逻辑图如图 ： 图 L298内部逻辑图 (1) SENSINGA/SENSINGB：与地之间连接电流检测电阻，将检测量反馈给步进电机控制芯，可以恒流驱动步进电机。 (2)OUTPUT1/OUTPUT2：全桥驱动器 A。