一種經濟實用型智能網球發球器的設計與實現

劉豐年（三門峽職業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球器的設計與實現

劉豐年
（三門峽職業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揮不穩定的問題，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球器。該網球發球器使用單片機控制技術，采用舵機進行伺服驅動，可以自動調節發球的角度和時間間隔。實驗表明，該發球器簡易、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展，很多高校的體育院系已經開設了網球專業，并且也成了公共體育選修課之一。網球專業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，或者陪練的發球力度、角度、遠近距離及球的旋轉等技術發揮不穩定，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球器強化規范訓練。而傳統的網球發球器價格高、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球器。

本文設計并實現了一種以STC12C5A60S2單片機和舵機為核心的經濟實用型智能網球發球器。該網球發球器使用單片機控制技術，采用舵機進行伺服驅動，可以自動調節發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系統總體結構設計

在對網球訓練技術特點和發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為觸發連桿一，是觸發器和頂板的連桿，6為觸發器，該觸發器為定時觸發器，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為觸發連桿二，在觸發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，10為底座。

圖1　本文網球發球器的結構示意圖

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，頂板固定在觸發連桿一上，觸發連桿一固定連接在支架上端的觸發器上。觸發器設置觸發的時間間隔為2～20秒，優選的觸發器時間間隔為10秒，并依靠電池功能，通過觸發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卡球現象，觸發器將通過連桿二定時向上推動，使卡在一起的球落下。

2系統硬件設計

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

觸發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硬件設計的復雜度。觸發器硬件模塊主要包括：控制器模塊、動作觸發模塊、按鍵模塊和顯示模塊。觸發器基本模塊框圖如圖2所示。

圖2　觸發器基本模塊框圖

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行模塊，廣泛地應用在微小系統和航模中，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。可調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球器顯示模塊采用動態顯示方式驅動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。

3系統軟件設計

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系統測試

系統在keil c51和proteus v8.0軟件仿真環境下開發，編程過程中利用軟件仿真調試系統，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。

網球發球器測試電路如圖5所示。

圖5　網球發球器測試電路

網球發球器部分實物圖如圖6所示。

圖6　網球發球器部分實物圖

該智能網球發球器已在我校網球選修課上投入使用，發球的速度、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球器。該網球發球器使用單片機控制技術，采用舵機進行伺服驅動，可以自動調節發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，三門峽職業技術學院教師。