棒球測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（陜西學(xué)前師范學(xué)院體育系,陜西西安,710100）

棒球測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 卓

（陜西學(xué)前師范學(xué)院體育系,陜西西安,710100）

本文應(yīng)用芯片技術(shù)設(shè)計(jì)了棒球測(cè)速系統(tǒng)，首先闡述了該系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行了分析，然后設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的加速度傳感器采用ADXL345，單片機(jī)采用ST7LITE49M，軟件系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了1COSMIC C編譯器，最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，結(jié)果較滿意。

棒球；測(cè)速系統(tǒng)；ADXL345

0 引言

由于棒球在運(yùn)動(dòng)過程中還要受到空氣阻力和地球的重力作用，所以它的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程。為了提高擊球員的水平，本文設(shè)計(jì)了棒球的測(cè)速系統(tǒng)，旨在為他們的培訓(xùn)提供理論參考。

1 系統(tǒng)測(cè)量加速度的原理

在棒球擊球員的揮棒過程中，其物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)持續(xù)過程，是一個(gè)多維空間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。在擊球員擊球的瞬間，棒球的速度為零，并且棒球的加速度和速度持續(xù)增大，直到其達(dá)到速度的最大值再到棒球的速度為零，在這個(gè)過程中，棒球上的每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都不相同。因此在棒球的速度測(cè)量系統(tǒng)中，把棒球的運(yùn)動(dòng)過程看作一個(gè)近似過程。第一，把棒球看作一個(gè)點(diǎn)，忽略其長度，把整個(gè)棒球的運(yùn)動(dòng)看作一個(gè)點(diǎn)的二維空間；第二，擊球是一個(gè)瞬間過程，假定當(dāng)棒球的加速度為零時(shí)，其速度達(dá)到最大，并且假定水平的加速度也為零；第三，把棒球的運(yùn)動(dòng)看作是一條近似拋物線的曲線，其最終的輸出速度值為“加速度-時(shí)間”的函數(shù)的X軸上方的積分；第四，棒球的加速度有水平加速度和垂直加速度，所以棒球的速度最大值為水平方向和垂直方向的矢量合成。根據(jù)上面的假設(shè)，這個(gè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式和棒球的運(yùn)動(dòng)軌跡圖形如圖1所示：

在上面的公式（1）和（2）中，i代表采樣的點(diǎn)數(shù)，在本系統(tǒng)中=30ms。

圖1 棒球運(yùn)動(dòng)軌跡圖形

2 棒球測(cè)速系統(tǒng)的系統(tǒng)需求分析

棒球測(cè)速系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的研究工作，它的整體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能就是對(duì)棒球的速度進(jìn)行測(cè)量。由于加速度和速度的變化量有關(guān)系，在球被擊中的瞬間加速度為零，在球向上飛行的時(shí)候，加速度最大，速度也不斷增大，當(dāng)球達(dá)到頂點(diǎn)開始下落時(shí)，球的速度開始減小。本系統(tǒng)基于加速度傳感器，主要是應(yīng)用加速度傳感器測(cè)出加速度值，然后用單片機(jī)接收加速度值，在單片機(jī)的編程中完成計(jì)算，并用語音報(bào)出，測(cè)量結(jié)果在誤差范圍以內(nèi)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)。

3 棒球測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 棒球測(cè)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）加速度傳感器的設(shè)計(jì)

智能加速度傳感器的工作原理是，測(cè)量物體的加速度信號(hào)通過敏感元件將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過放大電路，信號(hào)的噪音通過信號(hào)調(diào)理電路濾除，再經(jīng)過模擬轉(zhuǎn)換將電路信號(hào)轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)，最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換。當(dāng)測(cè)量加速度的傳感器元件移動(dòng)時(shí)，在加速度相反的方向物體會(huì)受到一個(gè)慣性阻力的作用，懸梁臂會(huì)產(chǎn)生形變，懸梁上的擴(kuò)散電阻會(huì)感受到形變作用，電阻值的變化和形變的大小成正比，并將這個(gè)電阻值作為電橋的一部分，對(duì)加速度的測(cè)量就是通過測(cè)量電橋的輸出電壓的大小完成的。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的加速度傳感器為ADI公司的ADXL345，電源電路為2.0V-3.6V，I/O電壓范圍最小為1.7V，中斷方式靈活，抗沖擊能力為10000g，芯片的封裝引腳圖如圖2所示。

圖2 ADXL345芯片的封裝引腳圖

在本測(cè)速系統(tǒng)中，擊球幫的擺放位置可以利用的加速度傳感器的傾角測(cè)量來糾正，傾斜角主要是通過加速度測(cè)量軸感知重力的大小。加速度傳感器ADXL345豎直安裝在pcb板上面，能夠測(cè)出加速度值和傾斜角。傾斜角的計(jì)算公式如下（3）所示：

（2）單片機(jī)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)是一個(gè)芯片，集成了完整計(jì)算機(jī)的CPU、內(nèi)存以及內(nèi)外部的總線系統(tǒng)，大部分的單片機(jī)還具有外存，集成定時(shí)器、定時(shí)時(shí)鐘、通訊接口等外圍設(shè)備，有的甚至還集成網(wǎng)絡(luò)、聲音、圖像等系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)為ST7LITE49M，8位閃存微控制器，采用SDIP32封裝,含有128字節(jié)內(nèi)存，集成了多種定時(shí)器包括可配置的看門狗定時(shí)器、兩個(gè)帶預(yù)分頻器的8位Lite定時(shí)器和兩個(gè)12位自動(dòng)重加載定時(shí)器，自動(dòng)重加載定時(shí)器的頻率范圍250Hz到4MHz，提供四個(gè)PWM信號(hào)，具有輸出比較功能、輸入捕獲單元、死區(qū)信號(hào)生成和單脈沖模式。這個(gè)12位定時(shí)器是為照明系統(tǒng)和電動(dòng)自行車或空調(diào)系統(tǒng)等電機(jī)控制應(yīng)用專門優(yōu)化的。其它片內(nèi)功能包括一個(gè)高精度的8MHz阻容振蕩器、32kHz自動(dòng)喚醒振蕩器、一個(gè)高速10路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、5種省電模式、一個(gè)含有欠壓保護(hù)功能的可調(diào)復(fù)位電路。

3.2 棒球測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

棒球測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是1COSMIC C編譯器和計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)。

在本系統(tǒng)中采用的編程軟件是STVD7 for inDART-STX，用COSMIC C語言編寫整個(gè)流程。這種編譯器可讀取C源文件、機(jī)器代碼和匯編源文件，生產(chǎn)可執(zhí)行文件。編譯C源文件主要是通過COSMIC C的編譯器內(nèi)部的程序進(jìn)行，并且生成可執(zhí)行文件和列表。這些程序的操作可以通過CXST7自動(dòng)控制，用戶還可以通過特定選項(xiàng)自己設(shè)置需要的快捷功能。COSMIC C編譯器不僅可以使用自帶的庫進(jìn)行編譯，而且還可以使用自己定義的庫參和程序的編譯，還能夠幫助用戶修改代碼。

棒球測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速時(shí)間間隔為30ms，測(cè)速時(shí)間為1分鐘，所以需要采取定時(shí)器中斷功能。在本系統(tǒng)中采用的單片機(jī)為ST7LITE49M，采用Lite定時(shí)器。定時(shí)器具有看門狗的功能、通用的定時(shí)功能、輸入捕獲功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試

棒球測(cè)速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)過擊球員的試用，有80%的用戶對(duì)該系統(tǒng)的評(píng)價(jià)為很滿意，系統(tǒng)存在的測(cè)量誤差在可接受的范圍之內(nèi)。用戶雖然對(duì)本系統(tǒng)給予了比較高的評(píng)價(jià)，同時(shí)也提出了測(cè)速方面一些需要改進(jìn)的建議。

[1] 蔣泉,許薇,龔江泳,戴海峰,唐偉.棒球擊球碰撞過程中的動(dòng)力學(xué)分析[J].醫(yī)用生物力學(xué),2010,05:375-379+384.

[2] 段冰.棒壘球訓(xùn)練對(duì)大學(xué)生身體素質(zhì)及生理機(jī)能的影響[D].東北師范大學(xué),2012.

楊卓，男，1983年6月，陜西渭南人，碩士研究生，講師，研究方向:從事體育教學(xué)與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究 。

Design and implementation of a baseball measurement system

Yang Zhuo
(Preschool Shaanxi Normal University,Xi'an,710100,China Department of Physical Education)

In this paper,chip technology designed baseball speed system,first elaborated the working principle of the system,and the system requirements are analyzed, and then design the hardware and software systems,hardware acceleration sensor system uses ADXL345, SCM ST7LITE49M,software system designed 1COSMIC C compiler,and finally the system were systematically tested with satisfactory results.

baseball;velocimetry system;ADXL345