基于单片机的乒乓球发球机设计.pdf
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第25卷第3期2008年3月机电工程MECHANICALELECTRICALENGINEERINGMAGAZINEV0125No3Mar2008基于单片机的乒乓球发球机设计崔静,刘少军,罗斌(中南大学机电工程学院,湖南长沙410083)摘要:
研究设计了一种由红外遥控器控制的智能型乒乓球发球机,并对该发球机装置进行了软、硬件设计。
该装置以C8051单片机作为其控制核心,可实现由遥控器控制供球的快慢、发球的力度、发球的高度及角度,也可模拟人工发球原理,实现随机发球。
研究结果表明,该发球机设计结构简单,使用方便,可满足不同的用户需求。
关键词:
红外遥控;乒乓球发球机;单片机中图分类号:
TH39文献标识码:
A文章编号:
10014551(2008)03009404Designfortabletennisservingmachinebasedonsingle-chipCUIJing,LUIShao-jun,LUOBin(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:
TheintelligenttabletennisservemachineWasdesigned,whichwascontrolledbyinfraredremotedeviceAndthesoft-wareandhardwarewerealsodesignedforthemachineTheC8051singlechipwasuseda8thecontrolcore,Withtheremotedevice,theseryespeed,thestrength,theheight,andtheangleofthetabletenniswereadjusted。
Moreover,themanualservewassimulated,andtherandomservewasrealizedTheresultsofresearchshowthat,theservemachineissimpleandeasytouse,anditcansatisfydifferentrequirementsKeywords:
infraredremote;tabletennisservingmachine;singlechipO前言乒乓球在我国有着广泛的群众基础。
目前国内乒乓球发球机有两种类型:
一类是半自动,简单操作系列。
它需要手动调整机头旋转角度,来实现各种旋转球,需要手动抬高或降低机头,来调整球的射程弧度。
这种发球机功能单一,不能实现多种球路变化,并且操作烦琐。
另一类是基本自动,电脑编程操作系列。
它的操作系统,需要设置内容来实现各功能的运行。
这种发球机虽然可发出各种变化的球,但设备较大,使用不方便。
本研究提出一种由红外遥控器控制的智能型乒乓球发球机,它的结构简单,使用方便,可实现随机发球。
1发球机的机构设计11发球机的设计思想本发球机可以模拟人工发球原理,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,防止人球口堵塞,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。
收稿日期:
20070910作者简介:
崔静(1982一),女,山西大同人,主要从事机械电子工程方面的研究。
图1发球机结构图万方数据第3期崔静,等:
基于单片机的乒乓球发球机设计上、下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。
臣可磊涿司储球机构II输送机构ll发射机构IJ上、F调整机构角度摆动机构到斟圄目斟崮剧目幽目目凼圄睦图2发球机功能组成框图12发射机构方案设计要使乒乓球脱离发射口,飞行足够的距离到达目的地,必须要具有一定的初速度。
对乒乓球的运动进行分析,建立模型,如图3所示。
DCa)运动轨迹(b)落点位置图3乒乓球的力学分析已知球桌长度为L。
=2740mm、宽度为:
1525mm、高度为日=760him、球发射高度为h、飞行距离为、摆动角度为p、发射速度为秽,不计空气阻力,则乒乓球的落球点的位置坐标(石,Y)可表示为:
1寺2“8inp
(1)【,=c。
s口式中L:
诜:
秽2(h-H)一。
Y50、h、口取值不同,则可得到不同的落点坐标,其中口的取值范围为一150一+150,13的变化范围为10ms一17ms。
当口=o时,的取值范围为137111274m,则h一日的取值范围是18cm一52cm;当日=15。
时,工的取值范围为142m一284nl,则一日的取值范围是19cm55cm。
在短时间内,使乒乓球由静止变为以所需初速度发射出去,有多种方式可实现,如利用气压、液压、弹簧、橡皮筋等推动执行元件,由执行元件发射球。
为了实现连续发球,以及球速度的可调,可采用电动机作为动力,带动摩擦轮来发射球,通过调节电动机的转速则可调节球的初速度。
2发球机的控制系统设计21硬件组成整个系统以单片机C805l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。
其系统组成,如图4所示。
矬函倒I数据采集:
总球教=数据采集:
有效球数图4系统控制框图当遥控器有键按下时,其振荡电路立即接通并起振荡,信号发生器发出8路不同时序的扫描脉冲,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,这些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旧31,然后由单片机按照编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。
其红外遥控系统框图,如图5所示。
本装置的红外信号接收电路采用集成红外接收器,它对外有3个引脚,Vcc、GEN和1个脉冲信号输出P。
红外遥控器一:
一一体化红外接收头:
;厂Ii广:
,1i匝唰半啭净蚓鲎Ii=一一:
!
二-l图5红外遥控系统框图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46V,直流电流总和可达4A,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6所示。
一一一一一一一万方数据96机电工程第25卷图6电动机硬件电路图22软件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7所示。
初氇同莉至计I惆用碴示程序命令处理开始暂停直流I加减速直流2删减速步进1船减速步进l削右旋步进IONOFF步迸2左佑旋随机模式图7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IO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8所示。
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K3。
角度摆动机构要求图8直流电动机程序流程图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(取偶数),先左旋312个步距角,再右旋个步距角左旋J、r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:
AABBBCCCDDDA,右转时通电顺序为AADDDCCCBBBA,将8路相序分别设定为表格形式,由单片机IO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090的步距角,其脉冲分配由软件方法实现。
程序流程图,如图9所示。
需调速时,通过查表改变进入中断的定时时间即可。
3结束语本研究设计了一种由红外遥控器控制的智能型乒万方数据第3期崔静,等:
基于单片机的乒乓球发球机设计97图9步进电动机程序流程图乓球发球机,它可以模拟人工发球原理,实现连续的多角度、多速度的球路变化,满足初级训练及专业训练的需求。
它由遥控器控制整个装置的工作,可方便调节各种参数,同时可实现随机发球,该发球机使用方便简单,真正实现了陪练功能。
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211215编辑:
张翔(上接第93页)单片机提供的控制信号的电流只有几毫安,必须进行功率放大,由功率放大器来驱动步进电动机。
本系统为小功率插补控制系统,选用四相步进电机,步距角07515。
,合400200步每圈。
步进电机采用单电源驱动。
主功率管使用MOSFET,其控制简单,型号为IRF540:
耐压100V。
最大电流23A,导通时等效电阻小于77mD,。
具体整个的驱动电路,如图8所示。
图8步进电机驱动电路MOSFET以开漏极方式接人电路,适用于宽范围的输出。
在输出端串联1只功率电阻,用于限制步进电机正常运行时的电流,避免电极饱和,加快磁芯磁场回复,提高关断速度。
在电阻两端并联1只电解电容,称为“加速电容”,它的作用是在MOSFET开通瞬间以全压推动步进电机使步进电机快速启动;在关断瞬间电容上的残余电压反向驱动MOSFET门极,使MOS-FET快速退出饱和而关断。
电阻电容整体称为加速电路,它们的值应合理确定。
电阻值由动力电源电压,步进电机保持电流,以及此时的工作电压决定。
电容和电阻的乘积决定了加速时间,而加速时间常数是根据步进电机的最高运行频率、电机线圈的电感量而确定的61。
5结束语本研究设计了一种简易数控插补的控制系统,介绍了硬件电路、控制功能和实现的方法,该系统对数控插补分析、研究以及教学等方面具有一定的帮助,同时,对系统整体进行简略、选择性的介绍,其后续研究将在以后的工作中进一步展开。
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张翔万方数据基于单片机的乒乓球发球机设计基于单片机的乒乓球发球机设计作者:
崔静,刘少军,罗斌,CUIJing,LUIShao-jun,LUOBin作者单位:
中南大学,机电工程学院,湖南,长沙,410083刊名:
机电工程英文刊名:
MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINE年,卷(期):
2008,25(3)引用次数:
0次参考文献(6条)参考文献(6条)1.关慧贞.高英明一种手控拾发球机器人的设计期刊论文-机床与液压2004(12)2.安颖.张春英.王裕琛红外遥控器在单片机控制系统中的应用期刊论文-电子技术2003(6)3.戴培山.冯成德.刘栋基于keilc51的红外遥控器解码设计期刊论文-自动化与仪器仪表2003(6)4.宋健.姜军生.赵文亮.孙学岩基于单片机的直流电动机PWM调速系统期刊论文-农机化研究2006
(1)5.王哓明电动机的单片机控制20026.ZHAOYu.ZHANGXiang-dong.JIANGJieThedesignandapplicationofthemicrocomputermonitorforlow-voltagemotor会议论文2001相似文献(0条)相似文献(0条)本文链接:
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