李紅巖+侯媛彬+朱軍飛

摘 要：為了使練習(xí)者能更好地練習(xí)乒乓球技術(shù)，達(dá)到更好的健身和訓(xùn)練目的，根據(jù)乒乓球的特點(diǎn)，從總體上設(shè)計(jì)了一種新型乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)，并針對(duì)傳統(tǒng)乒乓球發(fā)球機(jī)在價(jià)格和可攜帶性方面受限的缺點(diǎn)，提出采用正交步進(jìn)電機(jī)對(duì)乒乓球落點(diǎn)進(jìn)行控制的方法，同時(shí)以ARM7-LPC2132為控制器、12854液晶屏為顯示模塊為人機(jī)交互界面搭建了一個(gè)遙控系統(tǒng)硬件平臺(tái)。該平臺(tái)以28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)作為步法訓(xùn)練系統(tǒng)的關(guān)節(jié)連接件來設(shè)計(jì)九宮格乒乓球落點(diǎn)區(qū)域，模擬乒乓球落點(diǎn)的斜線運(yùn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)程序軟件則采用C語言編寫。該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)乒乓球步法的預(yù)定功能。該系統(tǒng)的無線遙控距離可以達(dá)到50米，而且通信效果穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：步法訓(xùn)練；LPC2132；步進(jìn)電機(jī)；RF

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

隨著我國社會(huì)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的日漸提高，大家對(duì)精神生活的追求也越來越重視。因此，乒乓球作為一項(xiàng)文明的運(yùn)動(dòng)越來越受到人們的青睞。在我國，乒乓球作為國球，更加受到廣大人民群眾的歡迎。

目前，國內(nèi)外市場(chǎng)上還沒有嚴(yán)格意義上的乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)，只有乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)。乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)可發(fā)出各種性質(zhì)的球，既可用于娛樂健身，又適用于專業(yè)訓(xùn)練，性能比較高。在六、七十年代的時(shí)候，歐洲制造出了乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)，它的基本動(dòng)作原理是通過固定的機(jī)械設(shè)備，按照乒乓球技術(shù)訓(xùn)練層次的不同要求，將乒乓球不斷地發(fā)射出來。乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)發(fā)射出的球，比人的速度更快，旋轉(zhuǎn)更強(qiáng)，而且力量更大。目前，整個(gè)國際市場(chǎng)銷售的乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)，按照出球方式的不同大體可以分為三類：一類是錘擊式的發(fā)球機(jī)，一類是壓氣式的發(fā)球機(jī)，另一類是輪式發(fā)球機(jī)。按照控制類型的不同則可以分為兩類：一類是半自動(dòng)式發(fā)球機(jī)，一類是全自動(dòng)式發(fā)球機(jī)。

總體來說，目前市場(chǎng)上的乒乓球發(fā)球機(jī)種類非常繁雜，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是在價(jià)格方面很難達(dá)到絕大多數(shù)乒乓球愛好者的消費(fèi)水準(zhǔn)，一臺(tái)普通的乒乓球發(fā)球機(jī)的價(jià)格都在三千元左右。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)性價(jià)比高而又價(jià)格低廉的乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

本設(shè)計(jì)以LPC2132芯片為控制核心，通過對(duì)兩臺(tái)減速步進(jìn)電機(jī)的角度控制，來達(dá)到激光發(fā)生器射到乒乓球全臺(tái)各個(gè)區(qū)域的效果，可以為乒乓球愛好者打下堅(jiān)實(shí)的步法基礎(chǔ)。該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)具有市場(chǎng)潛力的創(chuàng)新。

1 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要是通過ARM控制器來控制兩個(gè)減速步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以達(dá)到激光發(fā)射器可以發(fā)射到乒乓球全臺(tái)各個(gè)區(qū)域的效果，而減速步進(jìn)電機(jī)就是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制激光發(fā)射器發(fā)射落點(diǎn)的左右偏移角度，通過控制步進(jìn)電機(jī)2的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可以確定激光發(fā)射器發(fā)射落點(diǎn)的長(zhǎng)短。激光發(fā)射器則以步進(jìn)電機(jī)2的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止作為基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)斷電和供電，只有當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)指定角度，激光發(fā)射器才會(huì)發(fā)射紅光，從而可以達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的效果圖如圖1所示。

圖1 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)效果圖

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)階段訓(xùn)練系統(tǒng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)身采用亞克力玻璃板在銑床上銑出的圓型薄片聯(lián)接而成，X-Y軸的驅(qū)動(dòng)選用28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，整機(jī)用相機(jī)三角架固定。

2 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：外圍模塊、電源模塊、EasyARM2132開發(fā)板、減速步進(jìn)電機(jī)、L298N步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、激光發(fā)射器、液晶顯示模塊、紅外遙控模塊等。其硬件框圖如圖2所示。

圖2 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 核心控制器與系統(tǒng)電源

控制器采用飛利浦LPC2132芯片。LPC2132 是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，它帶有64 KB 的嵌入式高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，并具有多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)10位8路ADC、2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器、PWM通道和47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。

為了保證系統(tǒng)的續(xù)航能力，供電采用ACE30C 5 200 mAh 7.4 V鋰航模電池，使用穩(wěn)壓模塊LM7805和AS1117分別給步進(jìn)電機(jī)和主控芯片進(jìn)行供電。

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選取及控制方法

本文以減速步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)訓(xùn)練器的關(guān)節(jié)鏈接件，步進(jìn)電機(jī)就是能夠?qū)㈦娒}沖很快轉(zhuǎn)化為角位移的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來按照設(shè)定好的方向而轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，稱之為步進(jìn)角。我們可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而使系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)為四相八拍的步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源進(jìn)行供電。只要我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組按照合適的時(shí)序來通電，就可以使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)。這里采用L298N集成驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)該步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L298N步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的系統(tǒng)原理如圖3所示。

該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的具體參數(shù)如下：

（1）驅(qū)動(dòng)芯片：L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

（2）驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍Vs：+5 V～+35 V；如需要板內(nèi)取電，則供電范圍Vs：+7 V～+35 V。

（3）驅(qū)動(dòng)部分峰值電流Io：2 A。

（4）邏輯部分端子供電范圍Vss：+5 V～+7 V。

（5）邏輯部分的工作電流范圍為：0～36 mA。

（6）控制信號(hào)輸入電壓范圍：

低電平：-0.3 V≤Vin≤1.5 V

高電平：2.3 V≤Vin≤Vss

（7）使能信號(hào)輸入電壓范圍：

低電平：-0.3 V≤Vin≤1.5 V （控制信號(hào)無效）

高電平：2.3 V≤Vin≤Vss （控制信號(hào)有效）

3.3 乒乓球落點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法

本步法訓(xùn)練系統(tǒng)的無線控制是通過激光發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)的。激光發(fā)生器的作用是為了將電能轉(zhuǎn)為光能。由圖4所示。激光發(fā)生器是由真空泵、輸出鏡、諧振腔、循環(huán)泵、熱交換器以及反射鏡等幾部分共同組成的。諧振腔也被稱為等離子管，被抽成近似真空的諧振腔里充滿了CO2以及輔助的氣體He與N2，混合氣體就在循環(huán)泵的作用之下周而復(fù)始循環(huán)著。給位于諧振腔內(nèi)的電極加20 000 V的直流電壓，則該電壓就提供幾十毫安的直流電流。這樣在放電的時(shí)候，諧振腔內(nèi)混合氣體中的N2分子由于受到了電子的撞擊從而被激發(fā)了起來，受到激發(fā)了的N2分子便會(huì)和CO2分子產(chǎn)生碰撞，N2分子就會(huì)把自己的能量傳遞給CO2分子，而CO2分子在從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的時(shí)候就會(huì)釋放出光子，由于諧振腔內(nèi)反射鏡與輸出鏡共同作用，光子又將能量傳遞給更多的CO2分子，從而使CO2分子的低能級(jí)躍遷很快進(jìn)入到群發(fā)的狀態(tài)，將會(huì)釋放出更多的光子，形成了激光。最后，25%的激光經(jīng)輸出鏡進(jìn)到光路系統(tǒng)而形成激光燈。

圖4 激光器內(nèi)部構(gòu)造圖

本設(shè)計(jì)選用的激光發(fā)生器為3 V電壓，紅線接正極，藍(lán)線接負(fù)極，通過ARM控制板可對(duì)其直接進(jìn)行供電。

3.4 遙控電路

紅外遙控接收頭的型號(hào)為CZS-10，采用LC振蕩電路，內(nèi)含放大整形，輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)為TTL電平，可直接至解碼器，使用極為方便，性價(jià)比較高。接收頭有較寬的接收帶寬，一般為±10 MHz，出廠時(shí)一般調(diào)在315 MHz。接收頭一般采用DC 5 V供電，如有特殊要求也可調(diào)整電壓，電壓的調(diào)整范圍為3～8 V。接收頭的頻率一般是315 MHz，如有特殊要求也可調(diào)整頻率，頻率的調(diào)整范圍為100 MHz～500 MHz。

紅外遙控接收模塊CZS-10的具體參數(shù)如下：

工作電壓：DC 5 V

工作頻率：315 MHz、433.92 MHz

工作電流：4.5 mA

接收靈敏度：-103 dBm

編碼方式：焊盤編碼（固定碼）

工作方式：M8（點(diǎn)動(dòng)）、L8（互鎖）、T8（自鎖）

調(diào)制方式：調(diào)幅（OOK）

工作溫度：-10 ℃～+70 ℃

尺寸：58 mm×25 mm×7 mm

4 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要使用C語言編寫，并在Keil uVision4 開發(fā)環(huán)境下編譯調(diào)試完成。

各功能模塊的程序由主程序及若干子程序組成，主程序包括GPIO口的定義初始化和顯示器配置程序。系統(tǒng)程序主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、按鍵掃描子程序、顯示子程序等構(gòu)成。乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5示。

圖5 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的主程序流程圖

該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)物如圖6所示。

圖6 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié) 語

本文主要完成了乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。系統(tǒng)硬件部分主要完成步法訓(xùn)練器的外形設(shè)計(jì)、電源模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊的設(shè)計(jì)制作。系統(tǒng)軟件部分以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能為目的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期規(guī)劃的功能，能夠良好地模擬真實(shí)乒乓球落點(diǎn)的變化，且能夠通過遙控器對(duì)落點(diǎn)進(jìn)行無線點(diǎn)動(dòng)控制，無線控制距離能夠達(dá)到30米，而且穩(wěn)定可靠。該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)控制算法簡(jiǎn)單，成本較低，速度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行較穩(wěn)定，追隨性能好，程序具有一定的通用性。

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