劉豐年（三門峽職業(yè)技術學院信息傳媒學院，河南三門峽472000）

一種經濟實用型智能網球發(fā)球器的設計與實現(xiàn)

劉豐年
（三門峽職業(yè)技術學院信息傳媒學院，河南三門峽472000）

摘 要：為解決網球愛好者在進行網球訓練時缺乏陪練或陪練技術發(fā)揮不穩(wěn)定的問題，設計了一種以STC12C5A60S2單片機和舵機為核心的經濟實用型智能網球發(fā)球器。該網球發(fā)球器使用單片機控制技術，采用舵機進行伺服驅動，可以自動調節(jié)發(fā)球的角度和時間間隔。實驗表明，該發(fā)球器簡易、便攜、經濟、實用，對于糾正學生錯誤動作、縮短學習動作的泛化和分化階段時間、快速達到自動化具有很好的實踐效果，對于提高網球教學質量和網球運動的普及具有較大的促進作用。

關鍵詞：網球；發(fā)球器；STC12C5A60S2單片機；舵機

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.007

0引言

伴隨著網球運動在我國的迅猛發(fā)展，很多高校的體育院系已經開設了網球專業(yè)，并且也成了公共體育選修課之一。網球專業(yè)學生和公共體育課學生在訓練時，一般需要至少一名陪練，但往往由于缺少陪練人員，或者陪練的發(fā)球力度、角度、遠近距離及球的旋轉等技術發(fā)揮不穩(wěn)定，導致訓練效果欠佳。網球訓練者要想在短時間內快速提高網球技術，就必須借助智能網球發(fā)球器強化規(guī)范訓練。而傳統(tǒng)的網球發(fā)球器價格高、易損壞、使用不方便，在一定程度上影響了網球訓練的效果。因此急需一種簡易、便攜、經濟、實用的智能化網球發(fā)球器。

本文設計并實現(xiàn)了一種以STC12C5A60S2單片機和舵機為核心的經濟實用型智能網球發(fā)球器。該網球發(fā)球器使用單片機控制技術，采用舵機進行伺服驅動，可以自動調節(jié)發(fā)球的角度和時間間隔。對于糾正學生錯誤動作、縮短學習動作的泛化和分化階段時間、快速達到自動化具有很好的實踐效果，對于提高網球教學質量和網球運動的普及具有較大的促進作用。

1系統(tǒng)總體結構設計

在對網球訓練技術特點和發(fā)球要求進行認真分析的基礎上，結合網球愛好者訓練時遇到的實際問題，本文設計的經濟實用型智能網球發(fā)球器的結構示意圖如圖1所示：

由圖1可以看出，本文設計的經濟實用型智能網球發(fā)球器包括10部分。1為下球槽出球擋板，控制和減緩網球在出口處時的速度和前沖力，可以拆卸，2為下球槽，分前段和后段，中間由擋球板相隔，是球的滑道，傾斜度可以調整，3為斜面頂板，將球頂出翻越擋球板，4為擋球板，阻止球暫停，5為觸發(fā)連桿一，是觸發(fā)器和頂板的連桿，6為觸發(fā)器，該觸發(fā)器為定時觸發(fā)器，是核心裝置，按照一定的時間間隔驅動連桿，7為儲球筐，儲存網球，8為觸發(fā)連桿二，在觸發(fā)器的控制下定時驅動，防止兩個球同時滾落至儲球筐下端卡在一起，9為支架，高度可以調節(jié)，10為底座。

圖1　本文網球發(fā)球器的結構示意圖

在網球訓練中，將網球放入儲球筐內，所放置的網球會靠重力作用依次向下傳送，當網球進入下球槽時，由于下球槽是斜面設計，網球會向下依次滾動，網球至下球槽中段將被擋球板所阻攔，并依次排列。被擋球板4阻攔的最下端的網球，頂板剛好在其后下方，頂板固定在觸發(fā)連桿一上，觸發(fā)連桿一固定連接在支架上端的觸發(fā)器上。觸發(fā)器設置觸發(fā)的時間間隔為2～20秒，優(yōu)選的觸發(fā)器時間間隔為10秒，并依靠電池功能，通過觸發(fā)連桿一上端頂板將下球槽最下端的網球推送翻越下球槽中段擋球板，此網球將沿下球槽滾動出后，會隨慣性略有些前沖落地，落點固定，彈跳適中，可以通過調整支架的高度，來控制球的彈跳高度。同時，出口處的出球擋板可以控制和減緩網球在出口時的速度和前沖力，來適合網球水平更低的初學者。為防止儲球筐下端出現(xiàn)卡球現(xiàn)象，觸發(fā)器將通過連桿二定時向上推動，使卡在一起的球落下。

2系統(tǒng)硬件設計

本文設計的經濟實用型智能網球發(fā)球器的硬件主要包括觸發(fā)器和支架。支架設計比較簡單，而這里所說的系統(tǒng)硬件設計主要是指觸發(fā)器的硬件設計。

觸發(fā)器硬件設計采用了模塊化設計方法，各模塊相對獨立，具有特有的功能，待各模塊設計測試完成后，再進行連接調試，該方法大大降低了系統(tǒng)硬件設計的復雜度。觸發(fā)器硬件模塊主要包括：控制器模塊、動作觸發(fā)模塊、按鍵模塊和顯示模塊。觸發(fā)器基本模塊框圖如圖2所示。

圖2　觸發(fā)器基本模塊框圖

2.1控制器模塊設計

控制器主要用于對動作觸發(fā)電路的控制，其中舵機的角度控制是重點。除此之外還有鍵盤模塊和顯示模塊的控制。

由于舵機的控制一般都采用脈沖寬度調制（PWM）方式。在對各種單片機進行比較之后，本文選擇了自帶2路PWM的STC12C5A60S2作為控制核心，對數據輸入和實時顯示以及動作觸發(fā)裝置進行控制。

STC12C5A60S2是增強型的8051單片機，具有低功耗、高速、超強的抗干擾能力，指令代碼完全與8051兼容，內部集成了MAX810專用復位電路，1280字節(jié)的RAM，8路高速10位A/D轉換，2路PWM，共有4個16位定時器，7路外部中斷I/O口，3個時鐘輸出口。

2.2動作觸發(fā)模塊設計

舵機與一般的直流電機相比，舵機可以作為最基本的輸出執(zhí)行模塊，廣泛地應用在微小系統(tǒng)和航模中，而直流電機只能通過復雜的機械結構來對直流電機進行速度的控制，且不利于對角度要求高的控制電路中，所以在觸發(fā)上選擇舵機。

舵機的運行需要一個基本的脈沖，而脈沖的高電平的時間決定了控制脈沖所對應的角度，對應的控制關系如表1所示。

表1　舵機脈沖寬度與角度對應關系

脈寬調制是一種使用程序來控制波形占空比、周期的技術，STC12C5A60S2單片機的PCA模塊可以通過程序設定，使其工作于PWM模式?？烧{制脈沖寬度輸出模式如圖3所示。

圖3　可調制脈沖寬度輸出模式

輸出頻率取決于PCA定時器的時鐘源。PWM的頻率=PCM時鐘輸入源頻率/256。

為了實現(xiàn)可調頻率的PWM輸出，選擇定時器0的溢出率或者ECI腳的輸入作為PCA/PWM的時鐘輸入源。

當EPCnL=0及CCAPnL=00H時，PWM固定輸出高。

當EPCnL=1及CCAPnL=0FFH時，PWM固定輸出低。

2.3鍵盤及顯示模塊設計

本文設計的經濟實用型智能網球發(fā)球器顯示模塊采用動態(tài)顯示方式驅動2個七段數碼管，分別顯示設定值的十位、個位。數碼管采用共陰極。按鍵模塊主要包括3個按鍵，分別是：確認鍵、左右選擇鍵、+/-調節(jié)。

3系統(tǒng)軟件設計

軟件設計利用STC單片機的PCA來產生一個PWM信號作為舵機的控制信號，簡單地說就是利用PWM占空比的變化來改變舵機的旋轉角度。PWM信號通過舵機的控制信號通道到達控制芯片，獲得一個工作電壓（偏置電壓），而舵機自身有一個基準電路，將獲得的偏置電壓與基準電路的電壓比較，得到一個電壓差的輸出，電壓差的輸出決定了舵機的正反轉，當電機轉速達到設定值時，通過減速齒輪帶動電位器旋轉，這時壓差為0，舵機停止動作。

主程序流程圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

4系統(tǒng)測試

系統(tǒng)在keil c51和proteus v8.0軟件仿真環(huán)境下開發(fā)，編程過程中利用軟件仿真調試系統(tǒng)，當軟件仿真通過則利用該仿真器仿真，并按順序檢查錯誤進行修改，最終將程序的HEX文件燒錄進入單片機進行實測。

網球發(fā)球器測試電路如圖5所示。

圖5　網球發(fā)球器測試電路

網球發(fā)球器部分實物圖如圖6所示。

圖6　網球發(fā)球器部分實物圖

該智能網球發(fā)球器已在我校網球選修課上投入使用，發(fā)球的速度、高度、力度均可以根據學生的需求進行調整，滿足了網球愛好者的訓練需求，提高了訓練質量。

5結束語

在對網球愛好者進行訓練時存在的主要問題進行分析的基礎上，本文設計并實現(xiàn)了一種以STC12C5A60S2單片機和舵機為核心的經濟實用型智能網球發(fā)球器。該網球發(fā)球器使用單片機控制技術，采用舵機進行伺服驅動，可以自動調節(jié)發(fā)球的角度和時間間隔。對于糾正學生錯誤動作、縮短學習動作的泛化和分化階段時間、快速達到自動化具有很好的實踐效果，具有一定的推廣應用價值。

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（責任編輯：郝安林）

中圖分類號：TM341

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0017-03

收稿日期：2016-02-26

作者簡介：劉豐年（1982-），男（漢族），河南三門峽人，三門峽職業(yè)技術學院教師。