网球发球机

目录第一章 绪 论- 1 -1.1引言- 1 -1.2国内外网球发球机的研究现状- 1 -1.2.1国外网球发球机的研究现状- 1 -1.2.2国内网球发球机的研究现状- 2 -1.3本文的主要内容与课题的意义- 2 -1.3.1课题研究的内容- 2 -1.3.2课题研究的现实意义- 3 -1.4小结- 3 -2.1网球发球机的工作原理- 4 -2.1.1网球运行的基本假设- 4 -2.1.2描述网球质心运动的主要参量及计算公式- 5 -2.1.3确定网球运行轨迹的参数方程组- 12 -2.2网球发球机的工作过程- 12 -2.3网球发球机技术参数- 12 -2.4小结- 13 -第三章 网球发球机机械结构设计- 14 -3.1网球发球机的外型结构设计- 14 -3.2网球发球机的内部结构设计- 14 -3.2.1网球发球机的储球箱的设计- 14 -3.2.2网球发球机供球漏斗的设计- 14 -3.2.3网球发球机的摆动系统设计- 15 -3.3小结- 15 -第四章 网球发球机控制系统设计- 15 -4.1总体设计- 15 -4.2网球发球机硬件电路设计- 16 -4. 2. 1 89C51的最小系统设计- 16 -4.2.2电机转速测量电路的设计- 16 -4.2.3电机PWM调制驱动电路设计- 17 -4.2.4键盘和液晶显示电路设计- 21 -1.键盘的选择- 21 -4.3网球发球机的软件设计- 23 -4.3.1软件设计分析- 23 -4.3.2 PID控制算法设计- 24 -4.4小结- 25 -结 论- 26 -参 考 文 献- 27 -致 谢- 28 -附 录- 29 - 28 -第一章 绪 论 1.1引言 现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占的比例呈持续增长趋势。可以预见，随着2008年北京奥运会的临近，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需求也必将随之不断扩大。 网球运动近年来传入我国后，普及迅速，尤其深受广大青年人的喜爱。但对于初学者来说，要想在短时间内很快地提高技术，没有先进的网球训练设施是很难实现的。而目前国内网球球馆的设备仍存在着较大的缺陷，特别是用于发球的网球发球机，科技含量较低，价格较高，容易损坏，在一定程度上影响了人们的使用。鉴于此，开发一种科技含量高、价格低、美观耐用、大容量的智能网球发球机具有广阔的社会效益和经济效益。 本课题研究的题目为“网球发球机及其控制系统”，主要是利用机械电子相结合的技术，对现有网球发球机的结构、控制电路加以改进升级，设计出一种低成本、耐用、美观且可控的多功能网球发球机。 这种网球发球机可容纳300个网球，可以人为的将发球速度控制在60180公里/小时，且可发出平击球、上旋球、下旋球、中场、后场高压球等，为使用者提供底线、中场、网前等各种训练，并可自动双向(左右)发球，便于单人正、反手跑动训练或双人同时训练，所具备的遥控可为教学、训练或单人使用带来极大的方便。并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需求，提供了不同技术阶段的“多种训练”和“肌肉一记忆运动”的强化训练，使学者掌握规范全面技术的时间大为缩短。 1.2国内外网球发球机的研究现状 网球发球机是利用对转双轮原理，从两个夹轮之间将球发射出去。而两轮的转速及左右的偏离是靠两个直流电机来控制的。这样就能发出各种练习者需要的球。 1.2.1国外网球发球机的研究现状 国外网球发球机的起步较早。它们的主要功能有可发出上旋球、下旋球、侧旋球、直球、高吊球、网前球、后场球、底线球、短截击球及边线球等。它既适合普通练习者的需求又能满足运动员的日常训练要求。 目前世界生产网球发球机的厂家比较多，最具有代表意义的是美国TUTOR公司和LOBSTER公司生产的网球发球机。二者所采用网球发球原理不同，前者是高性能网球发球机，它通常是利用两个高速旋转的轮子(旋转方向相反)，由于轮子的空间小于球的直径，当球从滑轮滚入两轮之间的时候，轮子将球喷出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一个道理，只不过车轮滚石只用到一个轮子。而后者是利用空气压缩原理来工作。压缩空气使用一个空气压缩机产生。球被装入长桶的底部由一个窄口固定住，这个窄口的直径略小一些，当压缩空气推挤网球穿过窄口的时候，球就被发射出去了。现在市面上销售的网球发球机多以对转双轮原理为主，这是因为空气压缩发球机的噪音极大而且不能提供高的性能，而对转双轮发球机能提供高的性能。同时，空气压缩发球机消耗的功率很大，无法使用电池来供电，其优点是价格比较便宜。 美国和德国生产网球公司不仅在发球机构上有独到之处而且在控制方面也处于领先地位。他们能够采用计算机远程控制，并备有遥控装置可以同时测速。 1.2.2国内网球发球机的研究现状 相对国外而言，国内网球发球机的研究才刚刚处于一个起步阶段，用于成品的很少。主要有以下几个典型方面:1.丰润牌网球发球机:该机型由台湾丰润集团生产研制，它利用对转双轮原理的特性，借助于轮子和球之间的磨擦力来获取能量，使球获得一定的初速度将球发射出去。这个原理和双轮旋转发球原理同出一则。它的优点很明显，即:速度高、易控制、经济实惠。缺点是故障率高、质量差。2.力王牌举升式网球发球机 该机是由北京太阳计算机技术公司生产研制的举升式网球发球机，升华了科学训练过程。对初学者和专业选手均提供了不同技术阶层的“多球训练“和网球运动是“肌肉记忆运动”的强化训练，使掌握规范网球技术的时间大大缩短为“一年赛三年”。 举升式网球发球机是一种比较先进的网球发球机。此机可发出上旋、下旋、平击球，可仿真模拟网球运动时真实击出的左侧上旋或下旋球，右侧上旋或下旋球，更可以仿真发出落点在发球区内任意点球的全新功能，提供了网球运动中重要的接发球技术高难度训练。在设计理念上采用了电动控制与液压技术相结合，这样不仅解决了上下旋转不好控制等问题，而且增加了发射的准确性。 1.3本文的主要内容与课题的意义 1.3.1课题研究的内容 本课题的研究内容是对网球发球机及其控制系统进行总体设计，并对其可行性进行一个初步的论述;对其进行相应分析设计，完成其设计方案;即先对其结构进行设计论述，后对其电路控制进行相应的设计，最终得出结论，说明设计出这台网球发球机是完全可行的。 具体内容分为以下两个大部分: 1.网球发球机的机器总体设计 2.网球发球机的控制系统设计 1.3.2课题研究的现实意义 网球发球机及其控制系统是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物。用智能控制取代以往的纯强电路控制，可以增加许多性能，更好地适应各种训练的需要。在控制方面采用单片机控制不仅可以提高发球的性能，而且能够降低成本，大大地提高训练效率。无论从经济观点或生态观点考虑，本网球发球机的开发、研究与应用都能极大地推动体育运动事业的发展。 1.4小结 综上所述，尽管网球发球机在我国起步较晚，但对其的研究有很重要的现实意义。体育事业在我国正在蓬勃发展，尤其是随着我国运动员在奥运会中连续取得佳绩，极大地调动了全国人民投入体育运动的热情。网球运动的迅速普及，更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材。正是在这种情况下，研究网球发球机是极其必要的。 第二章 网球发球机工作原理及工作过程 2.1网球发球机的工作原理 网球发球机及其控制系统是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物，它具有自动化程度高、灵敏度高、稳定性可靠等多种特性。它的基本工作原理是利用对转双轮原理，如图2.1所示:网球由于受到两个反向旋转磨擦轮系的作用可以获得一定的初速度，而两轮在两个支流电机的控制下工作。图2.1对转双轮原理图根据上图的原理我们可以看到，当电机旋转时可以带动两个夹轮转动，同时磨擦网球使网球获得一定的动能，网球才得以发射出去。这种原理方案既简单又实用，它既能保证网球发射的稳定性，又能极好地控制网球发射的角度及速度，使用户随心所欲地练习打网球。 设轮子的角速度为，半径为R，那么就可以计算出轮子线速度:V=R 则在瞬时间网球所获得的速度为V，这就是网球的初速度。因此通过测量轮子的角速度就可以求得网球的初速度。 2.1.1网球运行的基本假设 影响网球在空气中运行的因素极为复杂。如果同时全部加以考虑，不仅使问题复杂化，而且也使求解困难。在自然科学研究中，对于这样一类问题，总是在详细分析主要因素和次要因素的基础上，引进一些必要的简化假设，将那些次要因素暂时忽略，抓住主要因素求解，得出问题的主要规律。然后再对那些次要因素分别加以考虑修正。这样既可以掌握问题的本质，使问题简化;又可以求得与实际情况相符合的结果。这些假设综合如下: 在网球整个运行期间，假设章动角=0 网球是轴对称体。 根据此二假设的网球运动，可以看作是网球的全部质量集中在质心的、一个质点的运动。 地表面为平面; 重力加速度的大小不变和方向始终铅直向下。 科氏加速度为零。也就是对地球旋转的影响只考虑了包含在重力内的惯性离心力的部分。 气象条件是标准的，无风雨。 2.1.2描述网球质心运动的主要参量及计算公式 要研究网球在空气中的质点运动，首先要明确网球在空气中的质点运动主要用哪些变量来描述。 由于网球运动的基本问题是个平面运动问题，所以要知道网球质心在空气中的运动规律，必须知道网球离开网球发球机后任意时间t时的坐标(x, y);若能同时知道t时的网球质心运动速度的大小v和方向网球倾角，就可以确定网球将以什么速度飞向何方。因此如果能够知道变量t, x, y, v和等五个变量之间的函数关系，就可以完全解决网球质心在空气中运动的问题。 但是速度矢量的大小和方向，也可以用水平分速u和铅直分速。或者用水平分速u和网球倾角的正切的等来表示(如图2.2所示)。因为: 以上所讨论的任意一个变量，在理论上，均可以作为自变量来组成网球的质心运动方程组。但在实际上，根据需要，常采用作为自变量的有t, x, y等。图2.2描述网球质心运动的主要参数以时间t为自变量的网球质心运动方程组:在基本假设下作用于网球的力仅有重力和空气阻力。据此可以写出网球质心运动的矢量方程: （2-1） 建立以时间t为自变量的网球质心运动方程组。 在直角坐标系下的网球质心运动方程组: 是指将矢量方程(2-1)在直角坐标系二坐标轴上的投影而得的方程组. 首先将矢量方程(2-1)在x轴上投影(如图2.3所示)，得 图2.3 直角坐标系由于,故得: 其次将方程(2-1)在y轴上投影，得: 将 代入，得到 由于坐标x, y对于时间的导数分别为 故最后得到以t为自变量的直角坐标系的网球质心运动方程组如下: （22）积分起始条件为t=0时: 式中第(5)式是个联系变量和u、和y的代数方程，即所谓联系方程。 式中带*号的三个方程是必须同时求解的所谓联解方程。因为解积分第(1)方程 时，必须知道其右端的y和是t的什么函数后，才能积分出来。而要知道y和是t的什么函数，又必须积分第(2)和第(3)个方程。同理，积分第(2)或第(3)个方程时，也必须同时积分出第(1)、第(3)个或第(1)、第(2)个方程。 此方程组是解一般网球质心运动的常用方程组。 自然坐标系的网球质心运动方程组: 所谓自然坐标系的网球质心运动方程组是指矢量方程(2-1)在所谓自然坐标轴(即切向和法向)上的投影而得到的方程组(如图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别为由于阻加日速度矢量ax和重加口速度矢量g在切向上的投影分别为 故得切向加速度dv /dt的方程为: 又由于和在法向上的投影分别为图2.4自然坐标系故得法向加速度的方程为: 或者 将上二方程与确定坐标的两个方程合并，即得到自然坐标系的网球质心运动方程组为: （23）积分的起始条件为t=0时: 带*号的三个方程为联解方程。代数方程(5)为联系方程。 以x为自变量的网球质心运动方程组: 为获得较方程组(2-2)和(2-3)更为简单的方程组，以取横坐标x为自变量较好。 首先根据复合微分，得到 其次根据 可以得到 将上二方程(*)、(*)与 和 及联系方程 合并，得到形式最为简单的、以X为自变量的方程组如下: （24）积分的起始条件为X=0时: 这个方程组在时计算方便而准确。但当后，由于变化过速(如)和u值过小(其导数1/u，尤其是将变化过速)，计算难以准确。故本方程组不宜于在时采用。以y为自变量的网球质心运动方程组:为了求网球的空中运行轨迹，宜于取纵坐标y为自变量。由复合微分 和 以及联系方程 得到以y为自变量的网球质心运动方程组: （25）积分的起始条件为 时， 以网球弧长S为自变量的网球质心运动方程组: 只要将自然坐标系的运动方程组(2-3)的自变量t换为弧长s,即可得到以弧长s为自变量的网球质心运动方程组(注意ds = vdt ) （26）积分的起始条件为时: 2.1.3确定网球运行轨迹的参数方程组根据(2-3)公式及其起始条件(t=0时: ，x=y=0)可以知道:任意时间t时的网球运行诸元v、, x, y一定都是始条件()与包含在方程组(2-3 )内的第一式中的网球运行轨迹系数c和自变量t的函数，即 （27） 当 , 给定时，任意点网球运行轨迹的诸元仅由时间t确定。就是说，任意一个时间t，与此相应的网球运行轨迹诸元就可以确定。因而网球的运行轨迹就可以完全确定。根据上述网球运行轨迹的这一特性，可以用数值解法解出这四个参变量和x, y, v和的关系，这里就不再说明。 2.2网球发球机的工作过程 它的工作过程是网球首先贮藏在储球箱里，当电源接通后供球漏斗的电机工作带动供球漏斗旋转，网球经漏斗进入发球的两轮之间。此时由于电源接通，两轮已高速旋转，将球发出。供球漏斗有四个漏口，由一个小功率电机带动旋转，转速由开关可调电源控制，这样就可以控制单位时间内发出球的个数。同时两轮由大功率的直流电机带动，控制电机的转速就能控制网球的初速度。两轮通过固定直板固定在一起，直板又通过一根轴和箱体连接，这样直板结构就可以随意旋转摆动。而练习者需要发出边线球时可以按下控制上箱体电源电钮，这样上箱体就会左、右摆动到达所需的位置，这样就可以发出不同角度的球。 2.3网球发球机技术参数所研究的网球发球机达到的主要技术性能 外形尺寸 463320795 mm 机器重量 25kg 发球速度 60 180km/h 供球个数 110个/s 使用电压 220v 直流电机的功率 35w 储球数 8090个 可发出上旋、下旋、平击球及不同角度球。 2.4小结本网球发球机与市场上现有的网球发球机在工作原理与工作过程有许多的相似之处，其不同之处在于本网球发球机主要是把机器和人脑的智能结合起来控制网球的速度和旋转，经过计算机的控制，有效地做到了按人的各种运动需求来制定相应的方案，发出满足各种需求的球，并力求物美价廉。第三章 网球发球机机械结构设计 现在市场上的网球发球机形式多种多样，结构也各不相同。根据发球的动力等自身的特点，本机保留了一些传统国内、外网球发球机的结构特点，又有了不同程度的创新7。从工作原理和工作过程可以看出，该研究的网球发球机主要组成部分有供球系统、发球系统、摆动及旋转系统三部分。根据这些部分的功能，本文采取以下设计方案。 3.1网球发球机的外型结构设计 本文从网球发球机的实用性出发，为了适应场地风吹雨淋的环境需要，采用不锈钢材料，同时它的造价相对较低。 由于本机具有旋转的功能，因此需要设计成上箱体和下箱体，这样可以保证发球机出球的左、右角度。 3.2网球发球机的内部结构设计 3.2.1网球发球机的储球箱的设计 该系统的作用是储存网球并将网球随时按要求供给发球系统。它是网球储存的地方，另外它还应能够将网球顺利输送给供球漏斗，不能产生卡死现象的作用。基于这种功能需要，在设计储球箱低盖时就不能设计成平面结构8。我们采用把它设计成与水平成5角的圆锥形，这样就解决了卡死的问题。该系统主要由储球箱、供球漏斗(具有旋转功能)、导向槽等组成。 3.2.2网球发球机供球漏斗的设计 它是把网球输送给发球系统的关键装置。为了需要我们把它设计成四个开口，这个漏斗由小功率直流电机带动可以旋转。同时出球口处安装一个导向槽，使球能到达指定地点,如图3.1所示。 图3.1 供求漏斗示意图 3.2.3网球发球机的摆动系统设计 这部分所起的作用就是将上箱体带动旋转，使网球获得一定偏角，从而发出边线球等。根据其所起的作用以及上箱体结构特点，我们将它设计成如图3.2所示结构。 图3.2 摆动系统工作原理图 3.3小结本章对网球发球机的设计原理及整体结构作了一个总体的说明，对其相应部分所具有的功能也作了一个详细的介绍，并对该机器的实际问题提出了具体设计方案。这将对网球发球机的制造和这方面工作的开展大有好处。第四章 网球发球机控制系统设计 4.1总体设计 本网球发球控制器以美国ATMEL公司的8位单片机89C51为核心微处理器1，外围扩展看门狗复位电路、键盘和液晶显示电路、电机转速测量电路、PWM调制输出电路。单片机通过对传感器出来的转速信号进行分析，计算出与给定转速的误差值，启动软件PID算法调节器，产生的输出信号经PWM调制电路送给直流电机，通过对直流电机的控制实现对位置的闭环控制。通过键盘可以设定发球速度和方向，液晶显示器可以实时监控发球机当前状态。系统总体框图如图4.l所示。89C51核心处理芯片键盘和液晶显示时钟钟看门狗复位电路转速测量转速PWM调制输出电路直流电机图4.1智能网球发球机控制系统硬件电路原理图 4.2网球发球机硬件电路设计4. 2. 1 89C51的最小系统设计 本系统选择Atmel公司生产的AT89C515，该单片机是面向8位CPU，与INTER80C31完全兼容，主要内部资源有:4K的Flash程序存储器:128字节的内部数据存储器:一个全双工的异步串行口;五个中断源、两个中断优先级的中断控制器、时钟电路，时钟频率1. 2MHZ12MHZ。本系统考虑传感器接口、伺服电机控制接口及显示和键盘等接口，需要扩展工I/O口。 89C51的内部资源有:256字节的RAM, 4K的ROM。因为数据存储器资源不够用，我们用一片6116L来扩展。单一+5V电源，额定功率160mW，典型存取时间为200, 24先双列直插式封装，它有11位地址线，89C51的P0口输出低8位地址，锁存在74LS373中，还有三位地址直接和P 2.0P2.2相连。 几乎所有的单片机都需要复位电路12，对复位电路的基本要求是:在单片机上电势能可靠复位.另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象，导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，要充分利用单片机本身的看门狗定时器(有些单片机无看门狗定时器)。除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间，单片机能将重要数据保存下来，因为掉电的发生总是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。 4.2.2电机转速测量电路的设计 传感器13是一种感受被测量并按一定规律将其非电量转换成电量输出的器件。在微机控制系统中使用的传感器一般都是将被测量的模拟量转化成电量或电参数(电流、电压、电阻、电感、电容等)。因为是对转速的采集，在此我们采用了反射光祸作为转速检测传感器。并且利用转速采样电路对电机的速度进行采样检测。转速采样电路前向通道主要是信号的输入。输入的信号有两种:一种是随时间连续变化的物理量(模拟量)，另一种是两态开关的数字信息。在前向通道主要是电动机速度的采集。转速采样电路如图4.2所示。转速采样电路决定了系统转速的控制精度。为了保证精度，我们采用反射式光藕14作为转速检测传感器。通过软件实现M/T法测量转速，达到了较高的精度。M/T法是指同时测量检测时间和时间内转速脉冲信号个数来确定速度。图4.2为光藕安装示意和信号处理电路，使用中将光藕安装在长方形电路板上，固定在电机轴的一端，将发射接收端对正并接近电机轴的端面，电机轴的该端面用黑白颜色各涂一半，以便于光藕采集电机的转速。电机每转一圈，在黑白截面切换时光藕产生一个窄脉冲，该脉冲通过编码器CX20106处理后输出规则的反映转速的方波信号，供单片机进行处理。转速具体测量由单片机内部的两个16位定时器来完成，用T0记录0.1秒时间内采样脉冲N，保证了测量时间的起始时刻与被测信号的脉冲的上升沿同步。T1记录0.1秒结束时刻到被测信号下一个脉冲上升沿之间的时间T，单片机的晶振频率为12MHZ，则T1记数脉冲周期为lus，被测信号N个完整周期对应的时间为T= (0.1+T)秒，则脉冲频率为:F=N/T (HZ )，由于一个圆周内只分布一个白色标记，电机转动一周产生一个脉冲信号，则电机转速N=60F=60N。 U1OPTOISO2R147TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU?555R212KR312KC33300pFC40.1uF12345678J?CON8R556C6?uFC522uF/50VC71.0uFR?1KC?0.01uFC?0.01uFC20.01uFC1470uF/10VR4470R?1KVCC图4.2转速采样电路图 4.2.3电机PWM调制驱动电路设计 1.电机的选择执行元件是位于电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。在网球发球机这个系统中我们选电机为执行元件。在本系统的设计中，因为我们要控制发球的角度，所以选择步进电机。又要控制发球的速度，所以我们选择直流电机，因为直流电机具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制特性优良并且价格合理等优点，所以我们在这里选用直流电机10。2. PWM对直流电机的控制原理 直流伺服电机的控制方式主要有两种4:一种是电枢电压控制，即在定子磁场不便的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电机的转速和输出转矩;另一种是励磁磁场控制，即通过变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电机的转速和输出转矩。 本系统中采用永磁式直流伺服电机，因而只能采用具有恒转矩调速特点的电枢电压控制方式，这于伺服系统的负载也是吻合的。通过电枢电压来控制输出速度。控制信号由计算机控制系统给定，通过接口和功放电路驱动直流伺服电机。当然对电动机的控制离不开半导体功率器件。因为本文设计的控制系统属于中、小功率范畴，所以我们选择场效应管就可以达到最好的效果。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机的电枢电压。 图4.3是利用开关管对电机进行PWM调速控制的原理和输入输出电压波形。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，支流电动机电枢绕组，两端有电压Us。T1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。T2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图b所示。电动机的电枢绕组两端电压平均值U0为: U0=T1Us+0/TI+T2=T1 *Us/T=aUs，式中a是占空比。如图4.3所示，占空比表示了在一个周期里，开关导通的时间和周期的比值。占空比的变化范围是0a1。由式可知当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变占空比就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。(a)原理图 (b)电压波形图图4.3 PWM调速控制原理及电压波形图3. PWM控制信号的产生方法 在PWM调速时，占空比是一个重要的参数。定频调宽法是使周期(或频率)保持不变，而同时改变T1或T2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这两种方法用的很少。所以，本文对直流电动机的控制主要使用定额调宽法。4. LM629芯片的功能和原理2 单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。在本文的设计中，因为我们所用的单片机是AT89C51，不含有PWM口，经过综合比较决定用PWM集成电路。我选择了美国国家半导体公司生产的LM629芯片。 LM629芯片是全数字式控制的专用运动控制处理器。它是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装，使用6MHZ或8MHZ时钟频率和5V电源工作。 它有如下功能: 内容有32位的位置、速度和加速度寄存器; 16位可编程数字PID控制器; 可编程微分项采样时间间隔; 速度、位置和数字PID控制器可以在控制过程中改变; 适时可编程断; 可对增量式光电编码器的输出进行4倍频处理和信号处理; 8位分辨率PWM输出; 内部梯形速度图发生器; 可以进行位置和速度控制。LM629的原理图如图4.4所示，它通过I/O、与通讯输入运动参数和控制参数，输出状态和信息。LM629内部有一个数字PID控制器，用来控制闭环系统。图4.4 LM629组成原理图5.电机控制驱动设计3 在本系统设计中，应用了三个直流电动机和一个步进电机。直流电动机由于不需要控制转向，所以用单片机控制的有制动的不可逆PWM系统来完成。单片机通过扩展了两片8155，用一片来驱动三个直流电机。用8155的三个I/O口来接三格LM629，LM629的I/O口D0-D7与8155的PA口相连，用来从单片机传送数据和控制指令，单片机的P1.0引脚与其片选端相连作为选中它的地址线。引脚P1.1与它的PS相连作为另一条地址线。当P1.1=0时，单片机可以向其写指令;当P1.1=1时单片机可以向它写数据。LM629的中断引脚经一个与非门与单片机1NT1相连，LM629的6个中断源都通过该引脚申请单片机中断，一旦有中断申请发生，单片机必须通过读LM629的状态来判断是哪个中断发生。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向。单片机的主要工作就是向LM629传送运动信号数据和PID数据，并且通过LM629对电动机的运行进行监控。LM629则根据单片机发来的数据生成速度图，进行位置跟踪，PID控制和生成PWM信号输入。本文设计了有制动的不可逆PWM系统。系统增加了一个开关管V2，只在制动时起作用。开关管V1和V2PWM信号电平方向相反。在每个PWM周期的0-T1区间，V1导通V2截止，电流的路线和方向如下的虚线1，电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的T1-T2区间，Vl截止，电源被切断，电枢绕组的自感电动势使电流经过续流二极管D2形成回路，如图4.5的虚线2。注意，此时虽然开关管V2的控制信号为高电平，由于续流二极管D2的作用使开关管V2截止，其电流波形如图4.5所示。 在制动时，由于控制信号的PWM占空比不断减小，使电枢电压平均值U0小于电动机的反电动势，电枢中的电流反向流动，产生制动转矩。在每个PWM周期的0-T1区间，电枢绕组的自感电动势与反电动势之和大于电源电压，电流经过续流二极管D1将能量反馈给电源，电流的路线和方向如图4.5中虚线4，电动机工作在再生发电制动状态。在每个PWM周期的T1-T2区间，在V2的控制信号作用下，导通电流经过V2形成回路电流的方向为图4.5中虚线3，电动机处于耗能制动状态，制动的电流波形如图4.5b。当电动机轻载或空载时，电枢绕组中电流很小。这时会出现电动和制动两种状态交替现象，其过程为:0-T1区间，电流按虚线4回路反向流动，电动机工作在再发电制动状态;电流经过零点后，电源电压开始大于反向电动势，电流按虚线1正向流动，电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的T I -T2区间，由于Vl截止电流先按虚线2流动，电动机工作在续流电动状态;当电流降到零或反电动势使V2导通电流改变方向，沿虚线3流动，电动机工作处以耗能制动状态。轻载或空载时电枢的电流波形如图4.5中c所示。图4.5有制动的不可逆PWM电流波形图图4.6为我们驱动三个直流电机的电路原理图，用单片机先选LM629控制有制动的不可逆PWM系统，采用反向器7406实现对开关管V2的控制。在下图中我们省略了输入端LM629芯片图11，将电机驱动电路放大了来表示。图4.6电机控制原理图 4.2.4键盘和液晶显示电路设计1.键盘的选择键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。键盘上闭合键的识别由专用的硬件实现的称为编码键盘6。在此我们选择36的行列式键盘。用I/O口组成行列结构，按键设置在行列的点上，可以节省I/O口线。在本系统中需要用18个键来实现它的功能，因此我们采用直接由并行口的方法来扩展36的键盘。 判断键盘上有无键闭合:其方法是读8155的接口，不全为“0”，则有键闭合，若全为“0”，则无键闭合状态。 去键的机械抖动:其方法是判别到键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期;否则，认为键是抖动的。 2.显示器的选择 根据工作的需要，对电机速度和方向进行显示，发球机的工作状态和工作方式也要进行显示和设定。所以系统需要显示器。 显示器我们选用HD61202U(控制19264点阵以内)的字符型显示器9。一个汉字的点阵是1616，它可以显示三行，每行显示12个汉字。显示器采用内置控制器型字符液晶显示模块。其工作原理如表4.1所示。表4.1 显示器的接口表格DB4-DB7三态8位数据总线的高4位DB0-DB3三态8位数据总线的低4位RS输入寄存器选择信号R/W输入读/写选择信号E输入使能信号HD61202U的接口时序为M6800时序。其特点是读/写操作时序是由使能信号E完成。E信号是正脉冲信号，不操作时为低电平，操作时产生一个正脉冲，在读操作时，E信号在高电平时，控制器将所需要数据送入数据总线上，供计算机读取，在写操作时，E信号的下降沿途将数据总线上的数据写入控制器接口部的寄存器内。 HD4470U对读/写操作的识别是判断R/W信号端的电平状态，R/W=1为读操作选择，R/W=0为写操作选择，R/W信号的宽度要大于E信号的宽度才能保证计算机的操作正确。RS信号是HD4470U识别数据总线上的数据属于指令代码还是属于显示器，RS=0选通指令寄存器通道，数据总线传输的指令代码或标志位，RS=1选通数据寄存器通道。数据总线传输的是显示数据或自定义字符的字模数据。指令详细解释: *清屏格式:00000001 该指令的功能: 将空码写入DDRAM的全部80个单元内。 将地址指针计数器AC清零，光标或闪烁归HOME位设置输入方式参数I/D=1，即地址指针AC位自动加1输入方式。 *归HOME位格式000000 0 1 该指令功能: 将地址指针器计数器AC清零。执行该指令的效果有:将光标或闪烁位返回到显示屏的左第一字符以上，即DDRAM地址00H单元位置;这是因为光标或闪烁都是以地址指针计数器AC当前值定位的。 *输入方式设置格式 0 0 0 0 0 1 I/D S 该指令功能: 设置了显示字符的输入方式，即在计算机读/写DDRAM或CGRAM后，地址指针计数器AC的修改方式。反映在显示效果上，当写入一个字符后，画面或光标移动。该指令的两个参数I/D和S确定了字符的输入方式。 I/D=0 AC为减1计数器，光标左移一个字符 I/D=1 AC为加1计数器，光标右移一个字符 S=0禁止滚动 S=1允许滚动 *显示状态设置格式 0 0 0 1 1 D 00该指令功能:该指令控制着画面，光标及闪烁的开与关。D画面显示状态位。当D=1时为开显示，D=0时为关显示。C光标显示状态位。当C=1时为光标显示，C=0时为光标消B闪烁显示状态位。当B=1时为闪烁启用，B=0时为闪烁禁*工作方式设置格式 0 0 1 D N F 00 该指令功能: 该指令设置了控制器的工作方式。 DL设置控制器与计算机接口形式。DL=1设置数据总线为8位长度。DL=0设置数据总线为4位。 N设置显示的字符行数。N=0为一行，N=1为两行。 F设置显示字符的字体。F=0为5*7点阵字符体，F=1为510点阵字符体。在此我们选择了液晶显示器，其接口的电路设计如图4.7所示，与单片机的工作速度相比，液晶显示器的工作速度是属于中等偏慢的。因此，当高速单片机系统中设计液晶显示器接口时，就要考虑液晶显示控制器的适应能力了。一般在读、写脉冲宽度小于45NS的单片机系统中，我们建议用间接方式的液晶显示接口，即单片机芯片系统，也就是液晶显示器接口连接中使用两个8位的并口作为缓冲器。其中一个用作数据信息的缓冲器，另一个用作控制信号的产生。在本系统中我们采用这种方法。图4.7液晶显示器接口电路图 4.3网球发球机的软件设计 4.3.1软件设计分析 控制系统的设计中，单片机应用软件的设计17，是系统设计中的最基本和最重要的部分。在网球发球机控制系统的设计中要实现的主要软件功能:系统控制的主程序设计、显示器的子程序设计、键的输入子程序设计、转速采样电路的子程序设计以及各功能模块的输入输出设计。系统的主程序中我们实现了对系统的复位、显示器的初始化、键的输入、8155的初始化、对电机的启动以及发球的技术目标的实现。显示器作为单片机的串行口方式0的输出应用，对显示器的编码主要是实现对采样电路的显示以及系统人机接口中最主要的输出接口。键盘输入接口设计主要是在控制系统的人机接口中，当需要操作者输入指令或参数时，最主要的设计是控制系统中不可缺少的一部分。 在本文中进行转速采样电路的软件主要是为了对控制发球机的两个轮的电机进行速度采样，以保证对球速的采样控制。 4.3.2 PID控制算法设计1. PID调节原理 PID调节18是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。其实质是根据输入的偏差量，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果是其输入的比例、积分、微分的函数，用于输出控制。由于PID控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节，因此模拟调节器和数字调节器大都采用PID调节规律19。 检测到的功率因数经与设定值进行比较后得到偏差量;然后由PID算式算出可控硅的控制角，再换算成相应的控制电压，经D/A转换器和运算放大器后送到智能电机控制模块。根据控制电压010V的大小，智能电机控制模块可以相应地使可控硅导通角在0之间调整，通过调节电机电压，达到根据负载调整电机转速的目的。 在模拟系统中，PID算法的表达式为: （41） 其中，P(t)为调节器的输出信号，e(t)为调节器的偏差信号，Kp, 、分别为调节器的比例系数、积分时间和微分时间。2.两种运算方式的选择 由于计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，常用的PID算法中分为位置型和增量型两种，两种方法各有优缺点，宜根据被控对象的实际情况加以选择。鉴于电机运行控制电路以晶闸管作为执行部件，因此应采取位置型PID算法。 在用8051汇编语言进行PID程序设计时，有定点运算和浮点运算两种计算方法20，定点运算速度较快，但精度低一些;浮点运算精度高，但运算速度较慢。在本系统中，电机转速的变化速度与单片机计算及工作速度相差甚远，所以采用浮点运算就可以满足要求。 4.4小结本章从方案论证谈起，详尽地介绍了与网球发球机有关的内容:如方案的论证、MCU的选择、外围设备的选择、电机的选择、PWM驱动电路的选择到控制系统的硬件设计等，阐述了控制系统的硬件设计过程，同时对软件系统也进行了详尽的说明。这就给网球发球机方案实施提供了有力的依据。结 论 本文对网球发球机及其控制系统的总体设计做了一个详细的理论分析和实际制作。主要分为两大部分:网球发球机的结构、网球发球机的控制原理及过程。论文主要完成了以下主要工作: 1.选定了对转双轮摩擦旋转原理作为网球发球机的机械结构核心部分，并论述了对其它辅助结构的要求，可以达到所设计的技术指标要求。 2.论述了网球发球工作原理及工作过程，并阐述了这种工作过程的可靠性。说明了可实现主要技术参数指标以及达到这些技术参数指标所需要的保障。 3.说明了整个机械结构总体设计思想，包含具体结构尺寸、进球系统结构及尺寸、摆动系统结构及尺寸和内部结构及尺寸。 4.阐述了网球发球机控制系统设计方案的论证过程及控制系统的设计思想。具体包括MCU的选择、外围设备的选择、电机的选择、PWM驱动器的选择等等，详细说明了控制系统的可靠性。 通过以上的工作，证明网球发球机的设计思想及制造是完全可行的。当然要提高网球发球机各项性能指标，还有待于以后更深一步的探讨与研究。参 考 文 献1 韦巍.智能控制技术M.北京：机械工业出版社，2003。2 王晓明.电动机的单片机控制M. 北京：北京航天航空大学，2002。3 陈伯时.电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，1991。4 杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础M.武汉：华中理工大学出版社，1984。5 刘大茂.智能仪器:单片机应用系统设计M. 北京：机械工业出版社，1998。6 陈宝江.MCS单片机应用系统实用指南M. 北京：机械工业出版社，1997。7 李学荣.新机器机构的创造发明-机构综合M.重庆:重庆出版社，1988。8 Neville D Joskowicz L. 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