網(wǎng)球發(fā)球機
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1、目錄 第一章 緒 論 - 1 - 1.1引言 - 1 - 1.2國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 - 1 - 1.2.1國外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 - 1 - 1.2.2國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 - 2 - 1.3本文的主要內(nèi)容與課題的意義 - 2 - 1.3.1課題研究的內(nèi)容 - 2 - 1.3.2課題研究的現(xiàn)實意義 - 3 - 1.4小結 - 3 - 2.1網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理 - 4 - 2.1.1網(wǎng)球運行的基本假設 - 4 - 2.1.2描述網(wǎng)球質(zhì)心運動的主要參量及計算公式 - 5 - 2.1.3確定網(wǎng)球運行軌跡的參數(shù)方程組 - 12 - 2.2網(wǎng)球發(fā)球機的工作過
2、程 - 12 - 2.3網(wǎng)球發(fā)球機技術參數(shù) - 12 - 2.4小結 - 13 - 第三章 網(wǎng)球發(fā)球機機械結構設計 - 14 - 3.1網(wǎng)球發(fā)球機的外型結構設計 - 14 - 3.2網(wǎng)球發(fā)球機的內(nèi)部結構設計 - 14 - 3.2.1網(wǎng)球發(fā)球機的儲球箱的設計 - 14 - 3.2.2網(wǎng)球發(fā)球機供球漏斗的設計 - 14 - 3.2.3網(wǎng)球發(fā)球機的擺動系統(tǒng)設計 - 15 - 3.3小結 - 15 - 第四章 網(wǎng)球發(fā)球機控制系統(tǒng)設計 - 15 - 4.1總體設計 - 15 - 4.2網(wǎng)球發(fā)球機硬件電路設計 - 16 - 4. 2. 1 89C51的最小系統(tǒng)設計 - 16 -
3、 4.2.2電機轉速測量電路的設計 - 16 - 4.2.3電機PWM調(diào)制驅(qū)動電路設計 - 17 - 4.2.4鍵盤和液晶顯示電路設計 - 21 - 1.鍵盤的選擇 - 21 - 4.3網(wǎng)球發(fā)球機的軟件設計 - 23 - 4.3.1軟件設計分析 - 23 - 4.3.2 PID控制算法設計 - 24 - 4.4小結 - 25 - 結 論 - 26 - 參 考 文 獻 - 27 - 致 謝 - 28 - 附 錄 - 29 - - 28 - 第一章 緒 論 1.1引言 現(xiàn)代社會,隨著物質(zhì)生活水平的提高,
4、人們越來越重視生命質(zhì)量和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計,運動消費作為一種綠色消費,近幾年來在我國人民日常消費中所占的比例呈持續(xù)增長趨勢??梢灶A見,隨著2008年北京奧運會的臨近,全民性的健身運動熱潮不僅不會減弱,而且將愈演愈烈,健身器材的市場需求也必將隨之不斷擴大。 網(wǎng)球運動近年來傳入我國后,普及迅速,尤其深受廣大青年人的喜愛。但對于初學者來說,要想在短時間內(nèi)很快地提高技術,沒有先進的網(wǎng)球訓練設施是很難實現(xiàn)的。而目前國內(nèi)網(wǎng)球球館的設備仍存在著較大的缺陷,特別是用于發(fā)球的網(wǎng)球發(fā)球機,科技含量較低,價格較高,容易損壞,在一定程度上影響了人們的使用。鑒于此,開發(fā)一種科技含量高、價格低、美觀耐用、大容量的
5、智能網(wǎng)球發(fā)球機具有廣闊的社會效益和經(jīng)濟效益。 本課題研究的題目為“網(wǎng)球發(fā)球機及其控制系統(tǒng)”,主要是利用機械電子相結合的技術,對現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機的結構、控制電路加以改進升級,設計出一種低成本、耐用、美觀且可控的多功能網(wǎng)球發(fā)球機。 這種網(wǎng)球發(fā)球機可容納300個網(wǎng)球,可以人為的將發(fā)球速度控制在60~180公里/小時,且可發(fā)出平擊球、上旋球、下旋球、中場、后場高壓球等,為使用者提供底線、中場、網(wǎng)前等各種訓練,并可自動雙向(左右)發(fā)球,便于單人正、反手跑動訓練或雙人同時訓練,所具備的遙控可為教學、訓練或單人使用帶來極大的方便。并且在設計中兼顧考慮了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手
6、的不同需求,提供了不同技術階段的“多種訓練”和“肌肉一記憶運動”的強化訓練,使學者掌握規(guī)范全面技術的時間大為縮短。 1.2國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 網(wǎng)球發(fā)球機是利用對轉雙輪原理,從兩個夾輪之間將球發(fā)射出去。而兩輪的轉速及左右的偏離是靠兩個直流電機來控制的。這樣就能發(fā)出各種練習者需要的球。 1.2.1國外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 國外網(wǎng)球發(fā)球機的起步較早。它們的主要功能有可發(fā)出上旋球、下旋球、側旋球、直球、高吊球、網(wǎng)前球、后場球、底線球、短截擊球及邊線球等。它既適合普通練習者的需求又能滿足運動員的日常訓練要求。 目前世界生產(chǎn)網(wǎng)球發(fā)球
7、機的廠家比較多,最具有代表意義的是美國TUTOR公司和LOBSTER公司生產(chǎn)的網(wǎng)球發(fā)球機。二者所采用網(wǎng)球發(fā)球原理不同,前者是高性能網(wǎng)球發(fā)球機,它通常是利用兩個高速旋轉的輪子(旋轉方向相反),由于輪子的空間小于球的直徑,當球從滑輪滾入兩輪之間的時候,輪子將球噴出。這種情況和小石頭被打滑的車輪噴出是一個道理,只不過車輪滾石只用到一個輪子。而后者是利用空氣壓縮原理來工作。壓縮空氣使用一個空氣壓縮機產(chǎn)生。球被裝入長桶的底部由一個窄口固定住,這個窄口的直徑略小一些,當壓縮空氣推擠網(wǎng)球穿過窄口的時候,球就被發(fā)射出去了?,F(xiàn)在市面上銷售的網(wǎng)球發(fā)球機多以對轉雙輪原理為主,這是因為空氣壓縮發(fā)球機的噪音極大而且不能
8、提供高的性能,而對轉雙輪發(fā)球機能提供高的性能。同時,空氣壓縮發(fā)球機消耗的功率很大,無法使用電池來供電,其優(yōu)點是價格比較便宜。 美國和德國生產(chǎn)網(wǎng)球公司不僅在發(fā)球機構上有獨到之處而且在控制方面也處于領先地位。他們能夠采用計算機遠程控制,并備有遙控裝置可以同時測速。 1.2.2國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 相對國外而言,國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機的研究才剛剛處于一個起步階段,用于成品的很少。主要有以下幾個典型方面: 1.豐潤牌網(wǎng)球發(fā)球機: 該機型由臺灣豐潤集團生產(chǎn)研制,它利用對轉雙輪原理的特性,借助于輪子和球之間的磨擦力來獲取能量,使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。這個原理和雙輪旋
9、轉發(fā)球原理同出一則。它的優(yōu)點很明顯,即:速度高、易控制、經(jīng)濟實惠。缺點是故障率高、質(zhì)量差。 2.力王牌舉升式網(wǎng)球發(fā)球機 該機是由北京太陽計算機技術公司生產(chǎn)研制的舉升式網(wǎng)球發(fā)球機,升華了科學訓練過程。對初學者和專業(yè)選手均提供了不同技術階層的“多球訓練“和網(wǎng)球運動是“肌肉記憶運動”的強化訓練,使掌握規(guī)范網(wǎng)球技術的時間大大縮短為“一年賽三年”。 舉升式網(wǎng)球發(fā)球機是一種比較先進的網(wǎng)球發(fā)球機。此機可發(fā)出上旋、下旋、平擊球,可仿真模擬網(wǎng)球運動時真實擊出的左側上旋或下旋球,右側上旋或下旋球,更可以仿真發(fā)出落點在發(fā)球區(qū)內(nèi)任意點球的全新功能,提供了網(wǎng)球運動中重要的接發(fā)球技術高難度訓練。在設
10、計理念上采用了電動控制與液壓技術相結合,這樣不僅解決了上下旋轉不好控制等問題,而且增加了發(fā)射的準確性。 1.3本文的主要內(nèi)容與課題的意義 1.3.1課題研究的內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容是對網(wǎng)球發(fā)球機及其控制系統(tǒng)進行總體設計,并對其可行性進行一個初步的論述;對其進行相應分析設計,完成其設計方案;即先對其結構進行設計論述,后對其電路控制進行相應的設計,最終得出結論,說明設計出這臺網(wǎng)球發(fā)球機是完全可行的。 具體內(nèi)容分為以下兩個大部分: 1.網(wǎng)球發(fā)球機的機器總體設計 2.網(wǎng)球發(fā)球機的控制系統(tǒng)設計 1.3.2課題研究的現(xiàn)實意義 網(wǎng)球發(fā)球機及
11、其控制系統(tǒng)是集電子、機械和計算機技術為一體的綜合技術產(chǎn)物。用智能控制取代以往的純強電路控制,可以增加許多性能,更好地適應各種訓練的需要。在控制方面采用單片機控制不僅可以提高發(fā)球的性能,而且能夠降低成本,大大地提高訓練效率。無論從經(jīng)濟觀點或生態(tài)觀點考慮,本網(wǎng)球發(fā)球機的開發(fā)、研究與應用都能極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展。 1.4小結 綜上所述,盡管網(wǎng)球發(fā)球機在我國起步較晚,但對其的研究有很重要的現(xiàn)實意義。體育事業(yè)在我國正在蓬勃發(fā)展,尤其是隨著我國運動員在奧運會中連續(xù)取得佳績,極大地調(diào)動了全國人民投入體育運動的熱情。網(wǎng)球運動的迅速普及,更急需研究開發(fā)一種能夠適應各種訓練場所的器材。正是
12、在這種情況下,研究網(wǎng)球發(fā)球機是極其必要的。 第二章 網(wǎng)球發(fā)球機工作原理及工作過程 2.1網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理 網(wǎng)球發(fā)球機及其控制系統(tǒng)是集電子、機械和計算機技術為一體的綜合技術產(chǎn)物,它具有自動化程度高、靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等多種特性。它的基本工作原理是利用對轉雙輪原理,如圖2.1所示:網(wǎng)球由于受到兩個反向旋轉磨擦輪系的作用可以獲得一定的初速度,而兩輪在兩個支流電機的控制下工作。 圖2.1對轉雙輪原理圖 根據(jù)上圖的原理我們可以看到,當電機旋轉時可以帶動兩個夾輪轉動,同時磨擦網(wǎng)球使網(wǎng)球獲得一定的動能,網(wǎng)球
13、才得以發(fā)射出去。這種原理方案既簡單又實用,它既能保證網(wǎng)球發(fā)射的穩(wěn)定性,又能極好地控制網(wǎng)球發(fā)射的角度及速度,使用戶隨心所欲地練習打網(wǎng)球。 設輪子的角速度為,半徑為R,那么就可以計算出輪子線速度:V=×R 則在瞬時間網(wǎng)球所獲得的速度為V,這就是網(wǎng)球的初速度。因此通過測量輪子的角速度就可以求得網(wǎng)球的初速度。 2.1.1網(wǎng)球運行的基本假設 影響網(wǎng)球在空氣中運行的因素極為復雜。如果同時全部加以考慮,不僅使問題復雜化,而且也使求解困難。在自然科學研究中,對于這樣一類問題,總是在詳細分析主要因素和次要因素的基礎上,引進一些必要的簡化假設,將那些次要因素暫時忽略,抓
14、住主要因素求解,得出問題的主要規(guī)律。然后再對那些次要因素分別加以考慮修正。這樣既可以掌握問題的本質(zhì),使問題簡化;又可以求得與實際情況相符合的結果。 這些假設綜合如下: ①在網(wǎng)球整個運行期間,假設章動角=0 ②網(wǎng)球是軸對稱體。 根據(jù)此二假設的網(wǎng)球運動,可以看作是網(wǎng)球的全部質(zhì)量集中在質(zhì)心的、一個質(zhì)點的運動。 ③地表面為平面; ④重力加速度的大小不變和方向始終鉛直向下。 ⑤科氏加速度為零。也就是對地球旋轉的影響只考慮了包含在重力內(nèi)的慣性離心力的部分。 ⑥氣象條件是標準的,無風雨。 2.1.2描述網(wǎng)球質(zhì)心運動的主要參量及
15、計算公式 要研究網(wǎng)球在空氣中的質(zhì)點運動,首先要明確網(wǎng)球在空氣中的質(zhì)點運動主要用哪些變量來描述。 由于網(wǎng)球運動的基本問題是個平面運動問題,所以要知道網(wǎng)球質(zhì)心在空氣中的運動規(guī)律,必須知道網(wǎng)球離開網(wǎng)球發(fā)球機后任意時間t時的坐標(x, y);若能同時知道t時的網(wǎng)球質(zhì)心運動速度的大小v和方向—網(wǎng)球傾角,就可以確定網(wǎng)球?qū)⒁允裁此俣蕊w向何方。因此如果能夠知道變量t, x, y, v和等五個變量之間的函數(shù)關系,就可以完全解決網(wǎng)球質(zhì)心在空氣中運動的問題。 但是速度矢量的大小和方向,也可以用水平分速u和鉛直分速。或者用水平分速u和網(wǎng)球傾角的正切的等來表示(如圖2.2所示)。因為:
16、 以上所討論的任意一個變量,在理論上,均可以作為自變量來組成網(wǎng)球的質(zhì)心運動方程組。但在實際上,根據(jù)需要,常采用作為自變量的有t, x, y等。 圖2.2描述網(wǎng)球質(zhì)心運動的主要參數(shù) 以時間t為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組:在基本假設下作用于網(wǎng)球的力僅有重力和空氣阻力。據(jù)此可以寫出網(wǎng)球質(zhì)心運動的矢量方程: (2-1) 建立以時間t為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組。 ①在直角坐標系下的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組: 是指將矢量方程(2-1)在直角坐標系二坐標軸上的投影而得的方程組
17、. 首先將矢量方程(2-1)在x軸上投影(如圖2.3所示),得 圖2.3 直角坐標系 由于, 故得: 其次將方程(2-1)在y軸上投影,得: 將 代入,得到 由于坐標x, y對于時間的導數(shù)分別為 故最后得到以t為自變量的直角坐標系的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組如下: (2-2) 積分起始條件為t=0時:
18、 式中第(5)式是個聯(lián)系變量和u、和y的代數(shù)方程,即所謂聯(lián)系方程。 式中帶*號的三個方程是必須同時求解的所謂聯(lián)解方程。因為解積分第(1)方程 時,必須知道其右端的y和是t的什么函數(shù)后,才能積分出來。而要知道y和是t的什么函數(shù),又必須積分第(2)和第(3)個方程。同理,積分第(2)或第(3)個方程時,也必須同時積分出第(1)、第(3)個或第(1)、第(2)個方程。 此方程組是解一般網(wǎng)球質(zhì)心運動的常用方程組。 ②自然坐標系的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組: 所謂自然坐標系的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組是指矢量方
19、程(2-1)在所謂自然坐標軸(即切向和法向)上的投影而得到的方程組(如圖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別為由于阻加日速度矢量ax和重加口速度矢量g在切向上的投影分別為 故得切向加速度dv /dt的方程為: 又由于和在法向上的投影分別為 圖2.4自然坐標系 故得法向加速度的方程為: 或者 將上二方程與確定坐標的兩個方程合并,即得到自然坐標系的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組為:
20、(2-3) 積分的起始條件為t=0時: 帶*號的三個方程為聯(lián)解方程。代數(shù)方程(5)為聯(lián)系方程。 ③以x為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組: 為獲得較方程組(2-2)和(2-3)更為簡單的方程組,以取橫坐標x為自變量較好。 首先根據(jù)復合微分,得到 其次根據(jù) 可以得到 將上二方程(*)、(**)與 和 及聯(lián)系方程 合并
21、,得到形式最為簡單的、以X為自變量的方程組如下: (2-4) 積分的起始條件為X=0時: 這個方程組在時計算方便而準確。但當后,由于變化過速(如)和u值過小(其導數(shù)1/u,尤其是將變化過速),計算難以準確。故本方程組不宜于在時采用。 ④以y為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組: 為了求網(wǎng)球的空中運行軌跡,宜于取縱坐標y為自變量。由復合微分 和 以及聯(lián)系方程 得到以y為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組:
22、 (2-5) 積分的起始條件為 時, ⑤以網(wǎng)球弧長S為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組: 只要將自然坐標系的運動方程組(2-3)的自變量t換為弧長s,即可得到以弧長s為自變量的網(wǎng)球質(zhì)心運動方程組(注意ds = vdt ) (2-6) 積分的起始條件為時: 2.1.3確定網(wǎng)球運行軌跡的參數(shù)方程組 根據(jù)(2-3)公式及其起始條件(t=0時: ,,x=y=0)可以知道:任意時間t時的網(wǎng)球運行諸元v、, x, y一定都是始條件()與包含在方程組(2-3 )內(nèi)的
23、第一式中的網(wǎng)球運行軌跡系數(shù)c和自變量t的函數(shù),即 (2-7) 當 , 給定時,任意點網(wǎng)球運行軌跡的諸元僅由時間t確定。就是說,任意一個時間t,與此相應的網(wǎng)球運行軌跡諸元就可以確定。因而網(wǎng)球的運行軌跡就可以完全確定。 根據(jù)上述網(wǎng)球運行軌跡的這一特性,可以用數(shù)值解法解出這四個參變量和x, y, v和的關系,這里就不再說明。 2.2網(wǎng)球發(fā)球機的工作過程 它的工作過程是網(wǎng)球首先貯藏在儲球箱里,當電源接通后供球漏斗的電機工作帶動供球漏斗旋轉,網(wǎng)球經(jīng)漏斗進入發(fā)球的兩輪之間。此時由于電源接通,兩輪已高速旋轉,將球發(fā)出。供球漏斗有四個漏口,由一個小功率電
24、機帶動旋轉,轉速由開關可調(diào)電源控制,這樣就可以控制單位時間內(nèi)發(fā)出球的個數(shù)。同時兩輪由大功率的直流電機帶動,控制電機的轉速就能控制網(wǎng)球的初速度。兩輪通過固定直板固定在一起,直板又通過一根軸和箱體連接,這樣直板結構就可以隨意旋轉擺動。而練習者需要發(fā)出邊線球時可以按下控制上箱體電源電鈕,這樣上箱體就會左、右擺動到達所需的位置,這樣就可以發(fā)出不同角度的球。 2.3網(wǎng)球發(fā)球機技術參數(shù) 所研究的網(wǎng)球發(fā)球機達到的主要技術性能 外形尺寸 463×320×795 mm 機器重量 25kg 發(fā)球速度 60 ~180km/h 供球個
25、數(shù) 1~10個/s 使用電壓 220v 直流電機的功率 35w 儲球數(shù) 80~90個 可發(fā)出上旋、下旋、平擊球及不同角度球。 2.4小結 本網(wǎng)球發(fā)球機與市場上現(xiàn)有的網(wǎng)球發(fā)球機在工作原理與工作過程有許多的相似之處,其不同之處在于本網(wǎng)球發(fā)球機主要是把機器和人腦的智能結合起來控制網(wǎng)球的速度和旋轉,經(jīng)過計算機的控制,有效地做到了按人的各種運動需求來制定相應的方案,發(fā)出滿足各種需求的球,并力求物美價廉。 第三章 網(wǎng)球發(fā)
26、球機機械結構設計 現(xiàn)在市場上的網(wǎng)球發(fā)球機形式多種多樣,結構也各不相同。根據(jù)發(fā)球的動力等自身的特點,本機保留了一些傳統(tǒng)國內(nèi)、外網(wǎng)球發(fā)球機的結構特點,又有了不同程度的創(chuàng)新[7]。從工作原理和工作過程可以看出,該研究的網(wǎng)球發(fā)球機主要組成部分有供球系統(tǒng)、發(fā)球系統(tǒng)、擺動及旋轉系統(tǒng)三部分。根據(jù)這些部分的功能,本文采取以下設計方案。 3.1網(wǎng)球發(fā)球機的外型結構設計 本文從網(wǎng)球發(fā)球機的實用性出發(fā),為了適應場地風吹雨淋的環(huán)境需要,采用不銹鋼材料,同時它的造價相對較低。 由于本機具有旋轉的功能,因此需要設計成上箱體和下箱體,這樣可以保證發(fā)球機出球的左、右角度。 3.2
27、網(wǎng)球發(fā)球機的內(nèi)部結構設計 3.2.1網(wǎng)球發(fā)球機的儲球箱的設計 該系統(tǒng)的作用是儲存網(wǎng)球并將網(wǎng)球隨時按要求供給發(fā)球系統(tǒng)。它是網(wǎng)球儲存的地方,另外它還應能夠?qū)⒕W(wǎng)球順利輸送給供球漏斗,不能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象的作用。基于這種功能需要,在設計儲球箱低蓋時就不能設計成平面結構[8]。我們采用把它設計成與水平成5°角的圓錐形,這樣就解決了卡死的問題。該系統(tǒng)主要由儲球箱、供球漏斗(具有旋轉功能)、導向槽等組成。 3.2.2網(wǎng)球發(fā)球機供球漏斗的設計 它是把網(wǎng)球輸送給發(fā)球系統(tǒng)的關鍵裝置。為了需要我們把它設計成四個開口,這個漏斗由小功率直流電機帶動可以旋轉。同時出
28、球口處安裝一個導向槽,使球能到達指定地點,如圖3.1所示。 圖3.1 供求漏斗示意圖 3.2.3網(wǎng)球發(fā)球機的擺動系統(tǒng)設計 這部分所起的作用就是將上箱體帶動旋轉,使網(wǎng)球獲得一定偏角,從而發(fā)出邊線球等。根據(jù)其所起的作用以及上箱體結構特點,我們將它設計成如圖3.2所示結構。 圖3.2 擺動系統(tǒng)工作原理圖 3.3小結 本章對網(wǎng)球發(fā)球機的設計原理及整體結構作了一個
29、總體的說明,對其相應部分所具有的功能也作了一個詳細的介紹,并對該機器的實際問題提出了具體設計方案。這將對網(wǎng)球發(fā)球機的制造和這方面工作的開展大有好處。 第四章 網(wǎng)球發(fā)球機控制系統(tǒng)設計 4.1總體設計 本網(wǎng)球發(fā)球控制器以美國ATMEL公司的8位單片機89C51為核心微處理器[1],外圍擴展看門狗復位電路、鍵盤和液晶顯示電路、電機轉速測量電路、PWM調(diào)制輸出電路。單片機通過對傳感器出來的轉速信號進行分析,計算出與給定轉速的誤差值,啟動軟件PID算法調(diào)節(jié)器,產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)PWM調(diào)制電路送給直流電機,通過對直流電機的控制實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。通過鍵盤可以設定發(fā)球速度
30、和方向,液晶顯示器可以實時監(jiān)控發(fā)球機當前狀態(tài)。系統(tǒng)總體框圖如圖4.l所示。 89C51 核心處理芯片 鍵盤 和 液晶 顯示 時鐘 鐘 看門狗 復位電路 轉速測量 轉速 PWM調(diào)制 輸出電路 直流電機 圖4.1智能網(wǎng)球發(fā)球機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 4.2網(wǎng)球發(fā)球機硬件電路設計 4. 2. 1 89C51的最小系統(tǒng)設計 本系統(tǒng)選擇Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51[5],該單片機是面向8位CPU,與INTER80C31完全兼容,主要內(nèi)部資源有:4K的Flash程序存儲器:128字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器:一個全雙工的異步
31、串行口;五個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制器、時鐘電路,時鐘頻率1. 2MHZ~12MHZ。本系統(tǒng)考慮傳感器接口、伺服電機控制接口及顯示和鍵盤等接口,需要擴展工I/O口。 89C51的內(nèi)部資源有:256字節(jié)的RAM, 4K的ROM。因為數(shù)據(jù)存儲器資源不夠用,我們用一片6116L來擴展。單一+5V電源,額定功率160mW,典型存取時間為200, 24先雙列直插式封裝,它有11位地址線,89C51的P0口輸出低8位地址,鎖存在74LS373中,還有三位地址直接和P 2.0~P2.2相連。 幾乎所有的單片機都需要復位電路[12],對復位電路的基本要求是:在單片機上電勢能可靠復位
32、.另外,單片機系統(tǒng)在工作時,由于干擾等各種因素的影響,有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象,導致單片機系統(tǒng)無法正常工作,為了克服這一現(xiàn)象,要充分利用單片機本身的看門狗定時器(有些單片機無看門狗定時器)。除此以外,有些單片機系統(tǒng)還要求在掉電瞬間,單片機能將重要數(shù)據(jù)保存下來,因為掉電的發(fā)生總是很隨機的,因而此類單片機系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路,在掉電剛發(fā)生時能告知單片機。 4.2.2電機轉速測量電路的設計 傳感器[13]是一種感受被測量并按一定規(guī)律將其非電量轉換成電量輸出的器件。在微機控制系統(tǒng)中使用的傳感器一般都是將被測量的模擬量轉化成電量或電參數(shù)(電流、電壓、電阻、電感、電容等)。因為是對轉速的采集,
33、在此我們采用了反射光禍作為轉速檢測傳感器。并且利用轉速采樣電路對電機的速度進行采樣檢測。 轉速采樣電路前向通道主要是信號的輸入。輸入的信號有兩種:一種是隨時間連續(xù)變化的物理量(模擬量),另一種是兩態(tài)開關的數(shù)字信息。在前向通道主要是電動機速度的采集。轉速采樣電路如圖4.2所示。轉速采樣電路決定了系統(tǒng)轉速的控制精度。為了保證精度,我們采用反射式光藕[14]作為轉速檢測傳感器。通過軟件實現(xiàn)M/T法測量轉速,達到了較高的精度。M/T法是指同時測量檢測時間和時間內(nèi)轉速脈沖信號個數(shù)來確定速度。圖4.2為光藕安裝示意和信號處理電路,使用中將光藕安裝在長方形電路板上,固定在電機軸的一端,將發(fā)射接收端對正并接
34、近電機軸的端面,電機軸的該端面用黑白顏色各涂一半,以便于光藕采集電機的轉速。電機每轉一圈,在黑白截面切換時光藕產(chǎn)生一個窄脈沖,該脈沖通過編碼器CX20106處理后輸出規(guī)則的反映轉速的方波信號,供單片機進行處理。轉速具體測量由單片機內(nèi)部的兩個16位定時器來完成,用T0記錄0.1秒時間內(nèi)采樣脈沖N,保證了測量時間的起始時刻與被測信號的脈沖的上升沿同步。T1記錄0.1秒結束時刻到被測信號下一個脈沖上升沿之間的時間T,單片機的晶振頻率為12MHZ,則T1記數(shù)脈沖周期為lus,被測信號N個完整周期對應的時間為T= (0.1+T)秒,則脈沖頻率為:F=N/T (HZ ),由于一個圓周內(nèi)只分布一個白色標記,
35、電機轉動一周產(chǎn)生一個脈沖信號,則電機轉速N=60F=60N。 U1 OPTOISO2 R1 47 TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 1 RESET VCC GND U? 555 R2 12K R3 12K C3 3300pF C4 0.1uF 1 2 3 4 5 6 7 8 J? CON8 R5 56 C6 ?uF C5 22uF/50V C7 1.0uF R? 1K C? 0.
36、01uF C? 0.01uF C2 0.01uF C1 470uF/10V R4 470 R? 1K VCC 圖4.2轉速采樣電路圖 4.2.3電機PWM調(diào)制驅(qū)動電路設計 1.電機的選擇 執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉換裝置,它能在控制裝置的控制下,將輸入的各種形式的能量轉換成機械能。在網(wǎng)球發(fā)球機這個系統(tǒng)中我們選電機為執(zhí)行元件。在本系統(tǒng)的設計中,因為我們要控制發(fā)球的角度,所以選擇步進電機。又要控制發(fā)球的速度,所以我們選擇直流電機, 因為直流電機具有響應迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負載能力大、控制特性優(yōu)良并
37、且價格合理等優(yōu)點,所以我們在這里選用直流電機[10]。 2. PWM對直流電機的控制原理 直流伺服電機的控制方式主要有兩種[4]:一種是電樞電壓控制,即在定子磁場不便的情況下,通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電機的轉速和輸出轉矩;另一種是勵磁磁場控制,即通過變勵磁電流的大小來改變定子磁場強度,從而控制電機的轉速和輸出轉矩。 本系統(tǒng)中采用永磁式直流伺服電機,因而只能采用具有恒轉矩調(diào)速特點的電樞電壓控制方式,這于伺服系統(tǒng)的負載也是吻合的。通過電樞電壓來控制輸出速度??刂菩盘栍捎嬎銠C控制系統(tǒng)給定,通過接口和功放電路驅(qū)動直流伺服電機。當然對電動機的控制離不開半導體功率器
38、件。因為本文設計的控制系統(tǒng)屬于中、小功率范疇,所以我們選擇場效應管就可以達到最好的效果。 絕大多數(shù)直流電動機采用開關驅(qū)動方式。開關驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài),通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機的電樞電壓。 圖4.3是利用開關管對電機進行PWM調(diào)速控制的原理和輸入輸出電壓波形。當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時,開關管導通,支流電動機電樞繞組,兩端有電壓Us。T1秒后,柵極輸入變?yōu)榈碗娖?,開關管截止,電動機電樞兩端電壓為0。T2秒后,柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關管動作重復前面的過程。這樣,對應著輸入的電平高低,直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖b所示。電動機的
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