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毕业设计论文网球发球机设计论文

1前言

1.1选题背景

随着网球运动的发展，网球发球机应运而生。

据调查，近年来国内的网球发球机市场基本处于空白状态，基本上都是在销售国外的产品。

从《自动发球控制系统》[3]一文中了解到：

相比我国，国外发球机的发展已有一定规模，功能也比较齐全，但价格一直居高不下，所以需要设计一种适用于平时的训练的简易实用的网球发球机。

目前，在市场上主流的网球发球机是靠两个轮子的相对旋转时挤压网球将网球打出。

因为这样发球能提供更高的性能，对球的控制比较准确。

同时，一般网球机都有先进的微电脑自动控制技术，能够实现可远程控制发球，在全场和半场任意调整发球。

所以，本文也采用这种双轮摩擦发球方式，同时采用单片机实现对网球机的控制。

随着大规模集成电路的发展，单片机技术也越来越成熟，现已应用在各种控制领域。

相对于微机而言，单片机的性价比较高，非常适合应用在简单的控制场合；同时，它还有集成度高、体积小，可靠性高与抗干扰能力强等优点。

在强磁场环境下，易于采取屏蔽措施，可以在恶劣环境下正常工作；控制功能强，功耗很低；系统扩展和系统配置有一定规范，所以容易构成各种规模的应用系统。

本设计采用的AT89S52单片机是一种低功耗、高性能并且系统内含有8KB可编程Flash存储器的8位CMOS微处理器。

1.2设计内容

网球发球机的设计内容包括两大部分：

机械机构和电路控制。

机械机构是发球机的主要部分，它构成网球发球机的骨架。

机械部分最主要的是发球机构，包括它发球的原理、对发球力度的控制以及如何更接近的模拟人的动作等等。

另外，还要一些辅助机构调节发球高度、发球角度及发球频率等。

机械机构是抛出网球的直接执行机构。

第二部分是电气控制部分。

电气控制部分通过各种电路来实现对机械的各个机构的协调控制，使发球机能随意的调节发球速度、发球频率、发球高度及摆动角度，从而满足不同水平的练习者的要求。

两大主要部分有机统一的构成一个完整的网球发球机。

2总体方案设计

网球发球机从整体上包括机械部分设计和电路部分设计，下面先叙述一下总体的设计方案。

2.1机械机构总体方案

设计的网球发球机要完成模拟人工发球的任务，应能产生连续的多角度、多速度球路变化。

网球发球机的各个功能组成如下图2-1所示。

图2-1网球发球机的主要组成

机械机构可看作由四大部分组成：

储球机构、发球机构、高度调整机构和角度调整机构。

网球发球机的工作原理：

在储球机构中，储球筐用来盛放若干数量的网球，网球经过开有四个与网球差不多大孔的下球盘，进入球轨道。

其中，下球盘的转动要靠直流电机来带动，这样就可以通过调节直流电机转动的快慢来调整出球的频率了；发球机构的原理是通过两个直流电机带动两个摩擦轮转动，两个摩擦轮之间的间距略小于网球的直径，当球进入发球机构时，在摩擦力的带动下，球将被发射出去。

发球高度调整机构可以实现发球机发出不同高度的球的功能，其工作过程是：

交

流发球机带动曲柄摇杆转动，曲柄带动摇杆摆动，摇杆的摆动使固定在支撑板上的两个摩擦轮在竖直平面内的一定角度内摆动，从而实现高度的调节。

角度调整结构，同样的通过交流电机在曲柄摇杆的作用下，带动整个上箱体在相对于下箱体在一定角度内摆动，可以使网球机发出的网球落入对方场地的不同位置。

2.2电气控制总体方案

电气控制采用AT89S52单片机控制，单片机通过锁存器74LS373接6264，以扩展数据存储器；通过P2口接3-8译码器74LS138，选通6264、8255等芯片。

通过P0口输出数字信号到D/A转换器DAC0832，转换输出模拟信号以控制电压，从而调节电机的转速。

通过8255扩展并行接口，输出信号通过光电耦合控制继电器从而控制交流电机的启停，实现发球高度及角度的调节。

另一方向上，通过控制8279实现键盘显示器的控制。

在P1口接上控制按钮，用于设置网球发球机的参数；将用于接收红外遥控信号的机电一体化接收头接在单片机的中断口。

具体的组成如图2-2所示。

图2-2电路系统组成

3网球发球机机械部分设计

机械部分的设计包括储球机构设计、发球机构设计以及发球角度、高度调整机构的设计。

3.1储球机构

储球机构包括储球筐、下球盘及带动下球盘直流电机。

球筐下面是由直流电机带动的下球盘，下球盘与输送管相连。

将若干网球放到球筐中后，当下球盘上的下球孔转到与输送管重合时，网球就顺着输送管落到发球机构中。

整体的结构示意图如下图3-1所示。

图3-1储球机构设计

球筐四周由铁皮焊接而成，底面制作成斜坡的形状，这样网球就能顺着斜坡滚入到下球盘中。

在应用中，也可以用类似的东西代替铁皮。

具体结构如下图3-2所示。

由直流电机带动的下球盘，是用来控制发球频率的结构。

下球盘被分为四个格子，中间有肋板隔开。

在下球盘的下方下面有一个输送管，每当下球盘转到有一个下球孔与下面的输送管重合时，球就会落下。

然后球会顺着输送管到达发球机构。

下球孔及输送管的直径都应比网球的直径略大，取Φ70mm。

为了防止一个格子同时落入两个球，在正对输送管的下球盘的上方加一个固定的拨球片。

下球盘结构示意图如图3-3所示。

图3-2球筐图3-3下球盘

网球机的发球频率一般是2S/球～8S/球，因为拨盘上有四个下球口，换算成转速是7.5r/min～1.875r/min，经过筛选，选用内含减速装置的微型直流减速电动机：

J55SZ-PX电机。

它所配的电源采用脉宽调制技术。

PWM控制方法能提供较高的精度并且噪音较小，同时具有先进的短路保护功能，能输出0～220伏连续可调的直流稳压电源，使电动机转速实现无级变速[6]。

电动机主要参数为：

功率：

30w

转速：

10r/min

工作电压：

24V

3.2发球机构

本设计的发球机构采用的是双轮摩擦的结构，即双轮对滚，通过两轮的摩擦力将球发射出去。

示意图如图下3-4所示。

当两轮的转速相同时网球不发生旋转，且其线速度与摩擦轮线速度相同；当上轮的转速大于下轮的速度时，网球下旋，且其线速度与下轮的线速度相同。

反之，网球上旋，且其线速度与上轮的线速度相同。

通过调整控制两摩擦轮的直流电机的转速，就可以实现使网球机发出不同旋转的球的功能。

摩擦轮的材料采用硬脂塑料，其表面涂有一层1毫米厚的硅胶，这样可以增加摩擦轮与球之间的摩擦。

将摩擦轮设计成高40mm、直径160mm的短圆柱形滚子。

圆柱面上根据网球与摩擦轮接触的轮廓设计成圆弧曲面，使发球机能将网球按照固定的方向发射出去，示意图如下图3-5所示。

图3-4双轮发球原理示意图图3-5摩擦轮示意图

因为发球速度跟摩擦轮的速度有关，这里带动两个摩擦轮转动的电机选用调速性能良好的直流电机。

为了满足不同水平练习者的需要，发球速度设计可在80km/h～120km/h中调节，网球的发球速度球即摩擦轮的线速度为v，摩擦轮的半径r是80mm，摩擦轮的角速度为w，转速为n，计算过程如下：

W=v/r=（80～120）/（80×60）=（1.67～2.5）×104（rad/min）（3-1）

N=w/2π=（1.67～2.5）×104/（2×3.14）≈2630～3980（r/min）（3-2）

可知，摩擦轮转速的范围是2630～3980r/min，因为是直接带动摩擦轮，功率要求不高，选用小功率低转矩的电机即可。

经筛选采用SZ系列的微型直流伺服电动机中的55SZ60电机。

电机的主要参数如下：

功率：

29w

工作电压：

48V

转速：

4200（rad/min）

3.3发球角度、高度调整机构

3.3.1曲柄摇杆机构的设计

（1）摇杆机构摆动角度范围的确定。

网球运动场地的形状如下图3-6所示，本次设计要完成网球发球机模拟人工发球的任务。

首先，先设定发球的位置在端线处的中间位置。

然后，计算网球发球机需要转动的角度：

tanθ=5485/23775=0.23（3-3）

θ=arctan0.23≈13°（3-4）

图3-6网球运动场示意图

由上计算得知，网球发球机水平面内转动的角度应为26°。

由此，曲柄摇杆机构中的摇杆应能在26°之内摆动。

高度的调节与水平调节所采用的原理一样，选定摆角的范围同为26°。

因为摆杆的极位夹角应大于1/2的摆角，所以选取极位夹角θ为15°，选定摇杆CD的长度为200mm。

（2）摇杆尺寸的确定。

根据《机械原理》[8]上讲的图解法计算出曲柄摇杆机构的各个摇杆的长度。

计算如下：

首先，任选转动副D的位置，并按CD的长度和摆动角度26°做出摇杆的两个极限位置DC1和DC2。

然后，作∠C1C2O=∠C2C1O=90°-θ，得到C1O和C2O的交点O。

以O为圆心和OC1为半径作圆，则圆上任一点均可作为固定铰链中心A。

选定与D在同一水平面的一点为A点。

如下图3-7所示。

图3-7曲柄摇杆机构图解法示意图

设AB长度为a，BC长度为b，CD的长度为c,AD的长度为d,在图中量出AC1和AC2的长度，根据图中所示的关系有：

a+b=AC2（3-5）

b-a=AC1（3-6）

由此可算出a和b的长度，另外，d的长度可测量出来。

最后得出曲柄摇杆的长度分别是:

a=30（mm）

b=260（mm）

c=200（mm）

d=171（mm）

曲柄摇杆机构各个摇杆的尺寸已算出。

（3）电动机型号的选取。

电动机带动曲柄做圆周运动，因此对其对转速和功率的要求都很低。

由此选一个低转速、低功率的交流电机即可。

本设计在《济南欧特机电手册中》选了一个90W的K系列感应式电动机6IK90GN-C。

电动机的主要参数：

工作电压：

220V

工作频率：

50Hz

转速：

1300/1600r/min

这个系列的电动机自带减速箱，减速之后的转速是50/60r/min。

3.3.2发球高度调整结构

（1）发球高度调整机构的总体结构。

高度调整机构与发球机构相连接，通过一根轴实现。

具体结构的示意图如图3-8所示：

发球机构中的两个摩擦轮及带动它们的电机都固定在一块支撑板上。

这样只要调整支撑板的角度，就可实现发球机构在竖直平面的拍动。

在支撑板与箱体之间通过一根轴固定，电机带动曲柄摇杆机构在一定角度的摆动，转换为轴及支撑板的转动，实现高度调整。

为了防止轴由于承受的压力过大而变形，在中间位置加一个滑动轴承起支撑作用。

（2）传动轴的固定。

在高度调整机构和发球机构的连接中，传动轴起到很大的作用，它的一端通过滚动轴承固定在箱体上，另一端使用轴端挡圈固定在支撑板上，在支撑板上的固定采用双螺钉及止动垫片防松的方法。

传动轴的结构示意图如下图3-9所示。

图3-8发球高度调整机构传动示意图

图3-9传动轴示意图

3.3.3发球角度调整机构

（1）发球角度调整机构的总体结构。

与高度调整机构相同，角度调整机构也是通过交流电机带动曲柄做圆周运动，从而使摇杆在一定的角度内摆动，摇杆机构再带动传动轴轴转动，最终实现上箱体在水平面内的整体转动。

角度调整机构的具体结构示意图如下图3-10所示。

图3-10发球角度调整机构

3.4箱体框架

网球发球机的箱体是先用角钢做出一个框架，然后在框架表面加上玻璃钢之类的高强度材料做成薄面。

箱体的主干框架是用热轧等边角钢焊接起来的，坚固耐用。

角钢的材料为碳素结构钢Q235-A，尺寸为30mm×30mm×3mm。

箱体分为两部分，分成上部箱体和下部箱体，上部箱体的尺寸为710mm×765mm×800mm，下部箱体的尺寸为946mm×850mm×170mm，因为上部箱体需要相对于下部箱体转动，所以上箱体和下箱体分开。

两者的结构示意图如下图3-11、图3-12所示。

图3-11上箱体结构示意图

图3-12下箱体结构示意图

上述就是网球发球机整个机械部分的各个机构的设计介绍，各个机构衔接起来组成一个完整的发球机。

它的总体示意图如图3-13所示。

图3-13网球发球机的整体结构示意图

1-直流电机2-下球盘3-支撑板4-直流电机5-高度调整曲柄摇杆机构6-高度调整机构交流电机7-轴18-角度调整机构交流电机9-角度调整曲柄摇杆机构10-轴211-控制面板12-下摩擦轮13-上摩擦轮14-球轨道

4网球发球机控制部分设计

电气控制部分包括人与单片机的交互及单片机与控制对象的交互两个主要部分。

另外还有单片机自身的基本电路和扩展存储容量的存储器电路。

人与单片机的交互部分包括键盘显示电路、控制按钮电路和红外遥控接收电路三个部分。

单片机与单片机的交互包括地址译码电路、D/A转换电路及交流电机的控制电路。

电路图的绘制使用Protel99SE软件。

通过《Protel99SE印制电路板设计教程》[4]这本书认真学习了Protel99SE软件。

看了很多的成熟试验板,如文献[5]中控制电机转速的IVELVIS试验板、文献[7]中AT89S51的实践系统板等等。

4.1基本电路

单片机的基本电路包括复位电路、晶振电路和程序下载电路三种电路。

4.1.1复位电路

当系统处于正常工作状态，且振荡器稳定时，如果RST引脚上有一个高电平并且能维持二个机器周期，CPU就可以响应并将系统复位。

本设计采用常用的手动复位方式，如图4-1所示。

单片机系统复位后，,准双向口处于输入状态，P0～P3口输出高电平，堆栈指针SP写入07H，SBUF数值不定，程序计数器清零，其余的寄存器清零，片内和片外RAM不受复位影响。

4.1.2晶振电路

使用片内振荡器时，XIAL1和XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，如下图4-2所示。

外接晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈电路中[7]。

根据波特率的要求，应选用11.0952MHz的晶振和30pf的电容。

图4-1复位电路图4-2晶振电路

4.1.3程序下载电路

AT89S52单片机内含有Flash存储器，因此它支持在线编程。

P1.5、P1.6和P1.7的复用功能是系统编程专用接口，接到图4-3所示的程序下载接口，再通过下载线接到电脑上，通过一些专用软件就可以进行在线编程和仿真了，将程序写入单片机中[10]。

图4-3程序下载电路

4.2存储器电路

AT89S52单片机中自带有8K的Flash存储器和128字节的RAM，因为RAM的容量不够，所以要通过接6264来扩展单片机的RAM容量。

6264是8×8K的数据存储器，有13位地址位。

6264的低8位地址A0～A7接到单片机的P0数据口，并且经过74LS373地址锁存器的锁存，实现将地址和数据分时段传输。

高五位地址A8～A12接单片机的P2.0～P2.4口。

容量扩展电路如图4-4所示。

图4-4存储器电路

4.3地址译码电路

74LS138是常用的译码器，它采用独立编址，输出低电平有效。

通过三位的输入能寻址8位地址口。

其输入端A、B、C接单片机的P2.5～P2.7口。

E3输入高电平，E1、E2接低电平；输出口Y0接DAC0832的XFER引脚，Y1～Y3分别接三个DAC0832的选通引脚CS端，Y4接6264的选通引脚CS，Y5、Y6分别接8255和8279的选通引脚。

电路图如下图4-5所示。

图4-574LS138的连接电路

4.4D/A转换电路

本设计的D/A转换是采用DAC0832芯片实现的。

它需要外接运算放大器才能得到模拟电压，它的转换精度为8位，与TTL电平兼容[11]。

根据《电子技术》[12]中讲的运算放大器的原理将电流信号放大转换成电压信号来驱动PWM调速。

本装置要用到三个D/A转换器，所以DAC0832采用双缓冲工作方式，即经过两级锁存。

三个DAC0832的Xfer端都接在74LS138的Y0端，低电平有效；CS端接74LS138的Y1～Y3端，低电平有效；数据总线DB0～DB7接单片机的P0口；模拟电流输出端IOUT1接运算放大器。

电路图如下图4-6所示。

图4-6D/A转换电路

4.5交流电机控制电路

交流电机的控制要经过8255芯片扩展单片机的I/O口；而交流电机的终端控制需要用到继电器。

因此，交流电机的控电路有8255芯片的连接电路和继电器开关量输出电路两部分构成。

4.5.1可编程I/O接口芯片8255的连接

单片机的I/O接口有限，交流电机的控制需要通过8255扩展I/O口。

8255的数据口D0～D7接单片机的P0口，[15]控制引脚RD、WR、RST分别接单片机相应的控制引脚，8255有3种基本的工作方式，工作方式的选择通过向控制字寄存器输入控制字来实现[14]。

8255的四个端口由A0、A1这两个输入端口加以选择。

8255的PC口8位中的任一位均可用指令来置位或复位，而其它位不变，所以选用8255的PC0、PC1口分别控制两个继电器开关量的输出。

接线图如图4-7所示。

图4-7并行接口8255的连接

4.5.2继电器开关量输出电路

（1）开关量输出原理。

交流电机的启停控制需要一个开关量的信号输出。

在开关量的输出通道中，为了防止现场强电磁场干扰或者工频电压通过输出通道时窜入测控系统，必须采用隔离技术进行隔离。

在输出通道的隔离中，最常见的是光电隔离技术，因为光信号的传递不受电场、磁场的干扰，可以有效的隔离电信号[16]。

利用继电器使单片机输出的数字信号将转换为控制交流接触器的开关信号，而交流接触器接在交流电机上，通过以上动作从而实现单片机对交流电机的启动和停止的动作的控制。

（2）开关量输出电路的连接。

光电耦合的输入端接8255的PA0口，当PA0口为高电平时，输出端感应出电流，使三极管处于开的状态，从而使继电器线圈得电；当输入为低电平时，无电流输出，三极管处于关的状态，继电器线圈失电。

电路图如下图4-8所示。

图4-8继电器开关量输出电路

4.6按钮控制电路

本设计有七个参数需要控制，设置七个独立式控制按钮，并将其接到单片机的P1口，实现整个网球发球机的运动的控制，开启、停止和暂停。

另外四个按钮分别用来控制三个直流电机的参数及两个交流电机的启停控制。

按钮控制电路的连接如下图4-9所示。

图4-9控制按钮电路

4.7显示器电路

8279是连接单片机与显示器的桥梁，是单片机通用的可编程键盘显示器芯片，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便[9]。

显示器电路包括8279与单片机的连接电路、键盘输入电路和LED显示电路三部分。

4.7.18279与单片机的连接

8279的DB0～DB7口与单片机连接，进行数据传输；SL0～SL2接3-8译码器74LS138扩展I/O接口，选通各个LED显示器；IRQ引脚经过非门与单片机的中断口INT0连接；OA0～OA3和OB0～OB3接LED显示器的a～h引脚；RL0～RL7接键盘，作为行扫描信号输入口。

电路连接图如下图4-10所示。

图4-108279芯片的连接图

4.7.2键盘输入电路

键盘按钮可以分为8行2列，键盘的行接8279的RL0～RL7,其列接SL0～SL2，扫描信号线经74LS138译码后的Y0、Y1，作为列扫描线，电路图如图4-11所示。

4.7.3LED显示电路

LED的位选信号是经74LS138译码后的Y0～Y1信号经过非门，再经过三极管的放大后的信号。

而LED的段码信号则是通过8279的显示输出口OA0～OA3和OB0～OB3接驱动器74LS240后输出到LED上的。

显示电路图如图4-12所示。

图4-11键盘输入电路

图4-12LED显示电路

4.8红外遥控电路

红外接收头内含前置放大器、比较触发器及限幅放大器等功能，能直接输出信号。

它只有三个引脚：

VCC、GND、OUT，与单片机的接口非常方便[15]。

电路图如下图4-13所示：

红外接收头的OUT端经过非门，接一个三极管，再经一上拉电阻接到单片机的INT1端。

红外遥控部分采用成品组件，选用长虹的K11F型遥控器。

图4-13红外接收电路

上述就是网球发球机各个电气控制部分的设计介绍，各个控制电路连接起来组成一个完整的发球机控制系统，用以实现网球机的各个参数控制。

5结论

网球发球机是典型的机电一体化产品，对它的设计分为两大主要部分：

机械机构的设计和电气控制的设计。

网球发球机的机械机构是完成抛发网球的直接执行机构，它是网球发球机的构架。

他需要完成的内容有：

提供一个完整的球路运行轨道。

网球从储球筐经过下球盘，

进入球轨道，继而进入发球机构，最后从发球机内抛出。

在球路轨道中其一，在网球经过的下球盘处设置控制电机，用以控制下球盘的转速，从而实现对网球机发球频率的控制。

其二，对发球机构的两个摩擦轮进行控制，实现网球不同旋转方向和不同线速度的控制。

直流电机的调速简单，这里采用PWM调速，只要连续的改变电压就可实现电机的连续调速。

另外，网球发球机机械机构还要实现不同高度和角度的抛出球。

为了调节网球发球机发球的角度和高度需要使发球机构连续的上下、左右摆动，可有几种方案。

效果最好的是步进电机的调节，它不但可以连续的改变角度，还可固定在特定角度进行加强练习，缺点是价格太高，不适合高校的自主制作，所以本文采用的是曲柄摇杆机构，让摇杆在一定角度内摆动，这就需要两个交流电机带动曲柄作连续的圆周运动。

电气控制部分的设计主要就是实现上述三个直流电机的连续调速及交流电机的启停。

直流电机的调速主要是改变电压，要用到D/A转换电路，电路把单片机输出的数字信号转换成模拟的电压信号。

而交流电机的控制一般用交流接触器控制，本设计采用继电器控制交流接触器，在电路板上采用光电隔离电路避免强弱电的干扰。

为便于控制，还需要键盘显示电路及红外遥控以实现参数设置和远距离控制。

根据以上的要求，本设计选用了一个较简单的、性价比很高的AT89S52单片机。

用它来控制由DAC0832组成的D/A转换电路、由8279组成的键盘显示电路及由TLP521和继电器组成的光电耦合电路。

这次设计是第一次做比较全面的设计，经验的不足使设计中有很多漏洞，也有很多考虑不周的地方，如电源的处理、训练地点的限制、一些电路设计的较简单等。

参考文献

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