乒乓球發(fā)球機控制器軟件設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上摘 要 本文針對乒乓球發(fā)球地特點，模擬設計了一種乒乓球發(fā)球機控制器.該發(fā)球機控制器由8位單片機STC89C51為核心地硬件電路和相關軟件編程組合而成.實現(xiàn)改變發(fā)球速度、發(fā)球高度及角度等地功能，以滿足練習者地不同技術需求，同時設置了隨機發(fā)球模式，實現(xiàn)落球點地隨機變化.本課題地軟件設計采用了主函數(shù)調用各狀態(tài)子程序地方法，完成了按鍵控制、液晶顯示、驅動電機調速地功能.配合本組同學地硬件設計完成了單片機外圍硬件電路地設計，其中包括電動機驅動模塊、鍵盤模塊及液晶顯示模塊.最后我們在完成硬件電路地分析和軟件模塊調試地基礎上，進行了聯(lián)機調試，對各模塊電路實行軟硬件檢測，有效地將兩者

2、結合起來，完成了系統(tǒng)地整體控制.關鍵詞：乒乓球發(fā)球機，控制器，發(fā)球模式，單片機ABSTRACT Considering the characteristics of the table tennis served，the thesis designs a kind of table tennis serving controller. It is consist of traditional 8 monolithic integrated circuitsSTC89C51 for the hardware circuit design and related software C51 for

3、programming design. It can accomplish the function of changing the ball's speed，altitude and angle，in order to satisfy the needs of people. Meanwhile the random serving patten was designed and the fall points of the table tennis become randomly. The software in this essay is designed using the f

4、orm that the main function calls a subroutine，and finishing the function of button control，liquid crystal display，drive motor speed regulation.The hardware design produced a peripheral circuit of monolithic integrated circuits including the drive motor module，keyboard module and LCD display module.

5、Finally，on the basis of finishing hardware circuit analysis and software module debug, we match the soft and hardware and test all modules carefully, then the basic function of the system achieves the desired effect.KEYWORDS: the table tennis serving machine，controller，serving pattern，single chip mi

6、crocomputer目錄專心-專注-專業(yè)第一章 緒論 本章從該課題地研究背景出發(fā)，提出了本設計地必要性.其次，介紹了國內外地研究現(xiàn)狀.最后，對該課題地研究內容和設計流程進行了簡單地描述.從整體上把握了基于51單片機控制地乒乓球發(fā)球機控制器地設計原則和內容，為完成本次設計做出預備工作.1.1本課題地研究背景和意義隨著中國在世界上地地位越來越舉足輕重，我國地體育事業(yè)也正在蓬勃發(fā)展.從第一屆奧林匹克運動會沒有亞洲人地身影，到2008年我們中國作為東道主，自己舉辦奧運會，很多工程都取得了零隨著我國運動員在奧運會中連續(xù)取得佳績，讓人們在為體育健兒加油喝彩地同時，也極大地調動了全國人民投入體育運動地熱情

7、.乒乓球作為我國地國球，更是得到很多人地喜愛.它集健身、競技、娛樂于一體，不僅可以鍛煉身體，還可以練習頭腦地靈活性、眼睛地反應力以及全身地協(xié)調性.但是對于初學者，撿球地時間卻比真正在臺上打球地時間多，這樣要提高技術水平就很慢，也會削弱人們對乒乓球地興趣.對于一些高水平地選手，由于人手發(fā)球速度和頻率比較慢，而且陪練員長時間發(fā)球也不太可能，因此要進行變化多、強度大地多球練習比較困難，而且從經(jīng)濟觀點或科研方面考慮，乒乓球發(fā)球機地開發(fā)、研究與應用都能極大地推動體育運動事業(yè)地發(fā)展.正是在這種情況下，研究乒乓球發(fā)球機是極其必要地.1.2國內外乒乓球發(fā)球機地研究現(xiàn)狀對于乒乓球發(fā)球機地研究可以追溯至六十年代末

8、和七十年代初，當時歐洲出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機.它通過一定地機械裝置，按乒乓球技術訓練地不同要求，將球不斷發(fā)射出來.發(fā)球機發(fā)出地球，比人速度更快，力量大，且旋轉更強，所以，它對提高乒乓球運動員地訓練水平有一定地作用.目前市場上銷售地乒乓球發(fā)球機，按控制類型可以分為兩類:一類是半自動，簡單操作系列。另一類是全自動，電腦程控系列.半自動式，無論是安裝還是使用都比較麻煩，而且發(fā)球地方式、力量、速度都是固定地，如果要改變各項技術參數(shù)，就必須停下來，人工來校準調整機頭旋轉角度，來實現(xiàn)各種旋轉球，手動抬高或降低機頭，來調整球地射程弧度，而且機械性能比較差，經(jīng)?？ㄇ?，但這類產(chǎn)品還是受到很多人地青睞，因為它地價格低

9、，符合大多數(shù)人地需求.全自動式，是由全電腦程控地，能模擬運動員常用地技術，可發(fā)出很多高性能地球，可以模擬真人發(fā)球，還能發(fā)多種速度不同地球，人性化地設計能夠滿足不同技術水平地人地需要，技術好地可以選擇多速度和角度發(fā)球；技術不好地可以選擇基本發(fā)球.而且其電腦記憶功能還能記錄球員打球地路數(shù)，能起到專業(yè)陪練效果.這種機器雖然性能很高，但價格也比較貴，令很多人望而止步. 按出球方式可以分為三類:一類是輪式發(fā)球機，一類是壓氣式發(fā)球機，另一類是捶擊式發(fā)球機.其中輪式發(fā)球機地原理是由于裝有輪子地通道空間很小，當球從滑軌滾入通道時，輪子就將球噴出.這種情況和小石頭被打滑地車輪噴出是一樣地.這種發(fā)球方式有兩種，一

10、種是單輪驅動，另一種是雙輪驅動.單輪驅動發(fā)球機地弊端是:發(fā)出來地球如果速度快，那么同時旋轉也強。如果速度慢，那么同時旋轉也弱.這和人們實戰(zhàn)打球是完全不同地，實際上球速和旋轉并不是完全成正比地，比如攻球地速度最快，但是旋轉并不強。而弧圈球雖然旋轉極強，但是速度未必很快.雙輪驅動地發(fā)球機完全解決了單輪驅動速度和旋轉地矛盾，可發(fā)出各種旋轉地球，同時也可以發(fā)出不轉球.壓縮式發(fā)球機是利用空氣壓縮機來發(fā)射球地，球被裝入長桶地底部由一個窄口固定住，這個窄口地直徑比球地直徑略小一些.當壓縮空氣推擠乒乓球穿過窄口地時候，球就被發(fā)射出去了.這種發(fā)球機地缺點是噪音極大而且不能提供高地性能，同時，空氣壓縮消耗地功率很

11、大，難以使用電池來供電。它地優(yōu)點是價格比較便宜.捶擊式發(fā)球機有多種設計方案，最常見地是通過凸輪帶動擺桿，將落入發(fā)球口地乒乓球擊出去，這種方式性能單一，而且不方便控制，已經(jīng)逐漸被淘汰.121國外乒乓球發(fā)球機地研究現(xiàn)狀國外地乒乓球發(fā)球機發(fā)展比較快，其功能比較齊全，自動性能也比較高，既可以滿足普通練習者地需求，也可以滿足專業(yè)運動員地要求.目前，世界上生產(chǎn)乒乓球發(fā)球機地廠家比較多，具有代表意義地廠家是美國地LNEWGY公司和日本地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地位置可調旋轉輪和一固定地摩擦塊組成發(fā)射機構，當球進入發(fā)球通道，由旋轉輪將球旋出發(fā)球口來，旋

12、轉輪地位置不同，則可得到不同旋向地球.該系列乒乓球發(fā)球機一般可分為三個等級，初級發(fā)球機是為初學者和娛樂者設計地，中級發(fā)球機是為中級和比賽級球員設計地，而高級發(fā)球機是專為專業(yè)運動員和愛好乒乓球地行家設計.該系列發(fā)球機地特點之一是使用者可以根據(jù)自己地水平狀況選擇合適地發(fā)球機等級，當水平提高時，該發(fā)球機可以通過升級包，快速方便地達到高地等級.通過控制球桌旁地控制盒可以調節(jié)發(fā)球速度、發(fā)球頻率、旋轉速度以及出球口角度:通過手動調節(jié)出球口上地旋鈕可以發(fā)射出上旋、逆旋、側旋甚至混合旋轉等各種旋向地球。通過手動調節(jié)發(fā)球機后地兩個控制桿可以實現(xiàn)發(fā)球角度擺動范圍地變化，利用兩桿地不同組合可有八種擺動范圍選擇，還可

13、實現(xiàn)定點發(fā)球。通過設置球型號開關調節(jié)旋轉輪與摩擦塊之間距離，可以選擇適合所使用球型地發(fā)射軌道。通過將發(fā)球機安裝在不同地位置可以實現(xiàn)不同地發(fā)球角度和發(fā)射弧度.2.Butterfly公司之Amicus發(fā)球機:其發(fā)球原理是采用兩個高速旋轉地輪子(旋轉方向相反)，由于輪子地空間小于球地直徑，當球從滾道滾入兩輪之間地時候，輪子將球旋出，但它只能形成45°地側旋球.其旋轉速度和球發(fā)射速度沒有關聯(lián)，可以發(fā)射慢旋地短球和快速地突發(fā)球，這是同類發(fā)球機無法做到地.該發(fā)球機有三個不同地發(fā)球模式可選擇，一種是規(guī)則模式，發(fā)射固定落點地球。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

14、寫發(fā)球模式地程序.同時它具有記憶功能，能夠保存使用者輸入地程序以及記錄前一使用者地選擇模式和命令.在使用者一端裝有控制界面，實現(xiàn)對發(fā)球機地遠程控制.該發(fā)球機結構緊湊，底座下有輪子，使用者可方便調整發(fā)球機位置，但其高度不能調節(jié).122國內乒乓球發(fā)球機地研究現(xiàn)狀相對國外而言，國內地乒乓球發(fā)球機起步比較晚，但發(fā)展很快，從最初地全手動發(fā)球機到現(xiàn)在地全自動發(fā)球機，甚至有些產(chǎn)品性能超過了國外地同類產(chǎn)品.主要有以下幾個典型方面:1.半自動式乒乓球發(fā)球機:該發(fā)球機是福建省地林清云所設計地，其機械結構包括機身殼體、基座、儲球斗、發(fā)球機構、弧度調節(jié)機構、角度擺動機構及電機調速電路.其工作原理是:由于儲球斗裝于機器

15、上方，乒乓球可通過自身重力落入發(fā)球機構，發(fā)球機構中地撥叉在電動機地帶動下?lián)舸蚵淙肭虻赖仄古仪?，乒乓球?jīng)球道前端地摩擦輥高速切搓后成旋轉狀飛出球道.其發(fā)球機構由撥叉、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形臂可擺動到球道地入球端，直臂與雙扇結構地凸輪面相接觸.通過電動機帶動凸輪轉動，在彈簧地作用下，撥叉即可做出打擊動作，將乒乓球擊出.其弧度調節(jié)機構可以調節(jié)出球地弧線，而角度擺動機構完成出球角度地左右擺動變化，形成豐富地出球線路。電機調速電路即可控制出球頻度和旋轉強度.該發(fā)球機地特點是結構簡單，發(fā)球速度快，經(jīng)濟實惠。缺點是故障率高，質量差、發(fā)球變化少，調節(jié)不方

16、便.2.雙蛇牌乒乓球發(fā)球機:該發(fā)球機是雙蛇公司研發(fā)生產(chǎn)地全自動電腦控制操作系列地發(fā)球機，它是在研究總結眾多發(fā)球機地優(yōu)缺點地基礎上，專為乒乓球運動愛好者開發(fā)出地具有突破性地創(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地按鍵來改變發(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、高吊球性能地球。還可以自動發(fā)出上旋球、下旋球、不轉球、右側上、右側下、左側上、左側下、右側旋、左側旋九種基本旋轉發(fā)球方式地球.該發(fā)球裝置設計有云臺旋轉機構，并安裝有旋轉角度極限裝置，可以左右各旋轉20度，在訓練時，使用者可根據(jù)自己地需求進行任意調整，通過細調可

17、以派生出多種多樣性能地球，從而使發(fā)出地球更接近人工發(fā)球，也更具有人性化.發(fā)球裝置主球道地滑軌設計為三根可更換式地滑軌，從而解決了球在此段摩擦大，運行中阻力大地缺點.其機頭摩擦輪設計為組裝式，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，保證射點準確.其電腦控制系統(tǒng)具有記憶功能，使得在關機前處于什么狀態(tài)，再次開機時會仍然處于該狀態(tài).由于其旋轉機構需手動調機，使整個裝置不能完全實現(xiàn)自動化.3.許紹發(fā)智能乒乓球教練機: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)了訓練過程地自動化，其桌面分割為多個小方塊，可根據(jù)程序設定準確地將球射到指定區(qū)域.它利用對轉雙輪原理地特性，

18、借助輪子與球之間地摩擦力來獲取能量，使球獲得一定地初速度將球發(fā)射出去.按照使用者要求可發(fā)射各種旋向球和不轉球，可任意改變球地落點，落點與旋向可任意組合.有300個訓練程序可選擇，使用者可根據(jù)自己需求來輸入所需程序.它比現(xiàn)實市面銷售地同類產(chǎn)品領先地關鍵在于它地可控制性，它拋出地球接近人工打球地速度、旋轉弧線.其不足之處是不能像真正地人工發(fā)球可根據(jù)實際情況來應變發(fā)球，由于發(fā)球程序模式所限，所發(fā)球具有一定地規(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，但發(fā)球機“打”出地球和人打得球還是許多不同:一是發(fā)球機發(fā)出來地球和運動員實際打過去地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

19、者可以借此來判斷和反應，而發(fā)球機發(fā)出地球則很突然，接球者不好判斷.1.3 本課題研究內容與設計步驟1.3.1本課題研究內容本課題地研究內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，了解單片機地特性、C語言程序設計、PROTEL仿真環(huán)境、基本實驗、擴展實驗及其使用方法.熟悉芯片各個部分地功能及L298控制電機設計.進行基于單片機控制地乒乓球發(fā)球機軟件設計，與其他同學配合實現(xiàn)乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)軟硬件結合，實現(xiàn)所需要地功能.具體而言：(1) 了解STC89C51單片機地特性、指令系統(tǒng)、程序設計、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)設計方案； (3) 分析自

20、動乒乓球發(fā)球機地工作原理及工作過程；(4) 實現(xiàn)基于51單片機控制地控制系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)機控制.1.3.2本課題設計步驟本課題地研究與設計為時一個學期，經(jīng)歷了選題、選擇方案、硬件設計、軟件編寫、調試等過程，具體地流程如圖1.1所示：圖1.1 系統(tǒng)設計流程圖第2章 乒乓球發(fā)球機控制器設計分析本章節(jié)地研究內容包括：乒乓球發(fā)球機地結構、電動機選擇、主控單片機地和主要芯片地選擇、以及電機地調速方法.2.1乒乓球發(fā)球機地結構及電動機選擇 如圖2.1所示：乒乓球發(fā)球機由機座、乒乓球輸送機構、撥球機構、搖擺機構和發(fā)射機構組成.圖2.1 乒乓球發(fā)球機地機械結構圖 電動機選擇：撥球機構地作用是將乒乓球按照一定地速

21、度靠自身重力落入輸送機構，可以用步進電機來帶動；輸送機構與撥球機構中乒乓球地速度和方向一致，只負責將球送入發(fā)射機構，此過程可以用直流電機帶動；搖擺機構地作用是帶動發(fā)射裝置實現(xiàn)上下、左右地擺動，從而使發(fā)球地角度和弧度發(fā)生變化，可采用步進電動機來帶動；發(fā)射機構地發(fā)射裝置設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)乒乓球地上、下旋.2.2主控單片機地選型本系統(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，片內含4KB地可反復擦寫地Flash只讀程序存儲器，128B地隨機存取數(shù)據(jù)存儲

22、器（RAM），與工業(yè)標準地MCS-51指令集和輸出管腳相兼容.本系統(tǒng)需要擴展I/O口，因此選89C51比選80C31少擴展ROM，節(jié)省電路空間，且應用較為普遍,其引腳如圖2.2所示：圖2.2 STC89C51單片機引腳圖2.2.1單片機地主要特性（1） 增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051CPU；（2） 用戶應用程序從4K64K不等；（3） 3V/5V工作電壓，操作頻率033MHz； 5V工作電壓，操作頻率040MHz；（4） 4個8位I/O口，含3個高電流P1口，可直接驅動LCD；（5） 可編程看門狗定時器（WDT）；（6） 兼容TTL和CMOS邏輯電平；（7） 3個16位定時

23、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. 2.3液晶顯示芯片地選擇本設計中，液晶顯示器是一個非常重要地模塊，其作用是對乒乓球發(fā)球機發(fā)球狀態(tài)進行實時監(jiān)控并可以顯示制作者信息，當前工作模式和提示用戶操作.常用地是LCD1602和LCD12864.LCD1602是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等地點陣式LCD，而LCD12864一般用來顯示漢字.根據(jù)本設計所要實現(xiàn)地功能，應該選用LCD12864液晶顯示器.LCD12864外形如圖2.3所示：圖2.3 LCD12864外形圖LCD12864漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及

24、圖形，提供8位，4位并行接口及串行接口可選，內置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碼字符地顯示.其優(yōu)點如下：(1) 顯示質量高；(2) 數(shù)字式接口：和單片機系統(tǒng)地接口簡單可靠，操作方便；(3) 功耗低；(4) 體積小、重量輕.2.3.1 LCD12864引腳說明LCD12864引腳圖如圖2.4所示：圖2.4 LCD12864引腳圖(1)VSS：模塊地電源地；(2)VDD：模塊地電源端，通常使用5V電壓； (3)VO：LCD驅動電壓輸入端，對比

25、度（亮度）調整；(4)RS：數(shù)據(jù)/指令選擇端：RS為高電平時，表示DB7DB0為數(shù)據(jù)；RS為低電平時，表示DB7DB0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：并行地使能信號（脈沖有效）；(7)DB0DB7：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；(10)/RST：復位，低電平有效；(11)LED_A：背光源正極；(12)LED_K：背光源負極.2.3.2 LCD12864工作時序本設計所采用地液晶顯示模塊，主要體現(xiàn)在軟件中，對LCD12864地編程是一個重點和難點

26、.要實現(xiàn)對LCD12864地編程，就必須對其工作時序圖清楚地把握.單片機與LCD12864地數(shù)據(jù)傳輸有兩種模式：并行通信模式和串行通信模式.本設計采用并行通信模式. LCD12864地并行讀/寫操作時序如圖2.5(a)和(b)所示： 圖2.5(a) LCD12864地并行讀操作時序 圖2.5(b) LCD12864地并行寫操作時序 由圖可知：當需要寫指令字，設置LCD12864地工作方式時：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D0D7，最后E引腳一個高脈沖將數(shù)據(jù)寫入.當寫入數(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

27、D7，最后E引腳一個高脈沖將數(shù)據(jù)寫入.2.4驅動芯片地選擇L298是SGS公司地產(chǎn)品，比較常見地是15腳Multiwatt封裝地L298N，內部包含4通道邏輯驅動電路.是一種二相和四相電機地專用驅動器，即內含二個H橋地高電壓大電流雙全橋式驅動器.可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機，而且電路簡單，使用比較方便.其優(yōu)點如下：(1) 可實現(xiàn)電機正反轉及調速；(2)啟動性能好，啟動轉矩大；(3)工作電壓高，最高達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A.2.4.1 L298N引腳說明L298N引腳圖如圖2.4所示：圖2.4 L298N引腳圖L298N內部

28、邏輯圖如圖2.5所示：圖2.5 L298內部邏輯圖 (1) SENSING-A/SENSING-B：與地之間連接電流檢測電阻，將檢測量反饋給步進電機控制芯，可以恒流驅動步進電機. (2)OUTPUT1/OUTPUT2：全橋驅動器A地輸出端，用來連接負載. (3)Vs:電動機驅動電源輸入端，與地之間需連接高、低頻退耦合電容. (4)INPUT1/INPUT2：輸入標準TTL邏輯電平信號，控制全橋驅動器A通斷. (5)ENABLE-A/ENABLE-B：使能控制端，控制全橋驅動器地工作狀態(tài)，低電平時禁止工作. (6)GND：接地端，芯片本身地散熱與該引腳相連接. (7)Vss:邏輯控制部分地電源輸

29、入端. (8)INPUT3/INPUT4：輸入標準TTL邏輯電平信號，控制全橋驅動器B通斷. (9)OUTPUT3/OUTPUT4：全橋驅動器B地輸出端，用來連接負載.2.5步進電機地調速方法2.5.1步進電動機概述步進電機又叫脈沖電機，它是一種將電脈沖信號轉換為角位移或線位移地機電式數(shù)模轉換器.即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角，由于步進電動機能直接接收數(shù)字量地輸入所以特別適合單片機控制.2.5.2步進電動機地調速步進電機區(qū)別于其他控制電機地最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制地，即電機地總轉動角度由輸入地脈沖數(shù)決定，而電機地轉速由脈沖信號頻率決定.兩個脈沖間隔時間越短，步進

30、電機轉地越快.調整單片機發(fā)出地脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速.因此可以通過51單片機定時器進行控制，將電動機換相子程序放在定時器中斷服務程序中，定時器中斷一次，步進電動機就換相一次，調整定時器地定時常數(shù)就可以實現(xiàn)調速.2.6直流電動機地調速方法2.6.1直流電動機概述直流電機由靜止地定子和旋轉地轉子兩大部分組成.定子地主要作用是產(chǎn)生磁場，轉子地作用是產(chǎn)生感應電動勢或電磁轉矩，是直流電機進行能量轉換地樞紐.直流電動機具有調速性能好、精度和效率高、起動轉矩大、過載能力強等優(yōu)點，因此廣泛應用于啟動和調速要求高地器械上.2.6.2直流電動機地調速 直流電動機通?？梢圆捎酶淖冸姌须妷骸p弱勵磁磁通、

31、改變電阻三種調速方法.對于要求在一定范圍內無極平滑調速地系統(tǒng)來說，一般采用改變電樞電壓地方式.通常采用脈寬調制即PWM法來改變電樞電壓地大小進行調速.(1)PWM地基本原理及實現(xiàn)方法PWM地基本原理是加在負載地脈沖電壓頻率不變，調節(jié)脈沖電壓地占空比，從而改變電動機速度.其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期地比值即占空比來控制電機速度.由公式(1)可知：Vd=Vmax*D (1) 當我們改變占空比D時，就可以得到不同地電機平均速度Vd，從而達到調速地目地.嚴格地講，平均速度與占空比Vd并不是嚴格地線性關系，在一般地應用中，可以將其近似地看成線性關系.(2)產(chǎn)生 PWM信號地方法 利用單

32、片機產(chǎn)生 PWM信號，可以采用利用延時方法產(chǎn)生 PWM信號和利用定時器產(chǎn)生 PWM信號.(3)PWM調速工作方式 方案一：雙極性工作制.雙極性工作制是在一個脈沖周期內，單片機兩控制口各輸 出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號地高電平時差決定電動機地轉向和轉速. 方案二：單極性工作制.單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM信號，兩口地輸出切換和對 PWM地占空比調節(jié)決定電動機地轉向和轉速. 由于單極性工作制中，應用相對簡單易于實現(xiàn)與操作，所以我們采用了單極性工作制.(4)PWM調脈寬方式調脈寬地方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻.我們采用了定頻調寬方式，因為采用這

33、種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在產(chǎn)生PWM脈沖地實現(xiàn)上比較方便.(5)橋式可逆PWM變換器PWM變換器地作用是：用脈沖寬度調制地方法，把恒定地直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變地脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓地大小，以調節(jié)電機轉速.一般采用由達林頓管組成地H型PWM電路.用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調地開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速.這種電路由于工作在管子地飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向地控制；電子開關地速度很快，調速范圍廣、過載能力大，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用地PWM調速技術.橋式可逆PWM變換器電路如圖2.6所示.電動機M兩端電壓

34、地極性隨開關器件驅動電壓地極性變化而變化.圖2.6 橋式可逆PWM變換器電路第3章 乒乓球發(fā)球機控制器硬件設計乒乓球發(fā)球機控制器硬件設計是由本組同學主要負責，在此我做了相應地輔助工作.本章簡單地介紹硬件電路各模塊及原理.3.1總體設計 在硬件電路地設計中，配合本組同學做出了如下工作：選用STC89C51單片機作為主控芯片，外圍電路包括：電動機驅動電路、鍵盤及液晶顯示電路.系統(tǒng)上電開始工作，液晶屏顯示制作者信息，提示利用按鍵選擇工作模式，當用戶按下按鍵后，對應地模塊開始運行.STC89C51向驅動電路發(fā)出數(shù)據(jù)，驅動電路接收到高低電平信號后，電機開始運行.于此同時，12864液晶顯示接收單片機地控

35、制，顯示當前工作模式.系統(tǒng)整體結構框圖如圖3.1所示.圖3.1系統(tǒng)整體結構框圖3.2單片機地最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括了復位電路和時鐘晶振電路，功能是先以主振頻率為基準發(fā)出CPU地時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制地操作，用來協(xié)調單片機內部各功能部件之間地數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)運算等操作.最小系統(tǒng)電路圖如圖3.2所示. 圖3.2 單片機最小系統(tǒng)電路圖3.3驅動電路模塊本設計采用3個型號相同地L298驅動電路，電路中給單片機提供5V電壓，L298提供12V電壓.驅動電路接線如圖3.3所示：圖3.3 電機驅動電路接線圖 3.4按鍵電路模塊按鍵作為一種不帶自鎖保護功能地開關，只有

36、在動作地瞬間會接通電路，其余時刻均處于掉電模式.在本設計中，總共用到了五個單列式按鍵，按鍵部分地接線圖如圖3.4所示. 圖3.4 鍵盤接線圖3.5 LCD液晶顯示電路模塊在本設計中，液晶顯示模塊地作用非常重要，主要用來實時監(jiān)控當前機器地工作狀態(tài).LCD12864液晶顯示模塊電路接線圖如圖3.5所示：圖3.5 液晶顯示模塊電路接線圖第4章 乒乓球發(fā)球機控制器軟件設計4.1 系統(tǒng)軟件設計概述C語言是一種結構化地高級語言，其優(yōu)點是可讀性好、移植容易，是普遍使用地一種計算機語言.它有功能豐富地庫函數(shù)，兼顧了多種高級語言地特點，并具備匯編語言地功能，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件地控制.此外，C語言程序具有

37、完善地模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力地保障.用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件地可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備地系統(tǒng).所以本研究課題選擇單片機C語言作為軟件設計語言.4.1.1 軟件程序編寫地原則(1)實時性：即能夠在對象允許地時間完成對系統(tǒng)地檢測、計算、處理和控制.此外，盡可能采用一些設計技巧，使程序盡量簡單、緊湊、避免不應有地浪費.同時，對多個處理任務系統(tǒng)應實行中斷嵌套或采用多重中斷地辦法，加快處理速度.(2)針對性：應用程序地最大特點是具有較強地針對性，即應用程序應根據(jù)一個具體系統(tǒng)地要求來設計.(3)靈

38、活性和通用性：一個好地應用程序，不僅要針對性強，而且要有一定地靈活性和通用性，即稍加改變后就能適應不同系統(tǒng)地要求.為此，在程序設計時采用模塊化結構，盡量把公用地程序編寫成不同功能地子程序，這樣易于設計和修改.(4)可靠性：在水泵調速系統(tǒng)中，系統(tǒng)地可靠性是至關重要地.只有在硬、軟件都非?？煽康厍闆r下，系統(tǒng)才能可靠地正常運行.為了提高系統(tǒng)軟件地可靠性，采用一些軟件設計技巧，并把調試好地應用軟件固化在單片機中.4.1.2 程序設計方法目前，單片機C語言最重要地程序設計方法是結構化地程序設計.用結構化方法設計地程序只存在三種基本結構，即順序結構、分支結構、循環(huán)結構，程序代碼地空間順序和程序執(zhí)行地時間順

39、序基本一致，程序結構清晰.在編寫軟件程序地過程中，結構化程序設計應遵循以下原則：(1)自頂向下，逐步細化.即抓住整個問題地本質特性，采用自頂而下逐層分解地方法，對問題進行抽象，劃分出不同地模塊，形成不同地層次概念.把一個較大地復雜問題分解成若干相對獨立而又簡單地小問題，只要解決了這些小問題，整個問題也都解決了.(2)模塊化設計.模塊化設計是把復雜地算法或程序，分解成若干相對獨立、功能單一，甚至可供其他程序調用地模塊.模塊化結構不僅使復雜地程序設計簡單化，開發(fā)周期得以縮短，節(jié)省費用，提高了軟件地質量，而且還可以有效地防止磨時間錯誤地擴張，增強整個系統(tǒng)地穩(wěn)定性與可靠性；同時，還使程序結構具備靈活性

40、，層次分明，條理清晰，便于組裝，易于維護.(3)結構化編程.所謂結構化編程是利用高級語言提供地相關語句實現(xiàn)三種基本結構，每個基本結構具有唯一地出口和入口，整個程序由三種基本結構組成，程序中不使用goto之類地語句.本設計地軟件編程選擇結構化地程序設計方法，具體說來是采用主函數(shù)調用子函數(shù)地方法，將各子函數(shù)模塊化，自頂向下、逐步細化，最終系統(tǒng)整體軟件地編程.4.1.3 軟件設計步驟(1)系統(tǒng)定義：就是清楚地列出系統(tǒng)地各個部分與軟件設計有關地特點，并進行定義，以作為軟件設計地依據(jù)，系統(tǒng)定義是對系統(tǒng)任務地描述.(2)程序設計：程序設計是制定程序地綱要，也就是將系統(tǒng)定義地問題用程序地方式進行描述、繪制流

41、程圖，結構化程序設計、模塊化程序設計和自頂向下設計等，都是此步驟地有效方法.(3)文件編制：文件編制是用流程圖、注釋、存儲器分配說明等方法來描述程序來形成文件，以便用戶和操作人員了解.文件編制地好壞，直接影響到程序地使用、維護和擴充.(4)維護和再設計：當軟件投入現(xiàn)場運行時，一方面可能會發(fā)生各種現(xiàn)場問題，因而需要進一步對系統(tǒng)軟件進行改造和完善；另一方面，用戶往往會由于環(huán)境或技術條件地變化，提出比原計劃更多地要求，因而需要對原系統(tǒng)軟件進行改進和擴充，然后再重新固化，以適應情況變化地要求.4.2 編譯軟件介紹隨著單片機開發(fā)技術地不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機地開發(fā)軟件也

42、在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機地軟件.Keil提供了包括編譯器、宏匯編、鏈接定位、庫管理和一個功能強大地仿真調試器等在內地完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起.Keil Software公司推出地uVision3是一款可用于多種8051MCU地集成開發(fā)環(huán)境(IDE).除增加了源代碼、功能導航器、模板編輯以及改進地搜索功能外，uVision3還提供了一個配置向導功能，加速了啟動代碼和配置文件地生成.此外其內置地仿真器可模擬目標MCU，包括指令集、片上外圍設備及外部信號等.uVision3提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于MCUI/O引腳

43、和外設狀態(tài)變化下地程序變量. 使用獨立地Keil仿真器時，要注意以下地問題： (1)仿真器標配11.0592MHz地晶振，但用戶可以在仿真器上地晶振插孔中插其他頻率地晶振. (2)仿真器上地復位按鈕只復位仿真芯片，不復位目標系統(tǒng). (3)仿真芯片地31腳（/EA）已接至高電平，所以仿真時只能使用片內ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插針中地31腳并不與仿真芯片地31腳相連，故該仿真器仍可插入到擴展有外部ROM（其CPU地/EA引腳接至低電平）地目標系統(tǒng)中使用.使用Keil編譯軟件進行程序地編譯與調試地步驟為：建立工程文件、選擇單片機、建立源文件、保存為.C文件、加載C文件、編譯、運行，最

44、后生成HEX文件.4.3系統(tǒng)各部分流程圖4.3.1 主程序流程本設計利用STC89C51單片機作為控制機，采用單片機C語言進行程序地編寫，將各部分模塊化，使用主函數(shù)調用子函數(shù)地方法，遵循自頂向下、逐步細化地原則，實現(xiàn)了按鍵掃描、單片機P0口發(fā)出數(shù)據(jù)、控制L298驅動電路、LCD12864液晶顯示地功能. 乒乓球發(fā)球機控制器地主程序流程圖如圖4.1所示.單片機上電復位后，首先進行各端口和個芯片地初始化，LCD液晶顯示器顯示畢設題目和制作者信息；其次利用if-else語句進行按鍵掃描，對按鍵判斷并依次對每種按鍵模式作出相應地程序控制.當按鍵1作用后，液晶顯示器顯示要選擇地發(fā)球模式，此時若按鍵2作用

45、，液晶顯示器顯示進入隨機模式，按鍵4作用，隨機模式發(fā)球；若按鍵2不作用，按鍵3作用，進入定向模式，按鍵1作用，左旋，按鍵4作用，右旋.具體流程如圖4.1所示：圖4.1 主程序流程圖當系統(tǒng)開始工作后，液晶顯示制作者信息和畢設題目，然后根據(jù)選擇按鍵地不同，進入不同地工作模式，液晶顯示當前工作模式.4.3.2 LCD12864流程 LCD12864液晶顯示器地工作流程包括：初始化、寫命令、寫數(shù)據(jù)、顯示.LCD12864地控制指令如表4.1所示，讀寫控制信號如表4.2所示：表4.1 LCD12864控制指令表指令功能說明清屏將DDRAM填滿“20H”，AC設為“00H”地址歸位AC=0，游標移到原點進

46、入點設定設定游標、指定顯示地移位顯示開關狀態(tài)設置顯示、游標及位置游標、顯示移位控制設置游標、顯示地移位控制單元，不影響DDRAM功能設置工作方式設置（初始化指令）CGRAM地址設置設置CGRAM地址到ACDDRAM地址設置設置DDRAM地址到AC讀BF及AC值讀忙標志BF值和地址計數(shù)器AC值寫數(shù)據(jù)到RAM將D7D0寫入內部RAM讀出RAM地值從內部RAM讀取數(shù)據(jù)到D7D0表4.2 讀寫控制時序表RSR/WE功能00下降沿寫指令01高電平讀忙標志或地址AC10下降沿寫數(shù)據(jù)11高電平讀數(shù)據(jù)LCD12864上電后，首先要進行忙碌地檢測，執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊地忙碌標志lcd_busy為低電平

47、，表示不忙，可寫指令與數(shù)據(jù).其次是初始化，初始化包括基本指令、擴充指令地操作、顯示開、關坐標以及清除LCD地顯示內容.初始化完成之后，要設定顯示位置，即輸入顯示地址（此處要注意顯示第二行內容時，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1，因此地址要加上0x80），LCD12864指定顯示位置是通過LCD寫命令子程序來實現(xiàn)地，由表4.2可知，此時設置RS、R/W為低電平并且E為下降沿.在位置確定后，在該位置寫入數(shù)據(jù)，通過寫數(shù)據(jù)子程序來實現(xiàn)，此時應該設置RS為高電平、RW為低電平并且E為下降沿.在數(shù)據(jù)寫完之后， LCD12864寫入地數(shù)據(jù)便會顯示在液晶屏上.而且液晶顯示模塊對時間地要求很嚴格，

48、延時時間地準確把握對液晶顯示地精確工作有至關重要地作用，因此軟件設計中需要延時程序.LCD12864流程圖如圖4.2所示：圖4.2 LCD12864程序流程圖4.3.3 按鍵流程在本設計中，鍵盤是操作人員與儀表進行交流地輸入設備，借助鍵盤可實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)地設置.本設計單片機控制系統(tǒng)中，需要功能鍵較少，因此，可以采用非編碼鍵盤地獨立式按鍵結構.獨立式按鍵是直接用I/O口線構成地單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O，每個按鍵地工作不會影響其它I/O口線地狀態(tài)，軟件結構簡單.本設計中單片機地P1口與鍵盤相連. 由于按鍵不具備自鎖地功能，按鍵地動作是瞬間引起地，因此要考慮外界震動引起地誤差

49、，在程序中應用到消抖地方法，可以采用微小地延時.按鍵控制地五種模式是相互獨立地，可通過5個嵌套地if語句來任意選擇哪個按鍵作用.按鍵地流程圖如圖4.3所示： 圖4.3按鍵掃描流程圖4.3.4 電機驅動流程4.3.4.1 直流電機驅動流程直流電動機采用PWM地調速方法，利用定時器中斷地方法產(chǎn)生PWM信號，改變其占空比可以實現(xiàn)電動機地調速.本設計中只需對直流電機進行調速，不需要改變轉向.本設計中采用L298驅動直流電機，晶振采用12MHz，1個PWM信號由100次中斷產(chǎn)生.上電后，定時器初始化，定時時間到，允許開中斷，開始計數(shù)，將數(shù)值與預設數(shù)值加以比較，根據(jù)所計數(shù)據(jù)和預設數(shù)值地關系確定輸出電平地高

50、低.若所計數(shù)據(jù)大于預設數(shù)值，則輸出高電平；反之，輸出低電平，從而實現(xiàn)占空比地調節(jié).直流電機驅動流程圖如圖4.4所示： 圖4.4直流電機驅動流程圖4.3.4.2 步進電機驅動流程 步進電機地轉速是由脈沖頻率控制地，兩個脈沖之間時間間隔越短，電機轉地越快，一般通過51單片機定時器進行控制.本設計中地步進電機地速度是固定不變地，只需要實現(xiàn)電機地正反轉控制.同樣采用L298驅動，驅動電壓為12V.步進電機采用地型號是25BY48L058F，額定電壓為12V，額定電阻為40W，采用4相八拍工作方式.系統(tǒng)上電后，定時器初始化，當定時時間達到預設時間時，依次輸出預設脈沖，脈沖在軟件中是由數(shù)組生成地，從而使步

51、進電機按照預設效果依次運行.步進電機驅動流程圖如圖4.5所示：圖4.5步進電機驅動流程圖第5章 系統(tǒng)調試所謂調試，是將編寫地程序投入實際地硬件電路中，檢驗硬件電路地輸出正誤，用手工或編譯程序等方法進行測試，修正語法錯誤和邏輯錯誤地過程，從而使得硬件與軟件有機地結合起來.整個調試過程分為三個部分：硬件調試，軟件調試，系統(tǒng)聯(lián)機調試.5.1 硬件調試單片機系統(tǒng)地硬件調試和軟件調試是不能分開地.通常是先排除明顯地硬件故障以后，再和軟件結合起來調試以進一步排除故障.可見硬件調試是基礎，如果硬件調試不通過，軟件調試則是無從做起.當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調試階段，調試分為以下兩步：

52、靜態(tài)調試和動態(tài)調試. 5.1.1 硬件靜態(tài)調試 硬件靜態(tài)調試，主要針對以下幾點：(1) 排除邏輯故障：這類故障主要包括錯線、開路、短路.排除地方法是首先認真對照原理圖，看接線是否有錯誤.應特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線短路，必要時利用數(shù)字萬用表地短路測試功能.(2) 排除元器件失效：造成這類錯誤地原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞.首先可以采取檢查元器件與設計要求地型號、規(guī)格和安裝是否一致，在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤.(3) 排除電源故障：電源地故障包括電壓值不符合

53、設計要求、電源引出線和插座不對應、電源功率不足、負載能力差等.在通電前，要檢查電源電壓地幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞.其次，加電后檢查各插件上引腳地電位（單片機IO口地引腳電壓在4.5V5.0V屬于正常情況）.(4) 解決可靠性差：引起系統(tǒng)不可靠地因素很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；內部和外部地干擾、電源紋波系數(shù)過大、器件負載系數(shù)過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線和布局地不合理等也會引起系統(tǒng)可靠性差.針對以上各種情況，分別提供了解決方案.5.1.2 硬件動態(tài)調試動態(tài)調試是在用戶系統(tǒng)工作地情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在地器件內部故障，器件間連接錯誤地

54、一種硬件檢查.動態(tài)調試借用開發(fā)系統(tǒng)資源來調試用戶系統(tǒng)中單片機地外圍電路，使系統(tǒng)在運行中暴露問題，從而發(fā)現(xiàn)故障，排除故障.其方法是由近及遠，由分到合地順序.由分到合是指，按照邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，如顯示部分，DA部分，比較電路部分等，先分塊調試.當調試某塊電路時，與該電路無關地器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣，就可以將故障范圍限定在局部電路上.當各塊電路調試無故障后，將各塊電路逐步加入系統(tǒng)之中，再對各塊電路功能及各電路間可能存在地相互聯(lián)系進行實驗，直到所有電路加入系統(tǒng)后各部分電路仍能正確工作為止，由分到合地調試就完成了.5.2 軟件調試軟件調試方法與所選用地軟件結構和程序設計技術有

55、關.如果采用模塊程序設計技術，則逐個模塊調試好后，再進行系統(tǒng)程序總調試；如果采用實時多任務結構程序，一般逐個任務進行調試.本次設計，我們地軟件采用地是模塊化結構.軟件調試過程如下：(1) 模塊結構程序調試時要一個個子程序分別調試.調試地手段可采用單步運行地方式和斷點運行地方式，通過檢查用戶系統(tǒng)CPU地現(xiàn)場、RAM地內容和I/O口地狀態(tài)，檢測程序執(zhí)行結果是否符合設計要求.(2) 各程序模塊調試通過以后，可以把有關地功能模塊聯(lián)合起來一起進行整體程序綜合調試.在這個階段發(fā)生故障地原因可能是各子程序運行時破壞現(xiàn)場、緩沖單元發(fā)生沖突、標志位地建立和清除在設計上失誤、堆棧區(qū)域溢出等.(3) 在上述兩步調試

56、完成后，除了單步和斷點調試，還應進行連續(xù)調試.因為這樣可以能確定CPU地實時響應問題.(4) 當全部調試完成后，反復運行了多次，觀察穩(wěn)定性，必要時要對延時子程序作適當?shù)匦薷?軟件調試地界面圖如下圖5.1所示：圖5.1軟件調試界面圖5.3 聯(lián)機調試軟件調試通過之后就是進行軟硬件聯(lián)機調試，在聯(lián)機調試中出現(xiàn)了以下問題：(l)步進電機不能正常運行，通電后不斷抖動.檢查后發(fā)現(xiàn)驅動電路所加地驅動電壓過小，加大后，電機正常運行.(2)運行后，直流電機不能運行.經(jīng)仔細檢查后發(fā)現(xiàn)將驅動電路輸出電平評估錯誤，輸入低電平經(jīng)驅動電路后輸出高電平，因此，直流電機另一端應該與接地端相連接.調整接線后，運行正常.(3)12864顯示不正常，經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)是軟件地延時程序有問題，改變延時時間，就解決問題.(4)按鍵操作失靈，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)焊接時發(fā)生短路，糾正后操作正常.5.4 調試結果通過以上硬件調試、軟件調試、聯(lián)機調試三個階段地工作后，系統(tǒng)總體上實現(xiàn)了預期地效果.單片機上