自动乒乓球发球机
设计
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摘要：本设计提出了一种全自动控制的乒乓球发球机。该发球机应用单片机C8051为软控芯片,实现通过远程控制来改变发球快慢、发球力度、发球高度及角度等的功能,并可模拟进行人工发球,实现随机发球的效果。本设计实现简单,使用方便,可满足乒乓球运动员对不同强度专业训练的要求。
关键词:发球机;单片机;远程控制
前言:我国是乒乓球强国。随着乒乓球运动的开展，尤其是对高质量的乒乓球专业训练要求的提高，设计一种高度自动化的乒乓球发球机具有积极重要的时代意义。国内现有的乒乓球发球机的类型有两种，一种是半自动式发球机,它需要通过人工对机头旋转角度进行手动调整,从而实现各种发出各种角度的旋转球的目的；同时需要通过抬高或降低机头以对球的射程弧度进行手动调整。这种发球机操作麻烦，功能基本,越来越不能满足专业训练对发球机的要求。另一种发球机是半自动式发球机,通过电脑编程进行操作调节。它的操作系统,需要设置参数来实现各种发球意图。这种半自动式发球机虽然可发出各种变化的球,但由于设备体积大,使用不方便，因此局限性较大。本设计提出一种由红外遥控器控制的智能型乒乓球发球机,它的体积小,控制方便,并可实现随机发球。
1. 发球机的结构设计
发球机模拟人工发球原理,产生连续的多角度、多速度的球路变化。由遥控器选择某一功能模式后,从储球斗落入输送机构的球,由输送轮送入送球通道,进入发射机构后,由摩擦轮将球发射出去。发球机的结构,如图1所示。储球机构中拨杆的作用是搅动储球斗中的乒乓球,防止入球口堵塞,它通过输送机构中的直流电机带动一组锥齿轮来转动,球靠自身重力落入输送机构。输送机构中的直流电机以遥控器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摩擦轮转动,当球进入时,在摩擦力的作用下,将球发射出去。
图1 自动发球机结构图
调整机构可使发球机发射不同高度的球,其工作过程为:步进电机带动丝杠转动,与丝杠配合的螺母实现上、下运动,则与螺母固定在一起的托盘带动发射机构调整发射高度。角度摆动装置可连续摆动发
球,也可定角度发球,由步进电机带动转动齿盘在某角度内摆动,齿盘上的托板带动发射机构摆动,当按下遥控器的暂停键时,可固定在该角度发射球。其功能组成,如图2所示。
图2 自动发球机功能组成框图
2. 发球机的控制系统设计
2.1 硬件结构
整个系统以单片机C8051作为其控制核心,其功能主要包括:根据解码单片机获得的按键信号发出相应的控制信号驱动各个电动机做执行动作;控制电动机实现随机发球;将各种数据在显示器上显示等。
本装置的供球快慢和发球力度由直流电动机来控制实现;而发射装置在一定角度内摆动以及在一定距离内上、下移动由步进电动机来控制实现。电动机驱动选用专用功率集成芯片L298,用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等元件。其驱动电压可达46 V,直流电流总和可达4 A,内部有2个完全相同的PWM 功率放大器。电动机驱动电路图,如图3所示。
图3 专用功率集成芯片L298电动机硬件电路图
2.2 软件系统设计
软件主程序主要包括实现初始化、辨别接收红外信号、执行按键操作和调用显示子程序等功能。初始化程序为系统上电后做准备工作,当接收到遥控器发送的信号后,引起解码单片机的中断,使单片机判断键值,然后将键值传给核心单片机。核心单片机根据所得键值执行对应的操作动作,同时显示正执行的功能状态,其模块结构,如图4所示。
图4 自动发球机软件总控模块
电动机的调速方式都采用脉宽调制( PWM ) 。PWM脉冲控制信号的产生方法有多种,本系统采用软件模拟法,即利用单片机的一个I/O引脚,通过软件使该引脚不断输出高低电平来实现PWM波形输出。为减少对CPU的占用时间,采用计数器定时的方法。其程序,如图5所示。
图5 直流电动机程序流程图
控制步进电动机摆动、转动的脉冲控制信号仍采用定时中断的方式产生,改变定时时间,即可改变脉冲频率,从而改变电动机的转速。角度摆动机构要求步进电动机在某角度内摆动,根据摆动角度和步距角得出所需的脉冲数N (取偶数) ,先左旋N /2 个步距角,再右旋N 个步距角左旋N 个步距角,以此反复实现左右摆动功能。左转时绕组通电顺序为: A - AB -B - BC - C - CD - D - DA,右转时通电顺序为A - AD- D - DC - C - CB - B - BA,将8路相序分别设定为
表
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格形式,由单片机I/O口通过查表依次输出控制脉冲信号。上、下调整机构实现上、下运动的原理同上,根据运动距离、丝杠螺距得出电动机转动角度,则同样可以求得所需脉冲数。本装置采用两相步进电动机,用半步励磁法实现0. 9°的步距角,其脉冲分配由软件方法实现。程序流程图,如图6所示。需调速时,通过查表改变进入中断的定时时间即可。
图6 步进电动机程序流程图
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