網(wǎng)球發(fā)球機(jī)

目錄第一章 緒 論- 1 -1.1引言- 1 -1.2國(guó)內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀- 1 -1.2.1國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀- 1 -1.2.2國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀- 2 -1.3本文的主要內(nèi)容與課題的意義- 2 -1.3.1課題研究的內(nèi)容- 2 -1.3.2課題研究的現(xiàn)實(shí)意義- 3 -1.4小結(jié)- 3 -2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理- 4 -2.1.1網(wǎng)球運(yùn)行的基本假設(shè)- 4 -2.1.2描述網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的主要參量及計(jì)算公式- 5 -2.1.3確定網(wǎng)球運(yùn)行軌跡的參數(shù)方程組- 12 -2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作過程- 12 -2.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)技術(shù)參數(shù)- 12 -2.4小結(jié)- 13 -第三章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 14 -3.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 14 -3.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 14 -3.2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的儲(chǔ)球箱的設(shè)計(jì)- 14 -3.2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)供球漏斗的設(shè)計(jì)- 14 -3.2.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的擺動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 15 -3.3小結(jié)- 15 -第四章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 15 -4.1總體設(shè)計(jì)- 15 -4.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)- 16 -4. 2. 1 89C51的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 16 -4.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的設(shè)計(jì)- 16 -4.2.3電機(jī)PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)- 17 -4.2.4鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì)- 21 -1.鍵盤的選擇- 21 -4.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的軟件設(shè)計(jì)- 23 -4.3.1軟件設(shè)計(jì)分析- 23 -4.3.2 PID控制算法設(shè)計(jì)- 24 -4.4小結(jié)- 25 -結(jié) 論- 26 -參 考 文 獻(xiàn)- 27 -致 謝- 28 -附 錄- 29 - 28 -第一章 緒 論 1.1引言 現(xiàn)代社會(huì)，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾暽|(zhì)量和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)動(dòng)消費(fèi)作為一種綠色消費(fèi)，近幾年來在我國(guó)人民日常消費(fèi)中所占的比例呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。可以預(yù)見，隨著2008年北京奧運(yùn)會(huì)的臨近，全民性的健身運(yùn)動(dòng)熱潮不僅不會(huì)減弱，而且將愈演愈烈，健身器材的市場(chǎng)需求也必將隨之不斷擴(kuò)大。 網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)近年來傳入我國(guó)后，普及迅速，尤其深受廣大青年人的喜愛。但對(duì)于初學(xué)者來說，要想在短時(shí)間內(nèi)很快地提高技術(shù)，沒有先進(jìn)的網(wǎng)球訓(xùn)練設(shè)施是很難實(shí)現(xiàn)的。而目前國(guó)內(nèi)網(wǎng)球球館的設(shè)備仍存在著較大的缺陷，特別是用于發(fā)球的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，科技含量較低，價(jià)格較高，容易損壞，在一定程度上影響了人們的使用。鑒于此，開發(fā)一種科技含量高、價(jià)格低、美觀耐用、大容量的智能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)具有廣闊的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 本課題研究的題目為“網(wǎng)球發(fā)球機(jī)及其控制系統(tǒng)”，主要是利用機(jī)械電子相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制電路加以改進(jìn)升級(jí)，設(shè)計(jì)出一種低成本、耐用、美觀且可控的多功能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。 這種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)可容納300個(gè)網(wǎng)球，可以人為的將發(fā)球速度控制在60180公里/小時(shí)，且可發(fā)出平擊球、上旋球、下旋球、中場(chǎng)、后場(chǎng)高壓球等，為使用者提供底線、中場(chǎng)、網(wǎng)前等各種訓(xùn)練，并可自動(dòng)雙向(左右)發(fā)球，便于單人正、反手跑動(dòng)訓(xùn)練或雙人同時(shí)訓(xùn)練，所具備的遙控可為教學(xué)、訓(xùn)練或單人使用帶來極大的方便。并且在設(shè)計(jì)中兼顧考慮了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手的不同需求，提供了不同技術(shù)階段的“多種訓(xùn)練”和“肌肉一記憶運(yùn)動(dòng)”的強(qiáng)化訓(xùn)練，使學(xué)者掌握規(guī)范全面技術(shù)的時(shí)間大為縮短。 1.2國(guó)內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是利用對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理，從兩個(gè)夾輪之間將球發(fā)射出去。而兩輪的轉(zhuǎn)速及左右的偏離是靠?jī)蓚€(gè)直流電機(jī)來控制的。這樣就能發(fā)出各種練習(xí)者需要的球。 1.2.1國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的起步較早。它們的主要功能有可發(fā)出上旋球、下旋球、側(cè)旋球、直球、高吊球、網(wǎng)前球、后場(chǎng)球、底線球、短截?fù)羟蚣斑吘€球等。它既適合普通練習(xí)者的需求又能滿足運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練要求。 目前世界生產(chǎn)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的廠家比較多，最具有代表意義的是美國(guó)TUTOR公司和LOBSTER公司生產(chǎn)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。二者所采用網(wǎng)球發(fā)球原理不同，前者是高性能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，它通常是利用兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的輪子(旋轉(zhuǎn)方向相反)，由于輪子的空間小于球的直徑，當(dāng)球從滑輪滾入兩輪之間的時(shí)候，輪子將球噴出。這種情況和小石頭被打滑的車輪噴出是一個(gè)道理，只不過車輪滾石只用到一個(gè)輪子。而后者是利用空氣壓縮原理來工作。壓縮空氣使用一個(gè)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生。球被裝入長(zhǎng)桶的底部由一個(gè)窄口固定住，這個(gè)窄口的直徑略小一些，當(dāng)壓縮空氣推擠網(wǎng)球穿過窄口的時(shí)候，球就被發(fā)射出去了?，F(xiàn)在市面上銷售的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)多以對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理為主，這是因?yàn)榭諝鈮嚎s發(fā)球機(jī)的噪音極大而且不能提供高的性能，而對(duì)轉(zhuǎn)雙輪發(fā)球機(jī)能提供高的性能。同時(shí)，空氣壓縮發(fā)球機(jī)消耗的功率很大，無法使用電池來供電，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較便宜。 美國(guó)和德國(guó)生產(chǎn)網(wǎng)球公司不僅在發(fā)球機(jī)構(gòu)上有獨(dú)到之處而且在控制方面也處于領(lǐng)先地位。他們能夠采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，并備有遙控裝置可以同時(shí)測(cè)速。 1.2.2國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究才剛剛處于一個(gè)起步階段，用于成品的很少。主要有以下幾個(gè)典型方面:1.豐潤(rùn)牌網(wǎng)球發(fā)球機(jī):該機(jī)型由臺(tái)灣豐潤(rùn)集團(tuán)生產(chǎn)研制，它利用對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理的特性，借助于輪子和球之間的磨擦力來獲取能量，使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。這個(gè)原理和雙輪旋轉(zhuǎn)發(fā)球原理同出一則。它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，即:速度高、易控制、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。缺點(diǎn)是故障率高、質(zhì)量差。2.力王牌舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī) 該機(jī)是由北京太陽計(jì)算機(jī)技術(shù)公司生產(chǎn)研制的舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，升華了科學(xué)訓(xùn)練過程。對(duì)初學(xué)者和專業(yè)選手均提供了不同技術(shù)階層的“多球訓(xùn)練“和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)是“肌肉記憶運(yùn)動(dòng)”的強(qiáng)化訓(xùn)練，使掌握規(guī)范網(wǎng)球技術(shù)的時(shí)間大大縮短為“一年賽三年”。 舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是一種比較先進(jìn)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。此機(jī)可發(fā)出上旋、下旋、平擊球，可仿真模擬網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)時(shí)真實(shí)擊出的左側(cè)上旋或下旋球，右側(cè)上旋或下旋球，更可以仿真發(fā)出落點(diǎn)在發(fā)球區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)球的全新功能，提供了網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中重要的接發(fā)球技術(shù)高難度訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)理念上采用了電動(dòng)控制與液壓技術(shù)相結(jié)合，這樣不僅解決了上下旋轉(zhuǎn)不好控制等問題，而且增加了發(fā)射的準(zhǔn)確性。 1.3本文的主要內(nèi)容與課題的意義 1.3.1課題研究的內(nèi)容 本課題的研究?jī)?nèi)容是對(duì)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并對(duì)其可行性進(jìn)行一個(gè)初步的論述;對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)分析設(shè)計(jì)，完成其設(shè)計(jì)方案;即先對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)論述，后對(duì)其電路控制進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，最終得出結(jié)論，說明設(shè)計(jì)出這臺(tái)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是完全可行的。 具體內(nèi)容分為以下兩個(gè)大部分: 1.網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的機(jī)器總體設(shè)計(jì) 2.網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.3.2課題研究的現(xiàn)實(shí)意義 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)及其控制系統(tǒng)是集電子、機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)產(chǎn)物。用智能控制取代以往的純強(qiáng)電路控制，可以增加許多性能，更好地適應(yīng)各種訓(xùn)練的需要。在控制方面采用單片機(jī)控制不僅可以提高發(fā)球的性能，而且能夠降低成本，大大地提高訓(xùn)練效率。無論從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)或生態(tài)觀點(diǎn)考慮，本網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的開發(fā)、研究與應(yīng)用都能極大地推動(dòng)體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)的發(fā)展。 1.4小結(jié) 綜上所述，盡管網(wǎng)球發(fā)球機(jī)在我國(guó)起步較晚，但對(duì)其的研究有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。體育事業(yè)在我國(guó)正在蓬勃發(fā)展，尤其是隨著我國(guó)運(yùn)動(dòng)員在奧運(yùn)會(huì)中連續(xù)取得佳績(jī)，極大地調(diào)動(dòng)了全國(guó)人民投入體育運(yùn)動(dòng)的熱情。網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的迅速普及，更急需研究開發(fā)一種能夠適應(yīng)各種訓(xùn)練場(chǎng)所的器材。正是在這種情況下，研究網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是極其必要的。 第二章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)工作原理及工作過程 2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)及其控制系統(tǒng)是集電子、機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)產(chǎn)物，它具有自動(dòng)化程度高、靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等多種特性。它的基本工作原理是利用對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理，如圖2.1所示:網(wǎng)球由于受到兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)磨擦輪系的作用可以獲得一定的初速度，而兩輪在兩個(gè)支流電機(jī)的控制下工作。圖2.1對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理圖根據(jù)上圖的原理我們可以看到，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)可以帶動(dòng)兩個(gè)夾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)磨擦網(wǎng)球使網(wǎng)球獲得一定的動(dòng)能，網(wǎng)球才得以發(fā)射出去。這種原理方案既簡(jiǎn)單又實(shí)用，它既能保證網(wǎng)球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制網(wǎng)球發(fā)射的角度及速度，使用戶隨心所欲地練習(xí)打網(wǎng)球。 設(shè)輪子的角速度為，半徑為R，那么就可以計(jì)算出輪子線速度:V=×R 則在瞬時(shí)間網(wǎng)球所獲得的速度為V，這就是網(wǎng)球的初速度。因此通過測(cè)量輪子的角速度就可以求得網(wǎng)球的初速度。 2.1.1網(wǎng)球運(yùn)行的基本假設(shè) 影響網(wǎng)球在空氣中運(yùn)行的因素極為復(fù)雜。如果同時(shí)全部加以考慮，不僅使問題復(fù)雜化，而且也使求解困難。在自然科學(xué)研究中，對(duì)于這樣一類問題，總是在詳細(xì)分析主要因素和次要因素的基礎(chǔ)上，引進(jìn)一些必要的簡(jiǎn)化假設(shè)，將那些次要因素暫時(shí)忽略，抓住主要因素求解，得出問題的主要規(guī)律。然后再對(duì)那些次要因素分別加以考慮修正。這樣既可以掌握問題的本質(zhì)，使問題簡(jiǎn)化;又可以求得與實(shí)際情況相符合的結(jié)果。這些假設(shè)綜合如下: 在網(wǎng)球整個(gè)運(yùn)行期間，假設(shè)章動(dòng)角=0 網(wǎng)球是軸對(duì)稱體。 根據(jù)此二假設(shè)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)，可以看作是網(wǎng)球的全部質(zhì)量集中在質(zhì)心的、一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。 地表面為平面; 重力加速度的大小不變和方向始終鉛直向下。 科氏加速度為零。也就是對(duì)地球旋轉(zhuǎn)的影響只考慮了包含在重力內(nèi)的慣性離心力的部分。 氣象條件是標(biāo)準(zhǔn)的，無風(fēng)雨。 2.1.2描述網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的主要參量及計(jì)算公式 要研究網(wǎng)球在空氣中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，首先要明確網(wǎng)球在空氣中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)主要用哪些變量來描述。 由于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的基本問題是個(gè)平面運(yùn)動(dòng)問題，所以要知道網(wǎng)球質(zhì)心在空氣中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須知道網(wǎng)球離開網(wǎng)球發(fā)球機(jī)后任意時(shí)間t時(shí)的坐標(biāo)(x, y);若能同時(shí)知道t時(shí)的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度的大小v和方向網(wǎng)球傾角，就可以確定網(wǎng)球?qū)⒁允裁此俣蕊w向何方。因此如果能夠知道變量t, x, y, v和等五個(gè)變量之間的函數(shù)關(guān)系，就可以完全解決網(wǎng)球質(zhì)心在空氣中運(yùn)動(dòng)的問題。 但是速度矢量的大小和方向，也可以用水平分速u和鉛直分速。或者用水平分速u和網(wǎng)球傾角的正切的等來表示(如圖2.2所示)。因?yàn)? 以上所討論的任意一個(gè)變量，在理論上，均可以作為自變量來組成網(wǎng)球的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組。但在實(shí)際上，根據(jù)需要，常采用作為自變量的有t, x, y等。圖2.2描述網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的主要參數(shù)以時(shí)間t為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組:在基本假設(shè)下作用于網(wǎng)球的力僅有重力和空氣阻力。據(jù)此可以寫出網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的矢量方程: （2-1） 建立以時(shí)間t為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組。 在直角坐標(biāo)系下的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組: 是指將矢量方程(2-1)在直角坐標(biāo)系二坐標(biāo)軸上的投影而得的方程組. 首先將矢量方程(2-1)在x軸上投影(如圖2.3所示)，得 圖2.3 直角坐標(biāo)系由于,故得: 其次將方程(2-1)在y軸上投影，得: 將 代入，得到 由于坐標(biāo)x, y對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分別為 故最后得到以t為自變量的直角坐標(biāo)系的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組如下: （22）積分起始條件為t=0時(shí): 式中第(5)式是個(gè)聯(lián)系變量和u、和y的代數(shù)方程，即所謂聯(lián)系方程。 式中帶*號(hào)的三個(gè)方程是必須同時(shí)求解的所謂聯(lián)解方程。因?yàn)榻夥e分第(1)方程 時(shí)，必須知道其右端的y和是t的什么函數(shù)后，才能積分出來。而要知道y和是t的什么函數(shù)，又必須積分第(2)和第(3)個(gè)方程。同理，積分第(2)或第(3)個(gè)方程時(shí)，也必須同時(shí)積分出第(1)、第(3)個(gè)或第(1)、第(2)個(gè)方程。 此方程組是解一般網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的常用方程組。 自然坐標(biāo)系的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組: 所謂自然坐標(biāo)系的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組是指矢量方程(2-1)在所謂自然坐標(biāo)軸(即切向和法向)上的投影而得到的方程組(如圖2.4所示)由于阻力加速度矢量和重加口速度矢量在切向上的投影分別為由于阻加日速度矢量ax和重加口速度矢量g在切向上的投影分別為 故得切向加速度dv /dt的方程為: 又由于和在法向上的投影分別為圖2.4自然坐標(biāo)系故得法向加速度的方程為: 或者 將上二方程與確定坐標(biāo)的兩個(gè)方程合并，即得到自然坐標(biāo)系的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組為: （23）積分的起始條件為t=0時(shí): 帶*號(hào)的三個(gè)方程為聯(lián)解方程。代數(shù)方程(5)為聯(lián)系方程。 以x為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組: 為獲得較方程組(2-2)和(2-3)更為簡(jiǎn)單的方程組，以取橫坐標(biāo)x為自變量較好。 首先根據(jù)復(fù)合微分，得到 其次根據(jù) 可以得到 將上二方程(*)、(*)與 和 及聯(lián)系方程 合并，得到形式最為簡(jiǎn)單的、以X為自變量的方程組如下: （24）積分的起始條件為X=0時(shí): 這個(gè)方程組在時(shí)計(jì)算方便而準(zhǔn)確。但當(dāng)后，由于變化過速(如)和u值過小(其導(dǎo)數(shù)1/u，尤其是將變化過速)，計(jì)算難以準(zhǔn)確。故本方程組不宜于在時(shí)采用。以y為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組:為了求網(wǎng)球的空中運(yùn)行軌跡，宜于取縱坐標(biāo)y為自變量。由復(fù)合微分 和 以及聯(lián)系方程 得到以y為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組: （25）積分的起始條件為 時(shí)， 以網(wǎng)球弧長(zhǎng)S為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組: 只要將自然坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程組(2-3)的自變量t換為弧長(zhǎng)s,即可得到以弧長(zhǎng)s為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組(注意ds = vdt ) （26）積分的起始條件為時(shí): 2.1.3確定網(wǎng)球運(yùn)行軌跡的參數(shù)方程組根據(jù)(2-3)公式及其起始條件(t=0時(shí): ，x=y=0)可以知道:任意時(shí)間t時(shí)的網(wǎng)球運(yùn)行諸元v、, x, y一定都是始條件()與包含在方程組(2-3 )內(nèi)的第一式中的網(wǎng)球運(yùn)行軌跡系數(shù)c和自變量t的函數(shù)，即 （27） 當(dāng) , 給定時(shí)，任意點(diǎn)網(wǎng)球運(yùn)行軌跡的諸元僅由時(shí)間t確定。就是說，任意一個(gè)時(shí)間t，與此相應(yīng)的網(wǎng)球運(yùn)行軌跡諸元就可以確定。因而網(wǎng)球的運(yùn)行軌跡就可以完全確定。根據(jù)上述網(wǎng)球運(yùn)行軌跡的這一特性，可以用數(shù)值解法解出這四個(gè)參變量和x, y, v和的關(guān)系，這里就不再說明。 2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作過程 它的工作過程是網(wǎng)球首先貯藏在儲(chǔ)球箱里，當(dāng)電源接通后供球漏斗的電機(jī)工作帶動(dòng)供球漏斗旋轉(zhuǎn)，網(wǎng)球經(jīng)漏斗進(jìn)入發(fā)球的兩輪之間。此時(shí)由于電源接通，兩輪已高速旋轉(zhuǎn)，將球發(fā)出。供球漏斗有四個(gè)漏口，由一個(gè)小功率電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由開關(guān)可調(diào)電源控制，這樣就可以控制單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出球的個(gè)數(shù)。同時(shí)兩輪由大功率的直流電機(jī)帶動(dòng)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制網(wǎng)球的初速度。兩輪通過固定直板固定在一起，直板又通過一根軸和箱體連接，這樣直板結(jié)構(gòu)就可以隨意旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。而練習(xí)者需要發(fā)出邊線球時(shí)可以按下控制上箱體電源電鈕，這樣上箱體就會(huì)左、右擺動(dòng)到達(dá)所需的位置，這樣就可以發(fā)出不同角度的球。 2.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)技術(shù)參數(shù)所研究的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)達(dá)到的主要技術(shù)性能 外形尺寸 463×320×795 mm 機(jī)器重量 25kg 發(fā)球速度 60 180km/h 供球個(gè)數(shù) 110個(gè)/s 使用電壓 220v 直流電機(jī)的功率 35w 儲(chǔ)球數(shù) 8090個(gè) 可發(fā)出上旋、下旋、平擊球及不同角度球。 2.4小結(jié)本網(wǎng)球發(fā)球機(jī)與市場(chǎng)上現(xiàn)有的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)在工作原理與工作過程有許多的相似之處，其不同之處在于本網(wǎng)球發(fā)球機(jī)主要是把機(jī)器和人腦的智能結(jié)合起來控制網(wǎng)球的速度和旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的控制，有效地做到了按人的各種運(yùn)動(dòng)需求來制定相應(yīng)的方案，發(fā)出滿足各種需求的球，并力求物美價(jià)廉。第三章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 現(xiàn)在市場(chǎng)上的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)形式多種多樣，結(jié)構(gòu)也各不相同。根據(jù)發(fā)球的動(dòng)力等自身的特點(diǎn)，本機(jī)保留了一些傳統(tǒng)國(guó)內(nèi)、外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又有了不同程度的創(chuàng)新7。從工作原理和工作過程可以看出，該研究的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)主要組成部分有供球系統(tǒng)、發(fā)球系統(tǒng)、擺動(dòng)及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三部分。根據(jù)這些部分的功能，本文采取以下設(shè)計(jì)方案。 3.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文從網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的實(shí)用性出發(fā)，為了適應(yīng)場(chǎng)地風(fēng)吹雨淋的環(huán)境需要，采用不銹鋼材料，同時(shí)它的造價(jià)相對(duì)較低。 由于本機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的功能，因此需要設(shè)計(jì)成上箱體和下箱體，這樣可以保證發(fā)球機(jī)出球的左、右角度。 3.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的儲(chǔ)球箱的設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的作用是儲(chǔ)存網(wǎng)球并將網(wǎng)球隨時(shí)按要求供給發(fā)球系統(tǒng)。它是網(wǎng)球儲(chǔ)存的地方，另外它還應(yīng)能夠?qū)⒕W(wǎng)球順利輸送給供球漏斗，不能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象的作用?；谶@種功能需要，在設(shè)計(jì)儲(chǔ)球箱低蓋時(shí)就不能設(shè)計(jì)成平面結(jié)構(gòu)8。我們采用把它設(shè)計(jì)成與水平成5°角的圓錐形，這樣就解決了卡死的問題。該系統(tǒng)主要由儲(chǔ)球箱、供球漏斗(具有旋轉(zhuǎn)功能)、導(dǎo)向槽等組成。 3.2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)供球漏斗的設(shè)計(jì) 它是把網(wǎng)球輸送給發(fā)球系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置。為了需要我們把它設(shè)計(jì)成四個(gè)開口，這個(gè)漏斗由小功率直流電機(jī)帶動(dòng)可以旋轉(zhuǎn)。同時(shí)出球口處安裝一個(gè)導(dǎo)向槽，使球能到達(dá)指定地點(diǎn),如圖3.1所示。 圖3.1 供求漏斗示意圖 3.2.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的擺動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 這部分所起的作用就是將上箱體帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使網(wǎng)球獲得一定偏角，從而發(fā)出邊線球等。根據(jù)其所起的作用以及上箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們將它設(shè)計(jì)成如圖3.2所示結(jié)構(gòu)。 圖3.2 擺動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 3.3小結(jié)本章對(duì)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)原理及整體結(jié)構(gòu)作了一個(gè)總體的說明，對(duì)其相應(yīng)部分所具有的功能也作了一個(gè)詳細(xì)的介紹，并對(duì)該機(jī)器的實(shí)際問題提出了具體設(shè)計(jì)方案。這將對(duì)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的制造和這方面工作的開展大有好處。第四章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1總體設(shè)計(jì) 本網(wǎng)球發(fā)球控制器以美國(guó)ATMEL公司的8位單片機(jī)89C51為核心微處理器1，外圍擴(kuò)展看門狗復(fù)位電路、鍵盤和液晶顯示電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路、PWM調(diào)制輸出電路。單片機(jī)通過對(duì)傳感器出來的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出與給定轉(zhuǎn)速的誤差值，啟動(dòng)軟件PID算法調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng)PWM調(diào)制電路送給直流電機(jī)，通過對(duì)直流電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。通過鍵盤可以設(shè)定發(fā)球速度和方向，液晶顯示器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)球機(jī)當(dāng)前狀態(tài)。系統(tǒng)總體框圖如圖4.l所示。89C51核心處理芯片鍵盤和液晶顯示時(shí)鐘鐘看門狗復(fù)位電路轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速PWM調(diào)制輸出電路直流電機(jī)圖4.1智能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 4.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)4. 2. 1 89C51的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選擇Atmel公司生產(chǎn)的AT89C515，該單片機(jī)是面向8位CPU，與INTER80C31完全兼容，主要內(nèi)部資源有:4K的Flash程序存儲(chǔ)器:128字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:一個(gè)全雙工的異步串行口;五個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器、時(shí)鐘電路，時(shí)鐘頻率1. 2MHZ12MHZ。本系統(tǒng)考慮傳感器接口、伺服電機(jī)控制接口及顯示和鍵盤等接口，需要擴(kuò)展工I/O口。 89C51的內(nèi)部資源有:256字節(jié)的RAM, 4K的ROM。因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)器資源不夠用，我們用一片6116L來擴(kuò)展。單一+5V電源，額定功率160mW，典型存取時(shí)間為200, 24先雙列直插式封裝，它有11位地址線，89C51的P0口輸出低8位地址，鎖存在74LS373中，還有三位地址直接和P 2.0P2.2相連。 幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路12，對(duì)復(fù)位電路的基本要求是:在單片機(jī)上電勢(shì)能可靠復(fù)位.另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，要充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器(有些單片機(jī)無看門狗定時(shí)器)。除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間，單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因?yàn)榈綦姷陌l(fā)生總是很隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。 4.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 傳感器13是一種感受被測(cè)量并按一定規(guī)律將其非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出的器件。在微機(jī)控制系統(tǒng)中使用的傳感器一般都是將被測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化成電量或電參數(shù)(電流、電壓、電阻、電感、電容等)。因?yàn)槭菍?duì)轉(zhuǎn)速的采集，在此我們采用了反射光禍作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器。并且利用轉(zhuǎn)速采樣電路對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行采樣檢測(cè)。轉(zhuǎn)速采樣電路前向通道主要是信號(hào)的輸入。輸入的信號(hào)有兩種:一種是隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量(模擬量)，另一種是兩態(tài)開關(guān)的數(shù)字信息。在前向通道主要是電動(dòng)機(jī)速度的采集。轉(zhuǎn)速采樣電路如圖4.2所示。轉(zhuǎn)速采樣電路決定了系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的控制精度。為了保證精度，我們采用反射式光藕14作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器。通過軟件實(shí)現(xiàn)M/T法測(cè)量轉(zhuǎn)速，達(dá)到了較高的精度。M/T法是指同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來確定速度。圖4.2為光藕安裝示意和信號(hào)處理電路，使用中將光藕安裝在長(zhǎng)方形電路板上，固定在電機(jī)軸的一端，將發(fā)射接收端對(duì)正并接近電機(jī)軸的端面，電機(jī)軸的該端面用黑白顏色各涂一半，以便于光藕采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，在黑白截面切換時(shí)光藕產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，該脈沖通過編碼器CX20106處理后輸出規(guī)則的反映轉(zhuǎn)速的方波信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)速具體測(cè)量由單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)16位定時(shí)器來完成，用T0記錄0.1秒時(shí)間內(nèi)采樣脈沖N，保證了測(cè)量時(shí)間的起始時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)的脈沖的上升沿同步。T1記錄0.1秒結(jié)束時(shí)刻到被測(cè)信號(hào)下一個(gè)脈沖上升沿之間的時(shí)間T，單片機(jī)的晶振頻率為12MHZ，則T1記數(shù)脈沖周期為lus，被測(cè)信號(hào)N個(gè)完整周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間為T= (0.1+T)秒，則脈沖頻率為:F=N/T (HZ )，由于一個(gè)圓周內(nèi)只分布一個(gè)白色標(biāo)記，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速N=60F=60N。 U1OPTOISO2R147TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU?555R212KR312KC33300pFC40.1uF12345678J?CON8R556C6?uFC522uF/50VC71.0uFR?1KC?0.01uFC?0.01uFC20.01uFC1470uF/10VR4470R?1KVCC圖4.2轉(zhuǎn)速采樣電路圖 4.2.3電機(jī)PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1.電機(jī)的選擇執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在網(wǎng)球發(fā)球機(jī)這個(gè)系統(tǒng)中我們選電機(jī)為執(zhí)行元件。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲覀円刂瓢l(fā)球的角度，所以選擇步進(jìn)電機(jī)。又要控制發(fā)球的速度，所以我們選擇直流電機(jī)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制特性優(yōu)良并且價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，所以我們?cè)谶@里選用直流電機(jī)10。2. PWM對(duì)直流電機(jī)的控制原理 直流伺服電機(jī)的控制方式主要有兩種4:一種是電樞電壓控制，即在定子磁場(chǎng)不便的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩;另一種是勵(lì)磁磁場(chǎng)控制，即通過變勵(lì)磁電流的大小來改變定子磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。 本系統(tǒng)中采用永磁式直流伺服電機(jī)，因而只能采用具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特點(diǎn)的電樞電壓控制方式，這于伺服系統(tǒng)的負(fù)載也是吻合的。通過電樞電壓來控制輸出速度?？刂菩盘?hào)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給定，通過接口和功放電路驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)。當(dāng)然對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制離不開半導(dǎo)體功率器件。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)屬于中、小功率范疇，所以我們選擇場(chǎng)效應(yīng)管就可以達(dá)到最好的效果。 絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。 圖4.3是利用開關(guān)管對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理和輸入輸出電壓波形。當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，支流電動(dòng)機(jī)電樞繞組，兩端有電壓Us。T1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。T2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管動(dòng)作重復(fù)前面的過程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖b所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端電壓平均值U0為: U0=T1Us+0/TI+T2=T1 *Us/T=aUs，式中a是占空比。如圖4.3所示，占空比表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間和周期的比值。占空比的變化范圍是0<a<1。由式可知當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變占空比就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。(a)原理圖 (b)電壓波形圖圖4.3 PWM調(diào)速控制原理及電壓波形圖3. PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生方法 在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要的參數(shù)。定頻調(diào)寬法是使周期(或頻率)保持不變，而同時(shí)改變T1或T2。前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起震蕩，因此這兩種方法用的很少。所以，本文對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制主要使用定額調(diào)寬法。4. LM629芯片的功能和原理2 單片機(jī)通過初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比時(shí)CPU才進(jìn)行干預(yù)。在本文的設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲覀兯玫膯纹瑱C(jī)是AT89C51，不含有PWM口，經(jīng)過綜合比較決定用PWM集成電路。我選擇了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM629芯片。 LM629芯片是全數(shù)字式控制的專用運(yùn)動(dòng)控制處理器。它是NMOS結(jié)構(gòu)，采用28引腳雙列直插式封裝，使用6MHZ或8MHZ時(shí)鐘頻率和5V電源工作。 它有如下功能: 內(nèi)容有32位的位置、速度和加速度寄存器; 16位可編程數(shù)字PID控制器; 可編程微分項(xiàng)采樣時(shí)間間隔; 速度、位置和數(shù)字PID控制器可以在控制過程中改變; 適時(shí)可編程斷; 可對(duì)增量式光電編碼器的輸出進(jìn)行4倍頻處理和信號(hào)處理; 8位分辨率PWM輸出; 內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器; 可以進(jìn)行位置和速度控制。LM629的原理圖如圖4.4所示，它通過I/O、與通訊輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制參數(shù)，輸出狀態(tài)和信息。LM629內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字PID控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。圖4.4 LM629組成原理圖5.電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)3 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了三個(gè)直流電動(dòng)機(jī)和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)由于不需要控制轉(zhuǎn)向，所以用單片機(jī)控制的有制動(dòng)的不可逆PWM系統(tǒng)來完成。單片機(jī)通過擴(kuò)展了兩片8155，用一片來驅(qū)動(dòng)三個(gè)直流電機(jī)。用8155的三個(gè)I/O口來接三格LM629，LM629的I/O口D0-D7與8155的PA口相連，用來從單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)和控制指令，單片機(jī)的P1.0引腳與其片選端相連作為選中它的地址線。引腳P1.1與它的PS相連作為另一條地址線。當(dāng)P1.1=0時(shí)，單片機(jī)可以向其寫指令;當(dāng)P1.1=1時(shí)單片機(jī)可以向它寫數(shù)據(jù)。LM629的中斷引腳經(jīng)一個(gè)與非門與單片機(jī)1NT1相連，LM629的6個(gè)中斷源都通過該引腳申請(qǐng)單片機(jī)中斷，一旦有中斷申請(qǐng)發(fā)生，單片機(jī)必須通過讀LM629的狀態(tài)來判斷是哪個(gè)中斷發(fā)生。根據(jù)PWM控制信號(hào)的占空比來決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。單片機(jī)的主要工作就是向LM629傳送運(yùn)動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)和PID數(shù)據(jù)，并且通過LM629對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。LM629則根據(jù)單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)生成速度圖，進(jìn)行位置跟蹤，PID控制和生成PWM信號(hào)輸入。本文設(shè)計(jì)了有制動(dòng)的不可逆PWM系統(tǒng)。系統(tǒng)增加了一個(gè)開關(guān)管V2，只在制動(dòng)時(shí)起作用。開關(guān)管V1和V2PWM信號(hào)電平方向相反。在每個(gè)PWM周期的0-T1區(qū)間，V1導(dǎo)通V2截止，電流的路線和方向如下的虛線1，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)PWM周期的T1-T2區(qū)間，Vl截止，電源被切斷，電樞繞組的自感電動(dòng)勢(shì)使電流經(jīng)過續(xù)流二極管D2形成回路，如圖4.5的虛線2。注意，此時(shí)雖然開關(guān)管V2的控制信號(hào)為高電平，由于續(xù)流二極管D2的作用使開關(guān)管V2截止，其電流波形如圖4.5所示。 在制動(dòng)時(shí)，由于控制信號(hào)的PWM占空比不斷減小，使電樞電壓平均值U0小于電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，電樞中的電流反向流動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在每個(gè)PWM周期的0-T1區(qū)間，電樞繞組的自感電動(dòng)勢(shì)與反電動(dòng)勢(shì)之和大于電源電壓，電流經(jīng)過續(xù)流二極管D1將能量反饋給電源，電流的路線和方向如圖4.5中虛線4，電動(dòng)機(jī)工作在再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)PWM周期的T1-T2區(qū)間，在V2的控制信號(hào)作用下，導(dǎo)通電流經(jīng)過V2形成回路電流的方向?yàn)閳D4.5中虛線3，電動(dòng)機(jī)處于耗能制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)的電流波形如圖4.5b。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載或空載時(shí)，電樞繞組中電流很小。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)和制動(dòng)兩種狀態(tài)交替現(xiàn)象，其過程為:0-T1區(qū)間，電流按虛線4回路反向流動(dòng)，電動(dòng)機(jī)工作在再發(fā)電制動(dòng)狀態(tài);電流經(jīng)過零點(diǎn)后，電源電壓開始大于反向電動(dòng)勢(shì)，電流按虛線1正向流動(dòng)，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)PWM周期的T I -T2區(qū)間，由于Vl截止電流先按虛線2流動(dòng)，電動(dòng)機(jī)工作在續(xù)流電動(dòng)狀態(tài);當(dāng)電流降到零或反電動(dòng)勢(shì)使V2導(dǎo)通電流改變方向，沿虛線3流動(dòng)，電動(dòng)機(jī)工作處以耗能制動(dòng)狀態(tài)。輕載或空載時(shí)電樞的電流波形如圖4.5中c所示。圖4.5有制動(dòng)的不可逆PWM電流波形圖圖4.6為我們驅(qū)動(dòng)三個(gè)直流電機(jī)的電路原理圖，用單片機(jī)先選LM629控制有制動(dòng)的不可逆PWM系統(tǒng)，采用反向器7406實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管V2的控制。在下圖中我們省略了輸入端LM629芯片圖11，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路放大了來表示。圖4.6電機(jī)控制原理圖 4.2.4鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì)1.鍵盤的選擇鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件實(shí)現(xiàn)的稱為編碼鍵盤6。在此我們選擇3×6的行列式鍵盤。用I/O口組成行列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的點(diǎn)上，可以節(jié)省I/O口線。在本系統(tǒng)中需要用18個(gè)鍵來實(shí)現(xiàn)它的功能，因此我們采用直接由并行口的方法來擴(kuò)展3×6的鍵盤。 判斷鍵盤上有無鍵閉合:其方法是讀8155的接口，不全為“0”，則有鍵閉合，若全為“0”，則無鍵閉合狀態(tài)。 去鍵的機(jī)械抖動(dòng):其方法是判別到鍵盤上有鍵閉合后，延遲一段時(shí)間再判別鍵盤的狀態(tài)，若仍有鍵閉合，則認(rèn)為鍵盤上有一個(gè)鍵處于穩(wěn)定的閉合期;否則，認(rèn)為鍵是抖動(dòng)的。 2.顯示器的選擇 根據(jù)工作的需要，對(duì)電機(jī)速度和方向進(jìn)行顯示，發(fā)球機(jī)的工作狀態(tài)和工作方式也要進(jìn)行顯示和設(shè)定。所以系統(tǒng)需要顯示器。 顯示器我們選用HD61202U(控制192×64點(diǎn)陣以內(nèi))的字符型顯示器9。一個(gè)漢字的點(diǎn)陣是16×16，它可以顯示三行，每行顯示12個(gè)漢字。顯示器采用內(nèi)置控制器型字符液晶顯示模塊。其工作原理如表4.1所示。表4.1 顯示器的接口表格DB4-DB7三態(tài)8位數(shù)據(jù)總線的高4位DB0-DB3三態(tài)8位數(shù)據(jù)總線的低4位RS輸入寄存器選擇信號(hào)R/W輸入讀/寫選擇信號(hào)E輸入使能信號(hào)HD61202U的接口時(shí)序?yàn)镸6800時(shí)序。其特點(diǎn)是讀/寫操作時(shí)序是由使能信號(hào)E完成。E信號(hào)是正脈沖信號(hào)，不操作時(shí)為低電平，操作時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，在讀操作時(shí)，E信號(hào)在高電平時(shí)，控制器將所需要數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)總線上，供計(jì)算機(jī)讀取，在寫操作時(shí)，E信號(hào)的下降沿途將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入控制器接口部的寄存器內(nèi)。 HD4470U對(duì)讀/寫操作的識(shí)別是判斷R/W信號(hào)端的電平狀態(tài)，R/W=1為讀操作選擇，R/W=0為寫操作選擇，R/W信號(hào)的寬度要大于E信號(hào)的寬度才能保證計(jì)算機(jī)的操作正確。RS信號(hào)是HD4470U識(shí)別數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)屬于指令代碼還是屬于顯示器，RS=0選通指令寄存器通道，數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)闹噶畲a或標(biāo)志位，RS=1選通數(shù)據(jù)寄存器通道。數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)氖秋@示數(shù)據(jù)或自定義字符的字模數(shù)據(jù)。指令詳細(xì)解釋: *清屏格式:00000001 該指令的功能: 將空碼寫入DDRAM的全部80個(gè)單元內(nèi)。 將地址指針計(jì)數(shù)器AC清零，光標(biāo)或閃爍歸HOME位設(shè)置輸入方式參數(shù)I/D=1，即地址指針AC位自動(dòng)加1輸入方式。 *歸HOME位格式000000 0 1 該指令功能: 將地址指針器計(jì)數(shù)器AC清零。執(zhí)行該指令的效果有:將光標(biāo)或閃爍位返回到顯示屏的左第一字符以上，即DDRAM地址00H單元位置;這是因?yàn)楣鈽?biāo)或閃爍都是以地址指針計(jì)數(shù)器AC當(dāng)前值定位的。 *輸入方式設(shè)置格式 0 0 0 0 0 1 I/D S 該指令功能: 設(shè)置了顯示字符的輸入方式，即在計(jì)算機(jī)讀/寫DDRAM或CGRAM后，地址指針計(jì)數(shù)器AC的修改方式。反映在顯示效果上，當(dāng)寫入一個(gè)字符后，畫面或光標(biāo)移動(dòng)。該指令的兩個(gè)參數(shù)I/D和S確定了字符的輸入方式。 I/D=0 AC為減1計(jì)數(shù)器，光標(biāo)左移一個(gè)字符 I/D=1 AC為加1計(jì)數(shù)器，光標(biāo)右移一個(gè)字符 S=0禁止?jié)L動(dòng) S=1允許滾動(dòng) *顯示狀態(tài)設(shè)置格式 0 0 0 1 1 D 00該指令功能:該指令控制著畫面，光標(biāo)及閃爍的開與關(guān)。D畫面顯示狀態(tài)位。當(dāng)D=1時(shí)為開顯示，D=0時(shí)為關(guān)顯示。C光標(biāo)顯示狀態(tài)位。當(dāng)C=1時(shí)為光標(biāo)顯示，C=0時(shí)為光標(biāo)消B閃爍顯示狀態(tài)位。當(dāng)B=1時(shí)為閃爍啟用，B=0時(shí)為閃爍禁*工作方式設(shè)置格式 0 0 1 D N F 00 該指令功能: 該指令設(shè)置了控制器的工作方式。 DL設(shè)置控制器與計(jì)算機(jī)接口形式。DL=1設(shè)置數(shù)據(jù)總線為8位長(zhǎng)度。DL=0設(shè)置數(shù)據(jù)總線為4位。 N設(shè)置顯示的字符行數(shù)。N=0為一行，N=1為兩行。 F設(shè)置顯示字符的字體。F=0為5*7點(diǎn)陣字符體，F(xiàn)=1為510點(diǎn)陣字符體。在此我們選擇了液晶顯示器，其接口的電路設(shè)計(jì)如圖4.7所示，與單片機(jī)的工作速度相比，液晶顯示器的工作速度是屬于中等偏慢的。因此，當(dāng)高速單片機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)液晶顯示器接口時(shí)，就要考慮液晶顯示控制器的適應(yīng)能力了。一般在讀、寫脈沖寬度小于45NS的單片機(jī)系統(tǒng)中，我們建議用間接方式的液晶顯示接口，即單片機(jī)芯片系統(tǒng)，也就是液晶顯示器接口連接中使用兩個(gè)8位的并口作為緩沖器。其中一個(gè)用作數(shù)據(jù)信息的緩沖器，另一個(gè)用作控制信號(hào)的產(chǎn)生。在本系統(tǒng)中我們采用這種方法。圖4.7液晶顯示器接口電路圖 4.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 4.3.1軟件設(shè)計(jì)分析 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)17，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最基本和最重要的部分。在網(wǎng)球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的主要軟件功能:系統(tǒng)控制的主程序設(shè)計(jì)、顯示器的子程序設(shè)計(jì)、鍵的輸入子程序設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速采樣電路的子程序設(shè)計(jì)以及各功能模塊的輸入輸出設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主程序中我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位、顯示器的初始化、鍵的輸入、8155的初始化、對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)以及發(fā)球的技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。顯示器作為單片機(jī)的串行口方式0的輸出應(yīng)用，對(duì)顯示器的編碼主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣電路的顯示以及系統(tǒng)人機(jī)接口中最主要的輸出接口。鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)主要是在控制系統(tǒng)的人機(jī)接口中，當(dāng)需要操作者輸入指令或參數(shù)時(shí)，最主要的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 在本文中進(jìn)行轉(zhuǎn)速采樣電路的軟件主要是為了對(duì)控制發(fā)球機(jī)的兩個(gè)輪的電機(jī)進(jìn)行速度采樣，以保證對(duì)球速的采樣控制。 4.3.2 PID控制算法設(shè)計(jì)1. PID調(diào)節(jié)原理 PID調(diào)節(jié)18是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差量，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果是其輸入的比例、積分、微分的函數(shù)，用于輸出控制。由于PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型便可以調(diào)節(jié)，因此模擬調(diào)節(jié)器和數(shù)字調(diào)節(jié)器大都采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律19。 檢測(cè)到的功率因數(shù)經(jīng)與設(shè)定值進(jìn)行比較后得到偏差量;然后由PID算式算出可控硅的控制角，再換算成相應(yīng)的控制電壓，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器后送到智能電機(jī)控制模塊。根據(jù)控制電壓010V的大小，智能電機(jī)控制模塊可以相應(yīng)地使可控硅導(dǎo)通角在0之間調(diào)整，通過調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，達(dá)到根據(jù)負(fù)載調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為: （41） 其中，P(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，Kp, 、分別為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間。2.兩種運(yùn)算方式的選擇 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量，常用的PID算法中分為位置型和增量型兩種，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，宜根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況加以選擇。鑒于電機(jī)運(yùn)行控制電路以晶閘管作為執(zhí)行部件，因此應(yīng)采取位置型PID算法。 在用8051匯編語言進(jìn)行PID程序設(shè)計(jì)時(shí)，有定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算兩種計(jì)算方法20，定點(diǎn)運(yùn)算速度較快，但精度低一些;浮點(diǎn)運(yùn)算精度高，但運(yùn)算速度較慢。在本系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化速度與單片機(jī)計(jì)算及工作速度相差甚遠(yuǎn)，所以采用浮點(diǎn)運(yùn)算就可以滿足要求。 4.4小結(jié)本章從方案論證談起，詳盡地介紹了與網(wǎng)球發(fā)球機(jī)有關(guān)的內(nèi)容:如方案的論證、MCU的選擇、外圍設(shè)備的選擇、電機(jī)的選擇、PWM驅(qū)動(dòng)電路的選擇到控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)等，闡述了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程，同時(shí)對(duì)軟件系統(tǒng)也進(jìn)行了詳盡的說明。這就給網(wǎng)球發(fā)球機(jī)方案實(shí)施提供了有力的依據(jù)。結(jié) 論 本文對(duì)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)及其控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)做了一個(gè)詳細(xì)的理論分析和實(shí)際制作。主要分為兩大部分:網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的控制原理及過程。論文主要完成了以下主要工作: 1.選定了對(duì)轉(zhuǎn)雙輪摩擦旋轉(zhuǎn)原理作為網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)核心部分，并論述了對(duì)其它輔助結(jié)構(gòu)的要求，可以達(dá)到所設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。 2.論述了網(wǎng)球發(fā)球工作原理及工作過程，并闡述了這種工作過程的可靠性。說明了可實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)以及達(dá)到這些技術(shù)參數(shù)指標(biāo)所需要的保障。 3.說明了整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)思想，包含具體結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸、擺動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尺寸。 4.闡述了網(wǎng)球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證過程及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。具體包括MCU的選擇、外圍設(shè)備的選擇、電機(jī)的選擇、PWM驅(qū)動(dòng)器的選擇等等，詳細(xì)說明了控制系統(tǒng)的可靠性。 通過以上的工作，證明網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)思想及制造是完全可行的。當(dāng)然要提高網(wǎng)球發(fā)球機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，還有待于以后更深一步的探討與研究。參 考 文 獻(xiàn)1 韋巍.智能控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003。2 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M. 北京：北京航天航空大學(xué)，2002。3 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991。4 楊叔子,楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1984。5 劉大茂.智能儀器:單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998。6 陳寶江.MCS單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)用指南M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997。7 李學(xué)榮.新機(jī)器機(jī)構(gòu)的創(chuàng)造發(fā)明-機(jī)構(gòu)綜合M.重慶:重慶出版社，1988。8 Neville D Joskowicz L. 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Supporting conceptual design based on FBS modelerJ.AI., 1996,(10):275-288.致 謝 本文從選題、擬定提綱、著手寫作、修改定稿，歷時(shí)一學(xué)期，整個(gè)過程都得到了我的導(dǎo)師悉心指導(dǎo)和幫助，處處都凝結(jié)著導(dǎo)師的心血和汗水。在這一學(xué)期的學(xué)習(xí)研究中，盡管工作繁忙，但總會(huì)抽出時(shí)間，在學(xué)習(xí)上對(duì)我耐心指導(dǎo)，從嚴(yán)要求;生活上，則給予了我無微不至的關(guān)懷，使我倍感溫暖。導(dǎo)師的教誨，足以使學(xué)生受益終生。在此，我向敬愛的導(dǎo)師表示深深的謝意和衷心的祝福感謝!網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究，是一個(gè)涉及廣泛的課題，本文僅作了一些初步的探索，由于學(xué)識(shí)有限，遺憾之處在所難免，懇切希望能夠得到諸位老師與同行的批評(píng)指正。領(lǐng)域和美好的發(fā)展前景。程序(略)