第一章绪论
1.1引言
随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命的质量。
据调查运动作为一种绿色消费在人民日常消费中所占得比例呈持续上升的趋势。
随着2008年北京奥运会的临近，全民健身运动热潮将愈演愈烈，健身器材的市场需求也会不断扩大。
在我国羽毛球运动是一项很普及的运动，更深受青少年的喜爱。
目前羽毛球发球机的种类还比较少，应该有很大的发展空间。
我的题目是“羽毛球发球机及其控制系统”，主要是利用机械电子相结合的技术，对现有发球机的结构，控制电路加以改进。
主要功能和特点：连续发球、发球方式多、发球变化大、操作简便、发致性好等特点[1]。
这种发球机可以一次性储球160个，羽毛球的扣杀速度最高可达280公里/小时，发球频率不少于60次/分[1]。
1.2国内羽毛球发球机的现状
目前我国已存在的发球机种类有三种：第一种是用马达甩动特制拍击球发出，这一种跟我们的击球原理一样，但是角度受限，能模仿的球路不多，一般用于羽毛球工厂的挑球速，挑飞行性的步骤；第二种击打球头发出，相对于第一种比较新，是今年前刚研制出来；第三种是目前国家队正在用的机械臂夹球头高速甩出去，机器很重同时体积也很大。
需要三米高的支架支持，可以模仿出杀球路线，价格也比较贵；第四种是用高压气喷羽毛球发射，这种是刚研制出不久的，它的出现填补了羽毛球自动发球机的空白，是一种新型的发球机[2]。
1.3本文的主要内容和课题的意义
在分析和比较羽毛球发球机发球原理的基础上对羽毛球发球机的发球方向和发球速度等运动规律进行分析，设计出一台羽毛球发球机。
要求完成发球机的总体结构设计，选择发球机的发球方向和发球速度的检测和控制系统。
具体内容：1 发球机的结构设计；
2 发球机的控制系统设计。
第二章羽毛球发球机的工作原理
2.1羽毛球发球机的原理
这种羽毛球发球机是一个长方体的结构，分为上下两个部分，上半部分是一个底部倾斜的球筒箱，球筒箱内设有推球杆【3】、推求孔、出球孔、弃球筒孔、弃球筒孔挡板、弃球筒孔电机、分球圈，球筒箱提供连续单个出球；下半部分包括电气比例减压阀、储气室、空气电磁阀、气嘴、炮管、发射孔、单片机控制单元【4】；抓球壁杆从球筒箱的出球孔抓取羽毛球置入炮管，并使羽毛球发球机的原理是用高压气体把羽毛球吹出去[5]。
羽毛球的球托内侧贴在气嘴上，然后空气电磁阀打开，气嘴喷气射出羽毛球。
单片机通过电磁比例阀的通断调节储气室压力，进而控制球发射的距离；单片机通过改变电磁阀的通断间隙，控制发射频率。
2.2羽毛球发球机的工作过程
球筒箱(1)内放置羽毛球球筒(2)，球筒内有顺序紧密排列放置羽毛球(13)。
推球杆(5)顶端为推球头(12)，推球电机(6)顺转，推球杆在皮轮(10)的推动下从推球孔(7)伸入球筒推球。
球在出球孔(4)被推出，出球孔前设有分球圈(3)，分球圈挡在两个球中间的空隙中，在前面一个球被抓取时，阻挡下一个球被带出去，当推球杆的后限位片（8）处碰到推球杆后限位开关（9）时说明球筒箱的球已经被推完，需要进行弃球筒处理。
当推球头（12）触碰推球杆前限位开关（11）时。
说明推球杆已经退出球筒。
如图2.1所示。
图2.1 羽毛球发球机推球部分剖面图
当球被推出出球孔，羽毛球球托伸入抓球套（14）中，羽毛球球托触碰抓球套微动开关（15），抓球套抓住球，中轴电机（22）顺转，通过中轴（17）带动抓球臂杆（16）和抓有羽毛球的抓球套（14）远离机箱。
当抓球臂杆（16）触碰中轴顶微动开关（19）时，中轴顶电机（18）旋转，通过电机端挡杆（20）和抓球臂挡杆（21）使抓球臂杆（16）旋转到抓球套（14）中的球对准发射孔（30），中轴电机（22）倒转使抓球臂杆（16）接近机箱使羽毛球套在发射孔（30）的气嘴（28）上。
如图2.2所示。
图2.2羽毛球发球机抓球部分剖面图
高压空气从空气压缩机中通过软管接到压缩空气进入气孔（23），单片机控制单元（29）通过调节电气比例减压阀（24）控制进入储气室（25）的气量，空气电磁阀（26）打开，使储气室内的压缩空气通过气嘴（28）向羽毛球（13）球托内侧做功，羽毛球发射出炮管（27）。
气嘴外壁上镶嵌有魔术贴，在羽毛球（13）套在气嘴（28）上时，魔术贴粘住羽毛球（13）内侧，使羽毛球（13）不会从气嘴（28）上滑落。
如图2.3所示。
图2.3羽毛球发球机压缩空气发射部分剖视图
隔板（33）将机箱空间分成两部分，上半部分是球筒箱（1）容纳球筒（2），下半部分容纳发射部分和控制单元。
抓球臂（16）通过中轴（17）的控制使抓球
套（14）从出球孔（4）抓取羽毛球（13）送入发射孔（30）。
当当前被抓取的这筒球被抓完时，推球杆（5）退出球筒（2），弃球筒电机（31）转动使其球筒孔挡板（32）打开，弃出这筒球，挡板及时和上挡住接下来装有羽毛球的球筒（2）。
如图2.4所示。
图2.4羽毛球发球机球筒箱与抓球部分剖视图
推球杆（5）将球筒（2）中的羽毛球（13）推出出球孔（4）抓球套（14）在出球孔（4）上方抓取羽毛球（13）送入发射孔套在气嘴（28）上，气嘴喷气，羽毛球被发射出去。
当推球杆后限位片（8）触碰到推球杆后限位开关时，推球杆（5）退出球筒，弃球筒孔电机转动使弃球筒孔挡板（32）打开，弃出这筒球，挡板及时合上挡住接下来装有羽毛球的球筒，继续推球和发球。
2.3小结
羽毛球发球基于市场上现有的羽毛球发球机在工作原理与工作过程有很多
相似之处,其不同之处在于羽毛球发球机主要是把机器和人脑的智能结合起来控制羽毛球球的速度和旋转，经过单片机的控制，有效地做到了按人的各种运动需求来制定相应的方案，发出满足各种需求的球，并力求物美价廉[6]。
羽毛球发球机的几个创新点：
1、它将计算机、控制、机械等技术等先进技术集成，开发出具有变频率、变速度、多功能的运动员用训练和全民健身用多功能发球机；
2、开发出可发射定点球、高抛球、变速球等多因素组合的专业运动员测试用发球机；
3、创新性地设计出羽毛球多球自动连续输送、分离、发射装置。
第三章羽毛球发球机的结构设计
现在市场上的羽毛球发球机形式多种多样，结构也各不相同。
根据发球的动力等自身的特点，本机保留了一些传统国内、外羽毛球球发球机的结构特点，又有了不同程度的创新。
从工作原理和工作过程可以看出，该研究的羽毛球发球机主要组成部分有供球系统、发球系统、单片机控制系统三部分。
根据这些部分的功能，本文采取以下设计方案。
3.1 羽毛球发球机的外形结构设计
工业产品设计是创造具有实用功能的造型，不仅要求以其形象所具有的功能适应人们工作的需要，提供人们使用，而且要求以其形象表现的式样、形态、风格、气氛给人以美的感觉和艺术的享受，起到美化生产、生活环境，满足人们审美要求的作用，因而成为具有精神和物质两种功能的造型。
工业造型设计的本源内涵重在物质功能和社会人的感情精神以及人和物相互作用的研究之上。
它以不断变化的人的需求为起点，以积极的势态探求改变人的生存方式的设计。
所以，工业造型设计不是单纯的美术设计，更不是纯粹的造型艺术、美的艺术。
它是科学、技术、艺术、经济融合的产物。
它是从实用和美的综合观点出发，在科学技术、社会、经济、文化、艺术、资源、价值观等的约束下，通过市场交流而为人民服务[7]。
工业造型设计是当代人、自然、社会的有机协调的科学方法论。
其实质是以最优化的设计策划来创造人类自身更合理的生存方式。
它的重要任务是设计物与人相关功能的最优化。
按人类需求去开发新设计、新的工作系统，从而改善人的劳动和生活环境。
由此可见，工业造型设计有以下三个显著的特征，即实用性、科学性和艺术性。
1.实用性特征及要求。
体现使用功能的适合目的性、先进性与可靠性，具有现代科学技术的功能美，充分应用人机工程学原理提高产品的宜人性，表现出产品服务人的舒适美。
2.科学性特征及要求。
体现先进加工手段的工艺美，反映大工业自动化生产及科学性的严格和精确美，标志力学、材料学、机构学新成就的结构美，在不牺牲使用者和生产者利益的前提下，努力降低产品成本，创造最高的附加值。
3.艺术性特征与要求。
应用美学法则创造具有形体美、色彩美、材料美和符合时代审美观念的新颖产品，体现人、产品与环境的整体和谐美[8]。
值得注意的是，在我国从事工业造型设计的设计师还未被确定应有的位置，
在大部分工厂和研究设计机构中，这些设计师充当着‘美工”、“外观设计”、“装饰设计”的角色，这也正是我国的工业设计现状与其它先进国家的一个较大差距的原因所在。
简单地将技术、材料和机构布置的设计加上装饰打扮的美化设计，即使是两方面都己达到较高的水平，只要是没有一条统一、清晰的为人类工作、生活方式而设计的思想主线，两者就不会很好地协调在一起，不会取得理想的效果.
3.2羽毛球发球机的内部结构设计
羽毛球发球机的形状：
呈长方体，前侧有一抓球臂杆，后侧有一推球杆，箱体上部有一个底部倾斜的球筒箱，下部容纳电气比例减压阀、储气室、空气电磁阀、发射气嘴、发射炮筒和单片机控制单元。
3.2.1羽毛球发球机球筒箱的设计
该系统的作用是储存羽毛球，并将羽毛球按要求供给给发球系统。
是储存羽毛球的地方，还能将羽毛球顺利输送给抓球臂，为了保证能顺利的单个供球，球筒箱底部倾斜，方便球筒顺利滚入出球孔和推球杆之间。
3.2.2推球杆的设计
推球杆的作用是把羽毛球从球筒中推出。
推球杆位于球筒箱推球孔后侧，退球电机带动皮轮带动推球杆前进或后退，推球杆上有推球头和后限位片，退球头触动微动开关说明推球杆已经退出球筒，后限位片触动微动开关说明球筒内的球已经被推完，需要进行弃球处理。
3.2.3中轴的设计
发球机中有一个中轴，中轴固定在出球孔和发射孔之间，该中轴可以旋转。
中轴的作用是1使抓球臂杆远离机箱，以免抓球臂杆碰到羽毛球发球机的箱体；2使抓球臂绕中轴做圆周运动以实现抓球与放球的动作。
根据中轴的作用，及设计的需要，把中轴设计成阶梯并有螺纹的轴。
如图3.1所示。
图3.1 中轴
3.2.4抓球杆臂的设计
抓球臂杆通过带有内螺纹的轴套与中轴相连，中轴带动抓球臂杆作相对于球筒箱的垂直运动，中轴顶端有一微动开关和电机，抓球臂杆触动微动开关，电机旋转带动抓球臂旋转，然后中轴旋转，带动抓球臂杆接近球筒箱。
抓球臂一端套在中轴上，一端有抓球套，抓球套被球托顶一下可以抓紧球托，在顶一下可以放松球托。
抓球套中有一微动开关，触动该微动开关，中轴旋转带动抓球臂远离筒箱。
抓球臂杆设计成普通的杆即可。
3.2.5中轴套的设计
中轴套的作用是使抓球臂杆远离机箱，中轴套与中轴以螺纹连接。
中轴套的一端与抓球臂杆直接固定在一起，在中轴电机旋转时把中轴的旋转运动变为中轴套与抓球臂杆的平动动。
这样才可以使抓球臂杆触碰中轴顶微动开关。
如图3.2所示。
图3.2 中轴套
3.2.6分球圈的设计
分球圈位于球筒箱的钱出球孔，当抓球套抓取提离一个球时，分球圈挡住下一个球，阻止下一个球被带出。
分球圈采用带有弹性的东西设计，可以伸缩的那种，这样可以由效的保证每次发出一个羽毛球。
3.2.7气嘴的设计
羽毛球套在气嘴上。
球托内侧贴住气嘴，使通过该气嘴冲出的空气可以直接向羽毛球球托和羽毛球的内腔做功，使羽毛球被发射出足够的距离。
3.2.8推杆的设计
推杆和凸轮一起组成凸轮机构，把电动机的转动转化为推杆的平动。
从而使发射完羽毛球的球筒箱离开箱体。
电动机转一圈，正好完成弃球筒动作，要求电机的转速大于球筒箱下落的速度。
使球筒箱没有落下前，推杆到达箱体处，接住掉下来的球筒。
并使球筒能正好固定在推球孔和出球孔之间。
如图3.3所示。
图3.3 推杆
3.2.9支架的设计
支架的主要作用是固定推杆，使推杆只能沿轴向移动，于推杆和凸轮一起组成凸轮机构。
3.3小结
部分所具有的功能也作了一个详细的介绍，并对该机器的实际问题提出了具体设本章对羽毛球发球机的设计原理及整体结构作了一个总体的说明，对其相应计方案。
这将对羽毛球发球机的制造和这方面工作的开展大有好处。
第四章羽毛球发球机控制系统设计
4.1总体设计
羽毛球发球控制器以8位单片机89C51【4】为核心微处理器，外围扩展看门狗复位电路、电机转速测量电路、驱动输出电路。
单片机通过对传感器出来的转速信号进行分析，计算出与给定转速的误差值，启动软件PID算法调节器，产生的输出信号经斩波驱动方式送给步进电机，通过对步进电机的控制实现对位置的控制[9]。
系统总体框图如图4.1所示。
图4.1羽毛球发球机控制系统硬件电路原理图
4.2羽毛球发球机硬件电路设计
本系统选择Atmel公司生产的89C51。
89C51为典型的ROM型单片机，内部资源有：
面向控制的8位CPU
4K字节掩膜ROM程序存储器；
128字节内部ROM数局存贮器；
2个16位定时器/计数器；
1个全双工的异步串行口；
5个中断源、2个中断优先级的中断控制器；
6时钟电路，时钟频率在1.2MHz到12MHz之间。
4.2.1复位电路
所谓复位，就是指CPU和系统中的其他部件都处于一个特定的初始状态，
单片机的软件硬件就从这个初始状态开始工作。
单片机有一个复位引脚RST它是史密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态。
此时ALE、PAEN、P0、P1、P2、P3
口都输出高电平。
RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态进行工作。
复位电路【10】分为上电自动复位电路、人工复位、和系统复位三种。
我主要是采用上电自动复位方式。
如图4.2所示。
对于NMOS型单片机，在RST复位端接一个电容至Vcc和一个电阻至Vss，就能实现上电自动复位，对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可。
在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使单片机有效复位。
RST端在加电平时应保持高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振的时间，Vcc上升时间若为10ms，振荡器的起振时间和频率有关。
10MHz时约为1 ms，1MHz时约为10 ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。
+5V
图4.2 复位电路
4.2.1节电方式
对于CMOS工艺的单片机芯片，有一种节电运行方式。
这种方式对于在野外环境的便携式智能一起仪表中，用电池对单片机供电，这就要求低功耗运行。
若某段时间内，不需要CPU进行工作，可使CPU暂时停止工作，进入节电工作方式。
在节电方式下，CPU暂时不工作，但随时准备恢复工作。
因此内部时钟并不停止工作，只是去CPU的路径被门电路切断，但仍供应中断电路、定时器和串行口。
CPU的状态被完整的保存起来。
单片机的节电方式由SFR中的PCON中的PCON0位来控制。
CPU执行一条使PCON0=1的指令，即可使单片机进入节电方式。
而结束节电状态一般可以加入一个中断申请信号以产生中断，这时PCON0就被硬件自动清0，从而结束
节电状态，C PU恢复正常工作。
4.2.2掉电操作方式
单片机在正常工作时间，CPU和内部RAM由Vcc供电，但允许电源Vcc
掉电时，由接电RST/Vpd引脚上的外加电源Vpd给在RAM保持片内RAM电源掉电时，信息将不会丢失。
由于片内RAM耗电仅为正常工作的10%左右，常可用电池做后备电源。
用户掉电检测装置在检测到电源电压Vcc下降到一定值时即认为电源出现故障，应通过INT0或INT1引脚向CPU申请中断处理。
在中断服务程序中将有关的数据等重要信息传送到片内RAM中，并在主电源Vcc下降到允许限定之前，把备用电源加到RST/Vpd的引脚上。
此时，电路进入掉电状方式。
掉电方式下，单片机上时钟脉冲振荡电路降停止工作。
CPU也就停止各种操作功能，只有片内RAM区和特殊功能寄存器区SFR保持着原来存储的内容。
各个并行I/O口的输出值仍为相应的特殊功能寄存器区SFR中的数据。
地址锁存器有效端ALE以及EPROM的选通信号PSEN的输出处于低电平0.在掉电工作方式下单片机的耗电降至最少。
4.2.3电机驱动电路设计
在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现控制操作。
因此在这样的系统中，总要有后向通道。
后向通道是计算机实现控制运后，对控制对象的输出通道接口。
后向通道是小信号输出、大功率控制。
由于机电系统中执行元件多为大功率设备如电机等。
根据目前单片机的输出功率的限制。
不能输出控制对象所要求的功率信号。
而且这些执行机构的设备产生电磁场，电源干扰往往会影响微机的正常工作，所以抗干扰设计也是控制输出接口应考虑的重要内容。
单片机在完成控制处理后，总以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。
这些数字信号形态上主要有开关量、数字量系统及频率调节系统，而在我所设计的羽毛球发球机整个系统主要是单片机来控制四个电机，所选用的是步进电机，可以通过斩波驱动来控制，这样可以节省扩展口，不使用D/A转换。
一电机的选择
在伺服系统中执行元件的选择非常重要。
执行元件是位于电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。
在羽毛球发球机这个系统中我们选电机为执行元件。
伺服电机中我们最常用的是步进电机和直流伺服电机、交流伺服电机等。
在
本系统中我采用步进电机【10】，因为步进电机有以下几种特点：
1步进电机的转速和角位移成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性；
2由步进电机和驱动电路组成的开环控制系统，即非常简单便宜又非常可靠。
同时，它也是可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统；
3步进电机的动态响应快，易于起停、正反转与变速；
4速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载；
5步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和支流电源；
6步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施；
7步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力差。
二步进电机的驱动与控制
步进电机不能直接接到交流电源上工作，必须配以相应的驱动电路才能正常工作，步进电动机的驱动电路能够将接收来的脉冲及方向信号按要求的配电方式自动循环供给给电动机各项绕组，并提供足够的电功率以驱动电动机转子实现正反向运动。
如图4.3所示，步进电动机的驱动电路[2]主要由环型分配器和功率放大电路组成。
驱动电路
图4.3 步进电机驱动电路
1、环形分配器
环形分配器用于将来自控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电
动机的功率驱动元件的各相输入端，控制励磁绕组按一定的顺序和时间导通或截止。
由于电动机有正反转要求，所以环分器的输出是周期性的，可逆的。
环形分配器可看做是一种特殊的可你循环计数器。
环形分配器的电路实现方式主要有采用专用专用集成电路实现，另一种采用通用的可编程逻辑器件构成环形分配器。
除硬件方法外，环形分配器还可以采用软件生成。
我采用的是软件实现环形分配器。
软件实现环形分配器是指利用软件实现硬件脉冲分配器的功能。
这种方法需在内存中开辟一个区域存储环形分配器的输出
状态表，系统软件按照电动机正转或反转的要求以正或反的顺序依次将状态表的内容取出，通过驱动电路送至电动机输入口，从而实现电动机励磁状态的转换。
单片机直接驱动四相步进电机的接线如图4.4所示。
EA/VP 31X119X218RESET 9RD 17WR
16
INT012INT113T014T115P101
P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27
28
PSEN
29
ALE/P 30TXD 11RXD 108051
驱动电路A B C D
四相步进电机
图4.4 单片机驱动四相步进电机接线图
2．功率放大电路
功率放大电路简称驱动电路，它实际是一个功率开关电路，其功能是将环分器或微处理器送来的微电脉冲信号进行放大以驱动步进电机运行。
步进电机有m 相，则相应的就有m 路的功率放大电路。
近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的发展，推动了步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了更广阔的前景。
步进电机的驱动方法有：但电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动和集成电路驱动等。
我主要采用斩波驱动[13]方式驱动，是因为，高低压驱动时，电流波形在高压和低压交接处有一个凹陷，这样会引起输出转矩出现下降，另外双电压也会增加设备的成本，而斩波驱动会很好的解决问题。
斩波驱动的原理如图4.5所示。
图4.5 斩波恒流驱动原理图
T 1是一个高频开关。
T 2开关管的发射极接一只小电阻R ，电动机绕组的电流
经过这个电机绕组到地，所以这个电阻是取样电阻。
比较器的一端接给定电压Uc,另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为0时，比较器输出高电平。
当控制脉冲Ui为低电平时，T1和T2两个开关均截止；当控制脉冲Ui为高电平时，T1和T2两个开关均导通，电源向绕组供电。
由于绕组电感的作用，R
上的电压逐渐上升，当超过给定电压Uc的值时，比较器输出低电平，使与门输出低电平，T1截止，电源被切断；当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，T1又导通，电源又开始向绕组供电，这样循环往复，直到Ui为低电平。
以上的驱动过程表现为T2每导通一次，导通多次，绕组的电流波形为锯齿形，如下图示在T2导通的时间里，电源是脉冲式供电所以提高了电源效率，并且能有效的抑制共振，由于无需外接影响的时间常数的限流电阻，所以提高了高频性能；但是由于电流波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪音。
三A/D接口的扩展
A/D[5]是将模拟量转换成数字量的器件。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以使声、光、压力、温度、湿度等随时间连续变化的非电的物理量。
非点的模拟量可通过合适的传感器（如光电传感器、压力传感器、温度传感器）转换成电信号。
模拟量只有被转换成数字量才能被计算机采集、分析、计算下图示意了一个具有模拟量输入/输出的MCS—51系统。
如图4.6所示。
图4.6 A/D接口扩展图
A/D的种类很多，根据转换原理可以分为逐次逼近式和双积分式。
·衡量A/D性能的主要参数是：
·分辨率，即输出的数字量变化一个相邻的值所应的输如模拟量的变化值；
·满刻度误差，即输出全1时输入电压与理想输入量之差；
·转换速率，完成A/D采样的时间；
·转换精度，实际A/D结果和理想值之差的大小；
·是否可方便地和接CPU口。
四芯片MC1413
MC1413[15]是一块七达林顿驱动器集成电路，方框原理如图4.7所示。
它内。
