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乒乓球自动发球机计算机控制系统的设计
摘要为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的， 本文针对乒乓球发球的特点， 从总体上设计了一种新型的乒乓球发球机:自动乒乓球发球机。 本文综述了国内外乒乓球发球机的现 状，对已有发球机的机械结构进行分析，根据所需实现的功能，提出了改进的设计方案。针对该发 球机发球装置的缺陷，采用对转双轮的发球原理，使其能够实现旋转球和不旋球的发射;考虑原摆动 装置的机械结构繁琐，不宜进行自动控制，对其进行了改进设计;此外，增加设计了升降装置，使发 球功能更完善。根据乒乓球飞行过程的受力分析建立了数学模型，分析了控制落球点各参数的合理 取值范围，得出其相互制约关系。论述了该自动乒乓球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及 控制系统，并详细介绍了该控制系统的设计过程，具体包括外围设备的选择、电动机的选择、PWM 驱动器的选择等，论证说明了该控制系统的可靠性。 改进后设计的乒乓球发球机是一种新型的、性价比高的自动型发球机，它可以发出各种适合练 习者需要的球，利用计算机对各种球的速度、角度、旋转进行控制，以满足练习者的不同技术需求。 同时设置了随机发球模式，对发球速度、发球角度和发球高度等参数进行随机化，实现落球点的随 机变化。关键词:乒乓球发球机，对转双轮，运动分析，发球模式IABSTRACT In order to enable the Practices to study the table tennis technology well and achieve the goal of building their body and exercise，considering the characteristics of the table tennis served，a new kind of table tennis serving machine was designed in this thesis: That is the self-control table tennis serving machine. In this thesis，the status quo of the table tennis serving machine-wash summarized at home and abroad. The mechanical structure of the existing serving machine was analyzed. According to the functions to be achieved，the design option of the existing serving machine was improved. Considering the serving device directs，these serving principle about the double wheels face to face circumrotating was proposed achieve rotating and non-rotating The new serving machine can bal-launcher. The structure of the swing device wasre-designed to facilitate the realization of automatic control，because of the complicated structure. The lifting motion was designed to improved its function. The mathematical model was established under the table tennis of mechanics analysis in fling.The reasonable spans of the Parameters about controlling the falling ball Points were confirmed. The design thought， principle，structural features and control system about the self-control table tennis serving machine were dissertated in this thesis. The control systems including the Peripheral equipment， the motors， the PWM drive and so on were designed， and they are reliability. The principle about randomly serving the pingpang was discussed， and the program was designed. The improved design of the table tennis serving machine is a new-model，cost-effective self-control serve machine. It can serve all kinds of balls for the practitioners. It controls the speed，the angle and the rotation direction of the ball by using the computer. The random serving Patten was designed. The fall points of the table tennis become randomly，by the randomization of the serving speed，angle and height. KEYWORDS: the table tennis serving machine，the double wheels，face to face circumrotating，movement analysis，serving patternII目录摘 要......................................................... I ABSTRACT...................................................... Ⅱ 目录........................................................... I 第一章 绪 论 ................................................... 11.1 引言 ............................................................... 1 1.2 国内外乒乓球发球机的研究现状 ....................................... 1 1.2.1 国外乒乓球发球机的研究现状 .................................... 2 1.2.2 国内乒乓球发球机的研究现状 .................................... 3 1.3 论文主要内容及课题意义 ............................................. 4 1.3.1 课题研究的内容 ................................................ 4 1.3.2 课题研究的现实意义 ............................................ 5第二章 自动乒乓球发球机的机械系统设计 .......................... 62.1 改进前的乒乓球发球机简介 ........................................... 6 2.1.1 改进前的乒乓球发球机的机械结构 ................................ 6 2.1.2 改进前的乒乓球发球机的工作原理 ................................ 7 2.1.3 改进前乒乓球发球机的结构分析 .................................. 8 2.2 自动乒乓球发球机的机械系统改进设计 ................................. 8 2.2.1 自动乒乓球发球机的摇摆机构改进设计 ............................ 9 2.2.2 自动乒乓球发球及的升降机构设计 ............................... 10 2.2.3 自动乒乓球发球机的发射机构改进设计 ........................... 10 2.2.4 自动乒乓球发球机的电动机选择 ................................. 10第三章 乒乓球的运动分析及发球机的参数设定 ..................... 133.1 自动乒乓球发球机的工作原理 ........................................ 13 3.1.1 乒乓球飞行过程的力学分析 ..................................... 13 3.1.2 乒乓球质心运动的数学模型 ..................................... 15 3.1.3 乒乓球飞行过程的分析 ......................................... 19 3.2 自动乒乓球发球机的工作过程 ........................................ 20 3.3 自动乒乓球发球机的技术参数 ........................................ 21第四章 自动乒乓球发球机的控制系统设计 ......................... 224.1 总体设计 .......................................................... 22 4.2 自动乒乓球发球机硬件电路设计 ...................................... 22 4.2.1 看门狗电路设计 ............................................... 23 4.2.2 键盘和液晶显示电路的设计 ..................................... 25 4.2.3 红外遥控系统的设计 ........................................... 31I4.2.4 电动机转速测量电路设计 ....................................... 33 4.3 电动机控制系统设计 ................................ 错误！未定义书签。 4.3.1 直流电动机的控制系统 ......................... 错误！未定义书签。 4.3.2 步进电动机的控制系统设计 ..................... 错误！未定义书签。 4.4 自动乒乓球发球机的软件设计 ........................ 错误！未定义书签。 4.4.1 软件设计分析 ................................. 错误！未定义书签。 4.4.2 软件设计流程图 ............................... 错误！未定义书签。第五章结论 .................................... 错误！未定义书签。 致 谢 .......................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ......................................... 错误！未定义书签。 附录：中文翻译及外文资料 ......................................... 60II第一章 绪 论尽管自动乒乓球发球机在我国起步比较晚，但对其的研究很有重要的现实意义。体 育事业在我国正在蓬勃发展，尤其是随着我国运动员在奥运会中连续取得佳绩，极大地 调动了全国人民投入体育运动的热情。乒乓球运动作为我国的国球，受到人们的广泛喜 爱，更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材。正是在这种情况下，研究乒乓 球发球机是极其必要的。1.1 引言现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统 计， 运动消费作为一种绿色消费， 近几年来在我国人民日常消费中所占比例呈增长趋势。 可以预见，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需 求也将会不断扩大。 而乒乓球作为我国的国球，它集健身、竞技、娱乐于一体，不仅可以锻炼身体，还 可以练习头脑的灵活性、眼睛的反应力以及全身的协调性，因此在我国有着广泛的群众 基础。对于初学者，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多，这样要提高技术水平 就很慢，也削弱对乒乓球的兴趣。对于高水平的专业选手，由于人手发球速度和频率会 有一个极点，而且陪练员长时间发球也不可能，因此要进行变化多、强度大的多球练习 比较困难。使用乒乓球发球机进行辅助训练，可以解决这些问题，所以发球机的使用越 来越普及了。由于目前发球机的出球性能决定了它多适用于基础阶段人员使用，对于技 术水平较高或有复杂组合技术的使用者以及进行实战训练还比较困难。 本课题设计研究了一种多功能的自动型乒乓球发球机，它主要利用机械电子相结合 的技术，对现有发球机的结构和控制电路加以改进升级，使其便于实现自动控制。这种 发球机可以人为的将发球速度控制在 10m/s 到 20m/s，发射多速度、多角度的单一路线 球或组合路线球以及随机球， 并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需 求，提供了自选模式训练、随机模式训练和具有记忆功能的强化训练，使得使用者掌握 规范全面技术的时间大为缩短。1.2 国内外乒乓球发球机的研究现状在六十年代末和七十年代初， 欧洲出现了乒乓球发球机。 它是通过一定的机械装置， 按乒乓球技术训练的不同要求，将球不断发射出来。发球机发出的球，比人速度更快， 力量大，且旋转更强，所以，它对提高乒乓球运动员的训练水平有一定的作用。 目前市场上销售的乒乓球发球机，按出球方式可以分为三类:一类是轮式发球机， 一类是压气式发球机，另一类是捶击式发球机。其中轮式发球机的原理是由于装有轮子 的通道空间很小，当球从滑轨滚入通道时，轮子就将球喷出。这种情况和小石头被打滑 的车轮喷出是一样的。这种发球方式有两种，一种是单轮驱动，另一种是双轮驱动。单1轮驱动发球机的弊端是:发出来的球如果速度快，那么同时旋转也强;如果速度慢，那么 同时旋转也弱。这和人们实战打球是完全不同的，实际上球速和旋转并不是完全成正比 的，比如攻球的速度最快，但是旋转并不强;而弧圈球虽然旋转极强，但是速度未必很 快。双轮驱动的发球机完全解决了单轮驱动速度和旋转的矛盾，可发出各种旋转的球， 同时也可以发出不转球。压缩式发球机是利用空气压缩机来发射球的，球被装入长桶的 底部由一个窄口固定住，这个窄口的直径比球的直径略小一些。当压缩空气推挤乒乓球 穿过窄口的时候，球就被发射出去了。这种发球机的缺点是噪音极大而且不能提供高的 性能，同时，空气压缩消耗的功率很大，难以使用电池来供电;它的优点是价格比较便 宜。捶击式发球机有多种设计方案，最常见的是通过凸轮带动摆杆，将落入发球口的乒 乓球击出去，这种方式性能单一，而且不方便控制，已经逐渐被淘汰。 按控制类型可以分为两类:一类是半自动，简单操作系列;另一类是全自动，电脑程 控系列。半自动乒乓球发球机，无论是安装还是使用都比较麻烦，而且发球的方式、力 量、速度都是固定的，如果要改变各项技术参数，就必须停下来，人工来校准调整机头 旋转角度，来实现各种旋转球，手动抬高或降低机头，来调整球的射程弧度，而且机械 性能比较差，经常卡球，但这类产品在市场上占的比重还是比较大，而且有很多俱乐部 还在用它，究其原因，主要是因为价格低，虽然是功能不强但丢掉还是可惜的。全自动 乒乓球发球机，是由全电脑程控的，能模拟运动员常用的技术，可发出攻球、前冲弧圆 球、削球、长胶球等高性能的球，其中包括九种与真人发射基本相同的基本球，另外还 能发多种速度不同的球，从而可派生出多种多样性能的球，使用非常的人性化。其电脑 记忆功能还能记录球员打球的路数，能起到专业陪练效果。这种机器虽然性能很高，但 价格也比较贵。 1.2.1 国外乒乓球发球机的研究现状 国外的乒乓球发球机发展比较快，其功能比较齐全，自动性能也比较高，既可以满 足普通练习者的需求，也可以满足专业运动员的日常训练要求。目前，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 NEWGY 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。2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漩向的球; 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(38mm/40mm)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。 2.Butterfly 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 45°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: 1.半自动式乒乓球发球机: 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。 2.双蛇牌乒乓球发球机:3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、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。 3.许绍发智能乒乓球教练机: 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。1.3 论文主要内容及课题意义 1.3.1 课题研究的内容各种不同的乒乓球发球机都有各自的强项和弱点，综合分析后发现，这些发球机由 于自身机械结构的限制， 都不能完全实现自动控制， 某些功能的实现需要进行手动调节。 同时其发球模式比较单一，不能完全模拟人工发球原理。 本课题的设计内容是以现有乒乓球发球机为背景，对其进行改进设计以能满足实现 随机发球及自动控制的要求。根据所需实现的功能，对现有乒乓球发球机的摇摆机构和 发射机构进行改进设计，使其结构尽可能简单且方便控制，说明了要实现的主要技术参4数指标以及达到这些技术参数指标所需要的保障，并对该方案的可行性进行一个初步的 论述。分析了自动乒乓球发球机的工作原理及工作过程，并阐述了这种工作过程的可靠 性及优越性。根据乒乓球飞行过程的受力分析进行数学建模，分析了控制落球点各参数 的合理取值范围，得出其相互制约关系。最后对自动发球机进行相应分析设计，完成其 设计方案，同时对控制电路进行相应的设计，最终得出结论，说明设计出这样的自动乒 乓球发球机是完全可行的。 具体内容可分为以下几个大部分: 1.自动乒乓球发球机的机械机构改进设计 2.自动乒乓球发球机的工作原理及工作过程 3.乒乓球运动过程的分析 4.自动乒乓球发球机控制系统的设计研究1.3.2 课题研究的现实意义自动乒乓球发球机是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物。用自动控 制取代以往的纯电路控制，可以增加许多性能，能更好地适应各种训练的需求。在控制 方面采用单片机控制，不仅可以提高发球性能，而且能够降低成本，可以大大地提高训 练效率。改进现有发球机的不足之处，使其能满足不同的使用需求。从经济观点或科研 方面考虑， 自动乒乓球发球机的开发、 研究与应用都能极大地推动体育运动事业的发展。5第二章 自动乒乓球发球机的机械系统设计本章通过对原乒乓球发球机的实际问题进行分析，提出了自动乒乓球发球机的设计 原理，同时对其整体结构做了一个说明，对其相应改进部分所具有的功能也做了详细的 介绍。自动乒乓球发球机与原发球机相比，其不同之处在于将机器和电脑的智能结合起 来控制乒乓球的速度和旋转，经过控制，有效地作到了按人的各种运动需求来制定相应 的方案，发出满足各种需求的球，并力求物廉价美。 现在市场上的自动乒乓球发球机形式多种多样，结构也各不相同。根据发球的动力 等自身特点，本课题设计的新型自动发球机，是通过对现有发球机进行分析，保留了它 的一些传统结构特点，同时也做得适当的结构改进以方便对其进行自动控制，具有一定 程度的创新。2.1 改进前的乒乓球发球机简介2.1.1 改进前的乒乓球发球机的机械结构 如图 2-1，改进前的乒乓球发球机由机座、乒乓球输送机构、拨球机构、摇摆机构、发 射机构和传动机构组成。图 2-1 改进前乒乓球发球机的机械结构图 乒乓球输送机构设置在机座的底座上，而摇摆机构、发射机构设置在底座的上端， 其中输送机构包括储球器和设置在底座内的送球通道，储球器中设有拨球杆 ;在送球通6道中设有可以转动的输送轮，其上设有半圆形卡球槽。送球通道前段大致为垂直设置， 后段设计为大圆弧，中段设计为小圆弧，中段与后段的相接成阿基米德螺旋线形。摇摆 机构由发球控制器和摆杆组成，发球控制器包括离合装置和角度调整装置。发射机构由 高速旋转的发射轮和能调整发射口上下摆动的调整机构组成。传动机构包括电动机和减 速齿轮。机座则由底座、中部支承杆和上弧形杆组成，发射机构固定在上弧形杆顶端， 而摇摆机构由中部支承杆固定。中部支承杆、上弧形杆的内部为空管，使乒乓球能够沿 空管上行。 2.1.2 改进前的乒乓球发球机的工作原理 改进前的乒乓球发球机工作时，由传动机构中的电动机带动减速齿轮组转动，其中 一组齿轮将运动传到输送轮，使输送轮转动，由输送轮上的卡球槽将乒乓球推入送球通 道，乒乓球沿着送球通道上升到发射机构。另一锥齿轮组将运动传到储球器内的拨杆， 使拨杆转动，拨动乒乓球使其尽快进入送球通道，防止卡球 ;该组齿轮同时将运动通过 传动杆传递到摆动机构，使摆动机构控制发射机构实现摆动。 1. 摇摆机构的工作原理:图 2-2 改进前乒乓球发球机的摇摆机构示意图 摇摆机构前段设置的发球控制器，使乒乓球的落点能固定在某点或者调整乒乓球左 右落点的摆幅。如图 2-2，在传动杆的顶端设有一固定盒，其内设有主动轮，与主动轮 相对应的位置设有从动轴，其上设有止动轮和与角度调整装置相啮合的上齿轮 ;从动轮 和主动轮之间设有可在从动轴上上下滑动的中间离合齿轮，旁边是拨动该齿轮滑动的拨7动机构;中间离合齿轮的下端与主动轮可相配合，下端与制动轮可相配合。角度调整装 置的中空轴下端设有于从动轴的上齿轮啮合的齿轮，上端穿过固定盒的上内壁，内部装 有带手柄的手柄轴;在齿轮内设有内腔，其内设有带内齿的偏心齿轮，手柄轴的下端设 有卡在内腔内的小齿轮，偏心齿轮与小齿轮内啮合 ;在内腔的旁边设有卡掣偏心齿轮的 卡掣件;在内腔的下面固定一带有限位孔的压盖，限位孔有一近轮中心端和一偏轮心端; 偏心齿轮的下端伸出有凸台，凸台可以卡在限位孔内，凸台的一端通过摆杆与设在机座 上端的发射机构相连接。 其工作过程是:手动调节拨动机构，当拨叉拨动中间离合齿轮向上滑动，与止动轮 啮合时，传动杆输出端的主动轮带动中间离合齿轮旋转，则从动轴也可旋转 ;通过从动 轴上与角度调整装置上相互啮合的齿轮，带动其中空轴内的小齿轮转动，则与小齿轮内 啮合的偏心齿轮旋转，从而带动摆杆摆动。该偏心齿轮下的凸台在限位孔内的近轮中心 端与偏轮心端之间滑动，则摆杆也随着凸台在此滑动。当凸台在近轮中心端时，摆杆的 摆动范围小些;在偏轮心端时，摆杆的摆动范围就大些。因此通过调节偏心齿轮的凸台 在限位孔的位置即可控制摆杆的摆动范围。 当其拨叉拨动中间离合齿轮向下滑动，与止动轮脱离啮合时，传动杆输出端的主动 轮就不能带动中间离合齿轮旋转，而且止动轮卡掣中间立和齿轮，从而使从动轴也不能 旋转，则从动轴上的上齿轮就不能带动角度调整装置的齿轮旋转，摆杆就不能带动发射 机构转动，致使发射机构定在某一位置发球。 2.发射机构的工作原理: 操纵发射机构上的调整机构，可以调整发射口有不同的倾角，能实现乒乓球落到不 同的前后落点。而发射机构中的发射轮，有电动机带动高速旋转，当乒乓球进入发射机 构，与旋转轮接触时，旋转轮作用在乒乓球上，将乒乓球从发射口快速射出。 2.1.3 改进前乒乓球发球机的结构分析 综上所述，该乒乓球发球机机械结构复杂，由两个电动机分别带动相应装置实现发 球功能。其性能比较单一，只能实现发球落点的前后、左右变化，同时只能发射一种旋 转球，手动调节手柄，可控制摇摆机构的摆动范围。当需要固定在某一位置发球时，在 发射机构转到该位置时， 搬动拨动机构的手柄， 使摇摆机构停止摆动， 才可发射定点球。 相反方向搬动该手柄，则摇摆机构从新摆动。由于是手动调节，使用不方便，调节也不 准确。同时由于机械结构自身的不足，即使对其进行自动控制，在功能上也不会有很大 提高。2.2 自动乒乓球发球机的机械系统改进设计自动乒乓球发球机的设计思想是:储球机构中的乒乓球，靠自身重力落入输送机构， 输送轮通过其上的半圆形卡球槽将球送入送球通道，球在通道内依次排成一列，后面的 球将前面的球顶入发射机构。发射机构中的双旋转轮可将球发射出去，调节两轮速度与8旋向即可实现不同旋向球;发射机构中的调整装置可调节出球口的上下角度，即可改变 发球的弧度。通过摇摆机构调节出球的左右变化角度。 针对所要设计的自动乒乓球发球机的特点，其机械功能应包括:通过控制盒上相应 按键来实现各种功能，如改变发球速度、频率、旋向，以及出球角度和弧度。对原有乒 乓球发球机的结构进行分析，为能保证这些功能的实现，需对其部分复杂机械结构进行 改进，加入方便进行自动控制的元件。通过分析，主要对原乒乓球发球机进行两方面的 改进设计，即摇摆机构和发射机构的改进。 要设计好整个自动乒乓球发球机的机械结构，首先要了解乒乓球和乒乓球桌的参 数。乒乓球是一种硝化纤维组成的，直径为 40 毫米的圆球，它质轻而心空，弹性好， 重量为 2.7 克。标准的乒乓球桌的长为 2.74 米，宽为 1.525 米，球网 15.25 厘米。球 的飞行方向:球在球台上空沿一定弧线飞行。如果要准确地落到对方台面，不仅受到球 台长度和球网高度的限制，而且还受到球台宽度的制约。为此必须要求乒乓球的飞行方 向正确，保证乒乓球既不会出界，又能落到战术所需要的区域。 2.2.1 自动乒乓球发球机的摇摆机构改进设计 该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，同时要求这种变化可控制。考虑其要实现的功能，可采用步进电动机来带动转 动装置进行角度和弧度的变化。 近年来，随着微型计算机的发展，步进电动机的控制方式更加灵活多样，它改变了 原来的复杂控制电路，由计算机通过软件来控制，更好的挖掘出其潜力，使得步进电动 机使用更为普遍。步进电动机受脉冲信号控制，其转子角位移与输入的控制脉冲数相对 应，转子转速与控制脉冲频率成正比，因此不需要位置传感器即可进行高精度、高可靠 性运行。 改进后的自动乒乓球发球机机械结构如图 2-3。送球管道由一段可弯曲的橡胶管连 接两段直管组成， 齿轮 2 由步进电动机带动转动， 与其啮合的齿盘固定于出球的管道上， 当其转动时，即可实现出球管道的上下摆动，控制步进电动机的角位移和转速即可控制 出球管道的摆动角度和速度。在垂直的送球管道下端装有一齿盘，它与齿轮 1 啮合，即 为左右摆动装置，其原理与上下摆动装置相同，由步进电动机带动实现左右摆动。9图 2-3 自动乒乓球发球机的局部机械结构 2.2.2 自动乒乓球发球及的升降机构设计 为能更好实现不同的球路变化，该自动发球机增加了可调节发球高度的升降机构。 其结构为由步进电动机带动滚珠丝杠转动，则与丝杠配合的螺母在丝杠上上下移动，螺 母上固定的托盘带动其上的送球管道和摆动装置一起上下移动，从而实现了出球口高度 的调节。 滚珠丝杠是精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线形 运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。本 设计滚珠丝杠的选择是根据升降机构的快速响应性和发球高度的变化来决定的，采用 3Ocm 长、直径和螺距都为 40mm 的高精度滚珠丝杠。 2.2.3 自动乒乓球发球机的发射机构改进设计 为改变原发球机只能发射上旋球的缺点，该自动发球机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。当两摩擦轮的速度不同时，即可发射不同旋 转速度的上旋球或下旋球;当两轮的速度相同时，即可发射不旋球。通过调节电动机的 转速即可调节球的初速度。 2.2.4 自动乒乓球发球机的电动机选择 从以上内容可知，自动乒乓球发球机的机械运动主要是由电动机来提供动力源的， 因此电动机的选择在本设计中非常重要。电动机选择的技术指标包括:(l)容易控制，可 控性好;(2)控制精度高;(3)直线运动的步进电动机功率要大，速度要快;(4)控制供球频10率的电动机力矩要大，稳定性要好;(5)防震和防干扰性能要好等。以带动升降装置的步 进电动机的选择为例，其参数为:四相步进电动机，其保持转矩为 ?1 =0.16N?m，转动惯 量 J M =0.035 ? 10 4 K?O，功率为 ? =67W，额定电流为 ? =0.75A，电源输入为 U=100V。 该电动机和丝杠是直接连接的，所以减速比 GL 为 1/1，已知的其他参数:丝杠螺距 BP 为 40mm、输送重量 W 为 3kg、推力 F 为 0kg (无)、铁的密度 ? 为 7.85x 10 3 kg/ m 3 ，则 (a)对步进电动机轴换算的负载转动惯量 J L 为: 丝杠的转动惯量 J 1 为(其直径 D1 为 40mm、长度 L 为 300mm):? D1 ? ? ?GL?2 L J 1 = ?? 32 1000 ? 1000 ? ? ???4= ? ? 7.85 ? 103?1000? ? ?11 ? 324 22=5.93 ? 10 ?4 (K?O) 可动部分的转动惯量 J 2 为(输送重量 W 为 3 K):J 2 =W 1? 2? ? BP 1000? ? ?GL? ? ? ?11 ? =3 ? ?1 ? 40 2? 10002 22=1.22 ? 10 ?4 (K?O) (b)对电动机换算的负载转矩 TL 为(输送重量为 W 为 3kg、摩擦系数 ? 为 0.1、滚珠丝杠的机械效率 ? 为 0.9): BP ? ?GL? TL = ? ?9.81 ? W ? F ? 2?? 1000??= 0.1? ?9.81 ? 3 ? 0?2? ? 0.9?401000?? ?11 ?min时):=2.08 ? 10 ?2 (K?O) (c)升降装置的最大移动速度 v 为(步进电动机轴最大转速为 n=4000 r V=(40002? ? 60 ) ?40（m／s）(d)最短加速/减速时间 t AC 为(最大转速时电动机的转矩为 ?2 =0.05N.m): t AC = ( J M ? J L ) ? 2? ? n 2? 60(T2 ? TL )?4 = (0.035 ? 1.22) ? 10 ? 2? ? 40002? 60(0.05 ? 0.02)=0.29 (s) 可知在这样的条件下升降装置要加速到 0.42m/s，至少需要 0.29s11发射装置的两个直流电动机的参数为:额定功率为 P=25W，额定电流为 I=0.27A，单 相电压为 U=220V，额定转速为 n=3000r/min 摆动装置的两个步进电动机的参数为:四相步进电动机， 其保持转矩为 T1 =0.13N? m， 转动惯量 J M =0.03 ? 10 ?4 (K?O)，功率为 P=55W，额定电流为 I=0.75A，电源输入为 U=100V。 输送机构的直流电动机的参数为:额定功率为 P=15W ，额定电流为 I=0.19A，单相 电压为 U=220V，额定转矩为 TN =0.125N?m，额定转速为 n=1200r/min。12第三章 乒乓球的运动分析及发球机的参数设定本章对自动乒乓球发球机的设计原理和工作过程做了简单介绍，同时根据乒乓球在 空中的受力情况建立了其数学模型，分别对不旋球和旋转球的运动轨迹进行了分析，确 定该乒乓球发球机可以通过调节各种参数，得到不同落点的球，从而满足了设计要求。3.1 自动乒乓球发球机的工作原理自动乒乓球发球机是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物，它具有自 动化程度高、灵敏度高、稳定性可靠等多种特性。其发球的基本原理是利用对转双轮的 原理，如图 3-1，乒乓球由于受到两个反向旋转摩擦轮的作用，可以获得一定的初速度， 而两个摩擦轮由直流电动机带动工作。直流电动 机直流电动 机图 3-1 对转双轮原理图 根据上图的原理可以看出，当电动机旋转使带动两个摩擦轮转动，同时摩擦乒乓球 使其获得一定的动能，乒乓球才得以发射出去。这种原理方案简单又实用，既能保证乒 乓球发射的稳定性，又能极好地控制乒乓球发射的转向、角度及速度，使用户随心所欲 地练习打乒乓球。 设轮子的角速度分别为 ?1 、 ? 2 ，半径都为 R，那么就可以计算出轮子的线速度为:? 1 ? ?1 R，? 2 ? ? 2 R当 ?1 = ? 2 时， 乒乓球不旋转， 所获得的瞬时速度即初速度为? =? 2 ? ? 1 ;当 ?1 & ? 2 时， 乒乓球沿轮 l 方向旋转，所获得的初速度? =(? 1 +? 2 )/2;当 ?1 & ? 2 时，乒乓球沿轮 2 方 向旋转，所获得的初速度也为? =(? 1 +? 2 )/2。因此通过测量两摩擦轮的角速度就可以求 得乒乓球的初速度。 3.1.1 乒乓球飞行过程的力学分析 乒乓球的质量 m=0.0027 K，直径 d=0.040m。经发球机发出去后，产生速度和角速 度，速度给出运动的大小和方向，角速度表明了旋转轴的方向。测试表明 :乒乓球运动 最大速度达 20m/s，旋转球的最高转速可达 3000 r/min。 乒乓球在空气中运动时，受到以下三个力的作用:131.重力 G=mg。 2.空气阻力 FD ，与速度 v 方向相反。 当乒乓球在空气中运动时，由于空气存在粘性和惯性，会产生阻力，乒乓球将留下 湍流尾迹。该阻力包括摩擦阻力和压差阻力，摩擦阻力的大小取决于边界层的性质 :是 层流还是紊流;压差阻力是由于边界层产生分离的结果。其实际大小可通过风洞实验测 定，为方便通常采用的计算公式是: FD = C D ? A? 2 ／2 其中: ? 一空气密度;A= ? d 2 /4 一迎风面积;v 一速度; C D 一阻力系数，是一个无量纲 的量。 空气阻力的大小与雷诺数有密切关系，当雷诺数 R g &1 时，乒乓球前后的气流层不 发生分离，阻力正比于速度;随着雷诺数增大，在 10 3 & R g &3 ? 10 5 范围时，包围球体的 边界层发生分离，阻力系数基本为常数;在大于某一临界雷诺数时(光滑球为R g &3 ? 10 5 )，边界层完全变成湍流，分离点后移，阻力系数突然下降。由于包围粗糙球的边界层更容易分离，粗糙球的临界雷诺数比光滑球的要小。 假 设 大 气 温 度 为 20 ℃ 时 ， 则 取 空 气 密 度 为 : ? =1.205 kg/ m 3 ， 空 气 粘 度 系 数: ? =1.82x 10 ?5 Pa?m。 则雷诺数为: R g = ? vd?2 ? =1.205 ? 0.040v 1.82 ? 10 ?5 =2.648 ? 10其中:d 一乒乓球球的直径， v 一乒乓球在空气中的速度。 当乒乓球速度达最大(v=20m/s)时， R g =5.296x 10 ?4 ，由图 3-2 可知，包围乒乓球 的气流层处于层流状态， 其阻力系数基本为常数。 有论文提出， 网球在 13.6m/s&v&28m/s， 800r/min～ 3250r/min 时，其阻力系数的表达式为:? ? C D =0.508+ ? ? ?? ? 1 5 ? 22.053 ? 4.196 ? v 2 ? ? ?25? ?由上式可知，C D 只依赖于 v/ ? ， 其中:v 是球运动的线速度，? 是球旋转的角速度， 对于乒乓球可以忽略球旋转的减速度，认为 ? 是常数。本文可采用它来分析乒乓球的运 动轨迹，经过分析，选取 C D =0.757。此 处 省 去 NNNNN 需 要 更 多 更 完 整 的 图 纸 和 说 明 书 请 联 系 秋 ? ?? ? ??3.马格努斯力 FL ，其方向垂直于 v 和 ? 。14当乒乓球旋转着在空气中飞行时，通过球体上方的流速会加快，而通过球体下方的 流速则会减慢。由于摩擦力的作用，球体的表面上有一层薄薄的流体边界层，边界层里 的流体对球体的相对速度为 0;在边界层中， 离球体表面的距离越远则流速越快。 在球体 旋转的状况下，因为球体上方的流速增大而下方的流速减小，上方的流线也比下方的流 线密，所以球体上下方的流体就产生压力差。此外，球体上方气流的分离点会被推向更 后方。结果在球体周围产生不对称的流动模式和垂直于流动方向的净升力，即马格努斯 力。如果球体表面比较糙，不只是摩擦力增加，也会使升力增加。 如图 3-2，当发球机发出下旋球时，由右手定则显示球的角速度方向为由发球机向 右，马格努斯力方向向上，而上旋球的力则向下。马格努斯力的计算公式为:? ??? ?? ? ??1 ? ? ? FL = C L ?A? 2 2 ? ?CL 为 马 格 努 斯 力 升 力 系 数 ， 和 阻 力 系 数 相 似 ， 引 用 文 献 数 据 得 :CL =1 ?? ? 2.022 ? 0.981 ? ? ? ?? ?。C L 与 C D 相比小得多，但对乒乓球的轨迹有很大影响。经过分析，选取 C L =0.50。图 3-2 马格努斯力的形成 3.1.2 乒乓球质心运动的数学模型 要研究乒乓球在空气中的质心运动，首先要明确乒乓球在空气中的质点运动主要用 那些量来描述。由于乒乓球运动的基本问题是个平面运动问题，所以要知道乒乓球质心 在空气中的运动规律，必须知道乒乓球离开发球机后任意时间 t 的坐标(x，y);若能知 道 t 时的乒乓球质心运动速度? 的大小和方向―乒乓球的倾角 ? ，就可以确定乒乓球将15以什么速度飞向何方。因此如果能够知道变量 t、x、y、v 和 6 等五个变量之间的函数 关系，就可以完全解决乒乓球质心在空气中运动的问题。 1 建立数学模型一(只计重力，不计阻力与升力):图 3-3 直角坐标系一 如图 3-3， 将乒乓球视为一个质点， 质量为 m 的乒乓球从原点(0， 0)发射以初速度? 0 沿 ? 角的方向射出，设乒乓球在时刻 t 的位置矢量为:r (t)=[ x(t)，y(t)] T ，则乒乓 球的初速度为:， ? (t)=[ x ' (t)，y ' (t)] T ， 加速度为: a (t)=[ x & (t)，y & (t)] T ， 乒乓球所受的重力和阻力分别为: f 1 =[0mg] T ， f 2 =-kv=[-k x ' (t)-k y(t)] T 则总外力为: f = f 1 + f 2 =[-k x ' (t)- mg- y(t)] T 由牛顿第三运动定律得到运动方程为: -k x ' (t)= m x & (t) -mg- k y ' (t)=m y & (t) 或即 m x & (t)+k x ' (t)=0 m y & (t)+mg+k y ' (t)=0 其初始条件为:x(0)=0，x ' (0)= ? 0 cos ? ，y(0)=0，y ' (0)= ? 0 sin ? (3-2) 令 u1 =x(t)， u 2 = x ' (t)， u 3 =y(t)， u 4 = y ' (t )u 2 (t)=-k''(3-1)(3-3)'由(3-l)、(3-2)和(3-3)式推出: u1 (t)= u 2 (t) m u 2 (t) m u 4 (t)-g （3-4）u 3 (t)= u 4 (t)u 4 (t)=-k'u1 (0)=0， u 2 (0)= ? 0 cos ? ，u 3 （0）=0， u 4 （0）= ? 0 sin ?16可进一步记为: u =[ u1 (t) u 2 (t) u 3 (t) u 4 (t)] b=[0 0 0 g]? =[0 ? 0 cos ? 1 ?0 ?0 ? k m A= ? ?0 0 ? 0 0 ? ?0 ? 0 sin ? ] 0 0 ? 0 0 ? ? 0 1 ? ? 0 ?k ? m?则（3-4）可等价地写成矩阵向量形式: u ' = f (u )u(0) ? ?其中： f (u ) = Au ? b 。 一阶微分方程（3-4)或(3-5)即是乒乓球运动的数学模型。 1 建立数学模型二(所发球为不旋转球，即只计重力和空气阻力):y?yFD cos ??mg?xFDFD sin?0x图 3-4 直角坐标系二 如图 3-4，设质量为 m 的乒乓球从原点(0，0)发射，以初速度 v 0 沿 ? 角的方向射出，乒 乓球在空中任意点的坐标为(x，y) 则在该点的速度为dy dz := v z ， = vy dt dt17其加速度为:d vz dt? az ,d vy dt? ay根据受力分析，由牛顿第三运动定律得其运动方程为:md vs dt? a z m ? ? FD cos ? ， md vy dt? a y m ? ? FD sin ? ? mg（3-6）由流体动力学知:FD ? C D A 2 ?v 22?1.205 ? ? ? 0.04 2 ? C D v 2 ? 7.57 ? 10 ?4 ? C D v 2 4? 2令:C=7.57x10 ?4 ? C D ，其中: C D ==0.757，则 C=5.73x10 ?4 得：FD = cv 2（3-7）将 (3-7) 代 入 式 (3-6) ， 则 可 得 其 四 阶 方 程 组 :dy dx ? ?x ， ??y ， dt dtd xv dt? ?c? 2 cos ?m ? ?c? ? ? x ，d vy dt? ?c? 2 sin ?m ? g ? ?c? ? ? ym?g3.建立数学模型三(所发球球为下旋球，考虑重力、阻力及升力):y y?zFDy?xm g0x图 3-5 空间直角坐标系 如图 3-5，建立三维空间直角坐标系，设乒乓球的初速度为 ? 0 ，它与 xy 平面的夹 角为 ? ，在 xy 平面的投影与 x 轴的夹角为 ? ，其旋转的角速度为 ? 。旋转轴与 z 轴的 夹角为 ? ，乒乓球在空间任一点的坐标为(x，y，z),则该点的速度为:18dx ? ? x ? ? cos ? cos ? dt，dy dt? ? y ? ? cos ? sin ? ，dz ? ? z ? ? sin ? ，根据受力分析，由 dt牛顿定理得其运动方为:mdx ? ? FD cos ? cos ? ? FL cos ? cos ? sin ? ? FL cos ? sin ? cos ? , dtdy dt ? ? FD cos ? sin ? ? FL cos ? cos ? cos ? , mmdz ? ? FD sin ? ? FL cos ? cos ? sin ? ? mg 。 dt令： FD ? c1? 2 ， FL ? c 2? 2 ,其中： c1 =5.73 ? 10 ?4 ， c 2 =3.78 ? 10 ?4 将（3-9）代入（3-8）dx ? ?x dt dy dt ??y得其线性方程组：dz ? ?z dt d vx dt d vy dt d vz dt ? ?c1? ? ? x m ? c 2? ? (? z sin ? ? ? y cos ? ) ? ?c1? ? ? y m ? c 2? ? v x cos ? m ? ?c1? ? v z m ? c 2? ? v x sin ? m ? g m3.1.3 乒乓球飞行过程的分析由于发球后乒乓球的飞行轨迹与碰撞桌面后的飞行轨迹由很大的不同性，所以为了 体现统一的思想，发球的时候要直接将球发到对方的球桌上，不能像人与人比赛的时候 那样发球。高 度 HVH019飞行距离 X飞 行 距 离 XL1?01 L2 2L2发球位置 Z图 3-6 乒乓球桌面坐标系 如图 3-6 ，己知 : 乒乓球球桌的长度为 L1 =2740mm 、宽度为 L2 =1525mm ，高度为 H=760mm、球网的高度为 15.25mm，发球的高度为 h-H(10cm～30cm)，左右摆动角度为? 1 ( ? 15°)、上下摆动角度为 ? 2 (40°)、发射速度为 ? (10m/s～20m/s)、飞行距离为 L。由于空气阻力对运动物体的影响作用比较大，尤其是像乒乓球这样质量轻而体积相 对比较大的运动物体，更要考虑空气阻力对其运动的影响，在不同的摆角、发射速度、 发射高度下，可以得到乒乓球的不同落点。反过来要实现发射不同落点的球，通过改变 发球高度、发球速度、上下摆角、左右摆角这些参数即可。通过分析，得出发球机发射 有效球时，各个参数的极限大小，方便后续程序编制。同时可以知道，发球高度的变化 范围选取与桌面的距离为 10cm～30cm 时，即可发射有效球，因此设计发球机时，使其 高度调节范围设定为 20cm。3.2 自动乒乓球发球机的工作过程自动乒乓球发球机的工作工程是将乒乓球首先储存在储球机构中，当电源接通后， 储球机构中的拨杆由输送机构中的直流电机带动一组锥齿轮来转动，其作用是搅动储球 斗中的乒乓球，以防止入球口堵塞，乒乓球靠自身重力落入输送机构。该直流电动机转 速由遥控器或控制板操作，这样就可以控制单位时间内的发球数目。输送机构中的直流 电机以选择的速度模式带动输送轮运动，输送轮上设有半圆形卡球槽，将球送入送球通20道，球在通道内依次排成一列，后面的球将前面的球顶入发射机构。发射机构中的直流 电机也以设定的速度模式带动两个摩擦轮转动，当球进入时，在摩擦力的作用下，将球 发射出去。 摇摆机构可使发球机发射不同落点的球，包括角度调整机构和弧度调整机构，其工 作过程相同:由步进电机带动转动齿盘在某角度内摆动，则与齿盘啮合的托板带动发射 机构摆动。摇摆机构可连续摆动发球，也可定角度发球，当按下遥控器或控制板的暂停 键时，发球机即可固定在该角度发射球;取消暂停即可恢复摆动，还可通过按键调整摆 动范围。3.3 自动乒乓球发球机的技术参数所研究的自动乒乓球发球机达到的主要技术性能: 供球频率:30 个/分～96 个/分; 发球速度:10m/s～20m/s; 横摆摆幅范围:0～30°，摆动速度:30 次/分～92 次/分; 纵摆行程范围:0～30°; 升降范围:0～20 遥控距离:100m 可发出上、下旋球及不旋球。21第四章 自动乒乓球发球机的控制系统设计本章详尽地介绍了自动乒乓球发球机的内容:其外围设备的选择、电动机的选择、 PWM 驱动电路的设计以及控制系统的硬件设计等，阐述了控制系统的硬件设计过程，同 时对软件系统也进行了详尽的说明。这给自动乒乓球发球机方案实施提供了有力的依 据。 为使乒乓球发球机实现自动控制，对其控制系统进行了设计。控制系统的主要功能 是控制发球机的输送机构以不同频率供球; 控制发射装置实现各种球类的发射 ;控制摇 摆机构实现各种摆动动作;控制升降装置实现上下移动变化 ;以及控制其它辅助设备工 作。4.1 总体设计自动乒乓球发球机的控制器采用美国 ATMEL 公司的 8 位单片机 89C51 为核心微处理 器，外围扩展电路包括:电动机驱动电路、电动机转速测量电路、键盘、液晶显示电路 和红外接收电路。核心微处理器对传感器测得的转速信号进行分析，计算出与给定转速 的误差值，启动软件算法调节器，产生输出信号经过驱动电路送给直流电动机，通过对 直流电动机的调节实现对速度的闭环控制，同时驱动各步进电动机执行相关动作。通过 键盘可以选择发球模式，以及设置发球速度、方向等，液晶显示器可以实时监控发球机 的当前状态。红外遥控发送和红外遥控接收电路用于对自动乒乓球发球机进行远程控 制，为减轻核心处理器的工作负担，采用解码芯片处理红外接收器接收到的信号，然后 将信号传送给核心处理器，执行相关按键动作。系统总体框图如 4-122转速测量 红 外 接 收 器 8255APA PB 解 码 单 片 机 PC 调节发球力度的直流电动机（2 个） 调节上下移动的步进电动机 调节供球快慢的直流电动机89C518255APA 8255A PB PC调节左右摆动的步进电动机 显示器 调节上下摆动的步进电动机红 外 遥 控 器8255APA PB PC键盘看门狗复位电路图 4-1 自动乒乓球发球机的硬件电路原理图4.2 自动乒乓球发球机硬件电路设计本系统选择 Atmel 公司生产的 AT89C51，该单片机面向 8 位 CPU，与 INTER80C31 完 全兼容，主要内部资源有:4K 的 Flash 程序存储器，128 字节的内部数据存储器，一个 全双工的异步串行口，五个中断源、两个中断优先级的中断控制器、时钟电路，时钟频 率为 1.2MHz～12MHZ。本系统考虑传感器接口、伺服电动机接口及显示和键盘等接口， 需要扩展 I/O 口。因为扩展口较多，选 89C51 可以比选 80C31 少扩展 ROM，节省电路空 间，同时它的应用比较普遍，使用也比较简单。 4.2.1 看门狗电路设计 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是:在单片机上电势能 可靠复位，在下电势能防止程序乱飞而导致 EEPROM 中的数据被修改;另外，单片机系统 在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象，导致单片机系统无法正 常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器外，还需外加看 门狗电路。除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间，单片机能将重要数据保存下 来，因为掉电的发生总是很随即的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚231发生时告知单片机。 看门狗电路输出， 如果在 1.6s 内没有触发该电路(即看门狗检测输入端无脉冲信号 输入)，则看门狗输出端 WD0 输出一个低电平信号，即看门狗电路输出信号。为了对自 动乒乓球发球机的控制系统要进行适时监控，所以一定要避免异常死机，这就要有硬件 看门狗电路。在此选用了 MAXIM 公司的 MAX813L，它可以对单片机进行上电复位和定时 复位，以防止运行失控。MAX813L 是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监 控功能的复位芯片;它使用方便、简单。所提供的复位信号为高电平，因而是用于复位 信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。 用单片机的一个 I/O 口对定时器进行清零， 当程序在执行过程中跳飞或进入死循环时，程序不能在定时滋出前，对其进行清零，就 会使 MAX813L 定时溢出而产生复位信号，从而使单片机重新启动，这样就可以避免系统 中死机及其它掉电情况。 芯片 MAX813L 的性能特点及使用方法:MAX813L 有双列直插和贴片两种封装形式， 引 脚功能如下: (l) MR 一手动复位输入端，低电平有效; (2) Vcc 一+5V 电源; (3)GND 一电源地; (4)PFI 一电源故障监控输入端; (5)PF0 一电源故障输出端; (6)WD1 一看门狗检测输入端; (7RESET 一复位信号输出端; (8) WD0 一看门狗输出端。 其性能特点为: 〔l)复位输出:当系统上电、掉电以及供电电压降低时，REST 引脚产生复位输出，复 位脉冲宽度的典型值为 200ms，高电平有效，复位门限电压为 4.65V。 (2)看门狗电路输出:如果在 1.6s 内没有触发该电路(即 WD1 引脚无脉冲输入)，则WD0 引脚输出一个低电平信号。(3)手动复位输入:为低电平有效，即 MR 引脚输入一个低电平，则 REST 引脚产生复 位输出。 (4)1.25V 门限检测器， PF1 为输入， PF0 为输出， 当 PF1 引脚电压低于 1.25V 时， PF0 引脚输出一个低电平信号。24图 4-2MAX813L 与单片机 89C51 的连接 使用时 MAX813L 与单片机的电路连接如图 4-2，应用过程中，P1.0 不断输出脉冲信 号，如果因为某种原因 CPU 进入死循环，则 P1.0 无脉冲输出，于是 1.6s 后在 MAX813L 的 WD0 引脚输出低电平，在该低电平加到 MR 引脚，则使得 MAX813L 产生复位输出，从 而使单片机摆脱死循环的困境，有效复位。另外，当电源电压低于门限值 4.65V 时， MAX813L 也产生复位输出， 使 CPU 处于复位状态， 不执行任何命令;当电源电压超过 4.65V 时，REST 信号仍将继续保持 200ms 左右，以保证 CPU 复位可靠。这样可有效地防止因电 源电压较低时 CPU 产生错误动作。 同时可进行手动复位， 当 MR 接地时间不小于 140ms(为 了保证能有效地消除机械开关抖动的影响)，则可产生一个手动复位过程，即在复位端 产生 200ms 的有效复位信号(高电平有效)。 电源故障监控输入端 PFI 通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源，把分压接到 未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障报警。当 PF1 低于 1.25V 时，电源故障输出 端 PF0 变低，可引起 89C51 中断，进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。 4.2.2 键盘和液晶显示电路的设计 为实现人对应用系统得干预与输入或了解系统的运行的状态与结果，一般必须配置 人机界面接口，如键盘、显示器等。该系统的操作界面如图 4-3，开机后，选择是否开 显示，选择所需要的工作模式。若为随机模式，则发球机可随机发球，不需人工调节。 若为自设模式，则继续选择按键，可用上旋/下旋按键，选择旋转球类型，若发射不旋 球，则按完该键后按下暂停/恢复键;发球速度和频率，横摆速度和摆动范围，纵摆速度 和摆动范围，高度调整以及升降速度的变化，需按完相对应功能键后，选择+或-按键， 进行调节;开机后自认的变化都为连续摆动或升降，当需分步调节时，选择暂停键再调 节，也可选择暂停键进行定点发球，需恢复时，选择暂停 /恢复键即可。每次的按键情25况以及发球机的工作状态都会在液晶显示屏显示。液晶显示器开/关显 示 开/关自设 模式随机 模式发球 速度发球 频率+横摆 速度横摆 范围纵摆 速递纵摆 范围高度 调整升降 速度上旋/ 下旋暂停/ 恢复图 4-3 自动乒乓球发球机的操作界面 1.键盘的选择 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员可以 通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。本系统需设计一 4*4 的行列式键盘， 在此，我们采用 MM74C922 芯片来设计键盘。该芯片是专用编码键盘接口芯片，当按下 某一按键时，该芯片根据内部逻辑能自动给出相应的编码信息，内部有自动消除抖动电 路，其逻辑电路如图 4-4。相比较以往的以总线扩展并行口方式以及将键盘直接与单片 机 I/O 引脚相接的方式，MM74C922 键盘接口芯片电路具有以下优点: (l)较之总线扩展并行口方式简便，同时使硬件设计尽可能简洁，布线容易。 (2)较之直接与单片机 I/O 引脚相接方式节约系统资源，可使有限的 I/O 口资源用于实 现更多的系统功能。 (3)键盘扫描以及消除抖动均由芯片内部电路实现，使 CPU 减轻用软件去扫描键盘的负 担，提高 CPU 的利用率，同时简洁的软件设计使系统更可靠。26时钟发生输出有效2 位计数器去抖动振荡时钟2-4 译码器上位输出使能 A B C D4*4 行列式键盘译 码 逻 辑4 位 输 出图 4-4MM 74C922 的逻辑电路图 由于 MM74C922 芯片内部集成了键盘扫描和消除抖动电路，因此该芯片的接口非常 简单，其电路图如图 4-5。键盘扫描和消除抖动需要各自的振荡时钟，MM74C922 提供了 引脚外接电容产生振荡时钟的解决方法，扫描电路的时钟由 OSC 引脚接入，而消抖电路 时钟由 KVM 引脚接入， 需要注意的是应该使 KBM 引脚外接电容应为 OSC 引脚外接电容的 10 倍。图 4-5MM74C922 接口原理图27DA 引脚为数据有效信号， OE 为输出使能信号，根据 DA、 OE 引脚信号的时序关系， MM74C922 可以设置为同步数据输出和异步数据输出两种方式。 此外， 该芯片提供了四条 行线和四条列线与 4*4 行列式键盘的接口，根据需要可可以扩展为 32 键式行列式键盘 直接与芯片进行接口。按键值输出通过 D、C、B、A 四个引脚以十进制 BCD 码的形式输 出。 为提高 CPU 的效率，采用中断扫描的工作方式，即只有在键盘有键按下时，才执行 键盘扫描，执行该键的功能程序。其接线方法为通过一于非门将 DA 信号接入中断端口INT 0 ，当有键按下时，中断端口为低电平，则向 CPU 发出中断申请。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。在本系统中 包括六个电动机驱动电路，以及液晶显示器。 2.显示器的选择 根据工作的需要，我们需要对这六个电动机正转、反转及速度进行适时监测，这就 需要对电动机的速度和方向以及步进电动机的转角进行显示，发球机的工作状态和工作 方式也要进行显示和设定，因此系统需要配置显示器。 在此， 选用 MGLS12864 液晶显示器， 它使用 KS0108B 及其兼容控制驱动器(如 HD61202) 作为列驱动器，同时使用 KS0107B 及其兼容驱动器(如 HD61203)作为行驱动器的液晶模 块。由于 KS0107B 不与单片机发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步 信号，使用比较简单。该显示器控制 128*64 个点阵，而一个汉字的点阵是 16*16。其各 管脚定义如表 4-1 表 4 1:MGLSl2846 液晶显示器的管脚定义管脚名称 管脚定义 片选 1/片选 2 数字地 逻辑电源+5v 指令数据通道 复位信号 读/写选择 使能信号，数据在下降沿时被写入，在高电平时被输出 数据线CSA / CSBGND VDD D/IRESR/W E DB0～DB728液晶显示器的接口电路设计如图 4-6，与单片机的工作速度相比，液晶显示器的工 作速度是属于中等偏慢的。因此，当高速单片机系统中设计液晶显示器接口时，就要考 虑液晶显示控制器的适应能力。一般在读、写脉冲宽度小于 45ns 的单片机系统中，建 议采用间接控制方式的接口电路，即使用两个 8 位的并口作为缓冲器，其中一个用作数 据信息的缓冲器，另一个用作控制信号的产生。PA. 7 PA. 6 PA. 5 PA. 4 PA. 3 PA. 2 PA. 1 PA. 0 PC.4 PC.3 PC.2 PC.1 PC.0 8255 +5DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CSA CSB E R/W D/I Vcc GND MG LS-1286 4图 4-6 液晶显示器接口电路图 MGLS-12864 的特点是读/写操作时序是由使能信号 E 完成的。E 信号是正脉冲信号， 不操作时为低电平，操作时产生一个正脉冲，在读操作时，E 信号在高电平时，控制器 将所需要数据送入数据总线上， 供计算机读取;在写操作时， E 信号的下降沿将数据总线 上的数据写入控制器接口部的寄存器内。同时当 CSA =l、 CSB =l 时，液晶显示模块的 通信禁止;当 CSA =0、 CSB =0 时，左右两片都被选通。 该类液晶显示模块的指令系统比较简单，共有七种，如下: (l)显示开/关指令 当 DB0=l 时，液晶显示器显示 RAM 中的内容;当 DB0=0 时，关闭显示。R/W 0D/I 0DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 1 1 1 1/029(2)显示起始行(ROW)设置指令R/W 0D/I 0DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 显示起始行（0～63）该指令设置了对应液晶屏最上行的显示 RAM 的行号，有规律地改变显示起始行，可 以使 LCD 实现显示滚动的效果。 (3)页(PAGE)设置指令R/W 0D/I 0DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 1 1 1 页号（0～7）显示 RAM 共 64 行，分 8 页，每页 8 行。 (4)列地址(Y Address)设置指令R/W 0D/I 0DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 显示列地址（0～63）设置了页地址和列地址，就唯一确定了显示 RAM 中的一个单元，这样单片机就可以 用读、写指令读取该单元中的内容或向该单元写进一个字节数据。 (5)读状态指令R/W 1D/I 0DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 BUSY 0 ON/OFF REST 0 0 0DB0 0该指令用来查询液晶显示模块内部控制器的状态，各参量含义如下: BUSY:1-内部在工作;0-正常状态 ON/OFF:1-显示关闭;0-显示打开 RESET:1-复位状态;0-正常状态 在 BUSY 和 RESET 状态时，除读状态指令外，其它指令均不对液晶显示模块产生作用。30(6)写数据指令R/W 1D/I 1DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 读显示数据(7)读数据指令R/W 0 D/I 1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 写数据读、写数据指令每执行完一次读、写操作，列地址就自动加一。在进行读操作之前， 必须有一次空读操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据。 其显示效果如图 4-7 所示。图 4-7 液晶显示屏 4.2.3 红外遥控系统的设计 红外遥控系统就是指利用红外线(又称红外光)来传递控制信号，实现对控制对象的远距 离控制。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收器接收信号并对信号进 行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远距离控制。 1.工作原理: 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。其结构如图 4-8 所示，发射部分包31括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码 电路。当遥控器有键按下时，振荡电路立即接通并起振荡，信号发生器发出不同的时序 扫描脉冲，依次对键盘进行扫描，将所获得的按键值经过调制产生串行编码脉冲，再经 过驱动电路由红外二级管发射出去。当接收端接收到光信号后，经过光电放大电路、专 用解码芯片将其还原成串行编码脉冲，然后由单片机按照编码解码的协议转化为相应的 控制电平，最后由执行电路驱动相应元件完成要求的操作。键盘编码和调光 放 电解调解 码 单 片 机图 4-8 红外遥控系统框图 2.代码的形成与编码 以常用的日本 NEC 编码方式为例， 它采用的是脉宽调制的串行码， 其 ‘0’ 码由 0.56ms 高电平和 0.565ms 低电平组合而成，而‘1’码由 0.56ms 高电平和 1.69ms 低电平组合 而成。码元的高电平采用 38kHz 的矩形波(载波)调制发射，载波的占空比为 1/3，低电 平无信号发射。该遥控编码由连续的 32 位二进制码组成，其中前 16 位为用户识别码， 用于区别不用的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰，每次发射都是相同的;后 16 位为操作码及其反码，代表不同的按键信息，加入反码可以检验键码接受的正确性，防 止误操作，增强系统可靠性。 3.信号的接收与解码 接受电路采用集成红外接受器，它对外有三个引脚，Vcc、GEN 和一个脉冲信号输出P0 ，与单片机的接线电路如图 4-9。脉冲信号的输出接 CPU 的中断输入引脚，当接受到遥控器发送的信号后， 引起单片机的中断， 使单片机判断键值， 完成该键值的规定操作。32图 4-9 遥控接收头和单片机的连接图 解码的关键就是如何识别 ‘0’ 码和 ‘1’ 码， 也就是判断时间为 1.125ms 还是 2.25ms， 可以采用中断的方式来判断码位。若没有红外遥控信号到来，接收器的输出端口 P0 保 持高电平;若接收到红外遥控信号，接收器将信号转换成脉冲序列加到 CPU 的中断输入 引脚， 该脉冲序列的低电平引起 INT0 的中断， 在 INT0 的中断服务子程序中启动定时器， 开始计数。当下一个低电平引起 INT0 的中断时，首先把计时器中的数据保存下来，这 样就可以记录上次脉冲的宽度，然后复位定时器，再记录本次脉冲的宽度。把记录到的 数据和 1.125ms、2.25ms 对应的己知数据相比较，从而判断是‘0’码，还是‘1’码。 当判断出来一位后就把它放到一个 32 位数的尾部，当接收完 32 位数时，就把其送入一 个存储单元， 然后对其用户码和操作码进行校验， 如无误则把操作码转化为对应的按键， 再将其传给控制单片机执行该按键对应的操作，然后继续接收下一组代码。 4.2.4 电动机转速测量电路设计 本系统为了发射不旋球及旋转球，需要知道两个摩擦轮的选转速度，即两直流电动 机的转速，因此设计了其转速的测量电路。 目前常用的电动机转速测量方法主要有两种:一种是机械式转速测量，它通过机械 测量传感器采集数据，再通过仪器内部的电子分析才能得到测量结果 ;另一种是光学式 转速测量，它是利用测量仪器发射出的光线(红外线)，经固定在待测目标上的反射条反 射后，即携带上有关转速信息。机械式测量法依赖于接触压力，最大的缺点是加载运动 不连续，而且由于受非线性、温度变化和元件老化等因素的影响，使其在转速检测过程 中很难满足快速性和准确性要求。因此，我们选用光学式转速测量方法。 如图 4-10， 光学式测量方法的基本原理是在被测的电动机转轴上装有一圆盘， 电动 机每转一周，光线透过圆盘上的小孔照射光电元件一次，光电元件则发出一个信号。这 样光电元件每受光一次就产生一个脉冲信号，该脉冲信号反映电动机的转速。由于该脉 冲的形状不是规则的方波，所以需经过放大整形成标准脉冲波再进入测量装置，进行脉 冲计数。这里的光电元件多采用光敏三极管和光电池，以提高寿命、减小体积、减小功33耗以及提高可靠性。光源一般采用红外二极管。显示 光 电 转 换 放 大 整 形 计 数调速图 4-10 电动机测速系统框图 放大与整形电路如图 4-11，当无光线照射时，Tl 截至，TZ 导通，U2 为低电平，经 555 定时器输出 Ux 为低电平。当 Tl 接收到红外二极管射来的红外光线时，Tl 导通，则 T2 截至， U2 为高电平， 经 555 定时器输出 Ux 为高电平。 即光电三极管由导通变为截至， 然后再恢复导通，Ux 输出一个脉冲，此脉冲通常是不规则的，边沿不陡，幅度不等，不 能直接对其计数，经 555 定时器组成的单稳态电路整形后，可得到具有一定幅值和宽度 的标准波形。图 4-11 放大与整形电路图 4-11 放大与整形电路图34
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