基于單片機控制的體育館球類自助借還裝置的研究

陳林+談佳欣+成宇

【摘 要】球類器材是體育館常見的、借出與歸還的頻率較高運動器材。目前體育館球類器材借還的流程復雜，費時費力，給借球者、管理者帶來了不便。本文提出了一種新型體育館球類自助借還裝置，包括還球機構、儲球機構、借球機構、動作機構、控制單元，實現了籃球、足球、排球的自助借還，簡化了借還球流程，提高了借還球的效率，提升用戶使用體驗，降低了人力管理成本，具有廣泛的推廣應用前景。

【關鍵詞】球類借還一體機；機電一體化；人機交互技術

目前大學校園里每天都有體育活動，在學校里沒有球類運動器材的同學也可以向學校管理人員借用球類，然而通過專門的管理人員來管理這些球以防止丟失，這樣的管理方式費時費力。本體育館球類自助借還裝置可以實現球類的自助借還，減少管理成本。當然也可以在社區、大型公司中使用，以此來增強員工的身體素質，排解工作壓力。

1.系統結構組成

基于單片機控制的體育館球類自助借還裝置由箱體、控制系統、借球系統、還球系統、運球系統組成。控制系統由顯示屏、單片機、計數傳感器、位置檢測傳感器組成；借球系統由出球軌道、防彈細桿、出球擋板、控制出球擋板的步進電機、出球口、出球箱組成；還球系統由還球口、還球軌道、還球擋板、控制還球擋板的步進電機組成；運球系統由儲球管、儲球管彈簧結構、步進電機、絲桿、絲桿支撐座、限位擋板組成。

箱體由6塊板組成，構成機器的外殼，如圖2所示。控制系統的顯示屏設置在箱體的右上部，供使用者操作和查看信息，且顯示屏下方設置有IC卡閱讀器；單片機設置在箱體的內部，控制整個機器；計數傳感器設置在儲球管入口，計算儲球量；位置檢測傳感器設置在運球系統儲球管的上下運動極限位置，可以判斷儲球管的位置，以執行不同動作。如圖2和圖1所示，借球系統的出球軌道由支撐桿支撐，且從右至左設有兩級傾斜軌道，一級傾斜軌道傾斜程度小，既有導軌的作用，也有儲球的作用，二級斜軌道傾斜程度大，只有導軌的作用，便于球類的快速滾出；防彈細桿、出球擋板和控制出球擋板的步進電機安裝在出球軌道的一級、二級軌道結合處，可以控制球的滾出；出球口設置在出球軌道的左部最末端；出球箱設置在出球口的下面，安裝在箱體外殼上。如圖2和圖1所示，還球系統的還球口設置在箱體的左上部，靠近顯示屏；還球軌道由支撐桿支撐，且從左至右設有兩級傾斜軌道，一級傾斜軌道最左端設置在還球口處，且傾斜程度大，起到導軌的作用，便于球類的快速滾入，二級斜軌道傾斜程度小，既有導軌的作用，也有儲球的作用。如圖4所示，運球系統的儲球管設置在儲球管彈簧結構上，儲球管彈簧結構安裝在絲桿上，絲桿安裝在絲桿支撐座，步進電機安裝在絲桿支撐座上，驅動絲桿，從而帶動儲球管上下移動；限位擋板設置在出球軌道的最高端，由步進電機驅動絲桿，從而帶動擋球板上下。

2.工作過程

現結合系統結構詳細闡述工作過程。借球過程：當使用者需要借用球類時，將IC卡放置在顯示屏下方的IC卡閱讀器上，IC卡感應器確認個人信息后，用戶可點擊顯示屏上的借球按鈕，控制系統發送指令給驅動出球擋板處的步進電機，該步進電機帶動出球擋板下降，處于待借出位置的球沿儲球軌道下落，經過出球口，進入出球箱，同時，后續的球會在重力的作用下向前滾動，驅動出球擋板處的步進電機再次運轉，擋板隨之上升擋住后續的球滾入出球箱。隨后顯示屏顯示“借球成功”，使用者便可借走球，進行運動鍛煉。借球信息記錄至IC卡里。還球過程：當使用者完成運動，需要歸還球類時，用戶刷完IC卡，在顯示屏上點擊還球按鈕，同時用戶將球放入還球口。球類利用重力沿著還球軌道滑到底部，進入儲球管道，在儲球軌道入口安裝的計數傳感器進行計數，統計儲球管現有儲球量，儲球好后，顯示屏上顯示“還球成功”。運球過程：當儲球管儲存一定數量的球類后，儲球管入口的計數傳感器將計數信號發送給控制系統，控制系統發出指令，控制驅動還球擋板的步進電機運轉，帶動還球口和儲球管間的還球擋板運轉，阻止后續歸還的球類進入儲球管道，控制系統繼續發出指令，控制驅動儲球管的步進電機帶動絲杠旋轉，從而帶動儲球管道上升，儲球管道上升至出球軌道最高端時，位置檢測傳感器檢測到信號，步進電機停止運轉，儲球管停止上升，并和還球軌道對接，在還球軌道設置有一段限位擋板，使儲球管的進球端限制上升，彈簧受壓縮，而另一封閉端會被翹起，球在重力作用下向儲球管進球端滾動，滾出儲球管，進入出球軌道一級傾斜軌道，由出球擋板擋住球類并儲存，等待使用者借用。

3.結論

本產品在學校體育館的試驗效果理想，問卷調查顯示，同學們認為體育館球類自助借還裝置為同學們參與體育活動提供了極大的便利，增加了同學們的運動積極性。本裝置自主創新了利用重力設計的借球系統和還球系統，研發了巧妙的運球系統，提高了球類管理效率；并采用了相關領域的成熟技術和部件來優化了人機交互體驗，便于青少年中老年人操作。

隨著生活水平日益增長，國民健康意識提高，體育用品的市場前景變得更加廣闊，體育館球類自助借還裝置將會帶來良好的社會效益。

作者簡介：

陳林：（1996.03-），男，湖南常德人，上海電機學院機械電子工程專業14級本科生。

談佳欣：（1996.08-）， 男，上海人，上海電機學院機械電子工程專業15級本科生。

成宇：（1997.03-），男，貴州都勻人，上海電機學院機械電子工程專業15級本科生。

張啟航：（1996.06-），男，云南曲靖人，上海電機學院機械電子工程專業15級本科生。

鐘力：（1963.03-），女，遼寧開原人，上海電機學院機械機械學院教師。endprint