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)，達到更好的健身和訓(xùn)練目的，根據(jù)乒乓球的特點，從總體上設(shè)計了一種新型乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)，并針對傳統(tǒng)乒乓球發(fā)球機在價格和可攜帶性方面受限的缺點，提出采用正交步進電機對乒乓球落點進行控制的方法，同時以ARM7-LPC2132為控制器、12854液晶屏為顯示模塊為人機交互界面搭建了一個遙控系統(tǒng)硬件平臺。該平臺以28BYJ-48步進電機作為步法訓(xùn)練系統(tǒng)的關(guān)節(jié)連接件來設(shè)計九宮格乒乓球落點區(qū)域，模擬乒乓球落點的斜線運動及直線運動。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；步進電機；RF

中圖分類號：TD76 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

隨著我國社會的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的日漸提高，大家對精神生活的追求也越來越重視。因此，乒乓球作為一項文明的運動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)，只有乒乓球自動發(fā)球機。乒乓球自動發(fā)球機可發(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、七十年代的時候，歐洲制造出了乒乓球自動發(fā)球機，它的基本動作原理是通過固定的機械設(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。乒乓球自動發(fā)球機發(fā)射出的球，比人的速度更快，旋轉(zhuǎn)更強，而且力量更大。目前，整個國際市場銷售的乒乓球自動發(fā)球機，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，一類是壓氣式的發(fā)球機，另一類是輪式發(fā)球機。按照控制類型的不同則可以分為兩類：一類是半自動式發(fā)球機，一類是全自動式發(fā)球機。

總體來說，目前市場上的乒乓球發(fā)球機種類非常繁雜，但它們都有一個共同的特點，那就是在價格方面很難達到絕大多數(shù)乒乓球愛好者的消費水準(zhǔn)，一臺普通的乒乓球發(fā)球機的價格都在三千元左右。因此，設(shè)計一臺性價比高而又價格低廉的乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)是一個必然的發(fā)展趨勢。

本設(shè)計以LPC2132芯片為控制核心，通過對兩臺減速步進電機的角度控制，來達到激光發(fā)生器射到乒乓球全臺各個區(qū)域的效果，可以為乒乓球愛好者打下堅實的步法基礎(chǔ)。該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)是一個具有市場潛力的創(chuàng)新。

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

該系統(tǒng)主要是通過ARM控制器來控制兩個減速步進電機的正反轉(zhuǎn)，以達到激光發(fā)射器可以發(fā)射到乒乓球全臺各個區(qū)域的效果，而減速步進電機就是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的一種執(zhí)行機構(gòu)。通過調(diào)整步進電機1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制激光發(fā)射器發(fā)射落點的左右偏移角度，通過控制步進電機2的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可以確定激光發(fā)射器發(fā)射落點的長短。激光發(fā)射器則以步進電機2的運轉(zhuǎn)和停止作為基準(zhǔn)來實現(xiàn)斷電和供電，只有當(dāng)步進電機2停止運轉(zhuǎn)，到達指定角度，激光發(fā)射器才會發(fā)射紅光，從而可以達到更好的訓(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)計時，考慮到實驗階段訓(xùn)練系統(tǒng)的強度和穩(wěn)定性，訓(xùn)練系統(tǒng)的機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)動選用28BYJ-48步進電機，整機用相機三角架固定。

2 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。硬件設(shè)計主要包括以下幾個模塊：外圍模塊、電源模塊、EasyARM2132開發(fā)板、減速步進電機、L298N步進電機驅(qū)動模塊、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

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 是基于一個支持實時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存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，并具有多個32位定時器、1個10位8路ADC、2個32位定時器/外部事件計數(shù)器、PWM通道和47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(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分別給步進電機和主控芯片進行供電。

3.2 執(zhí)行機構(gòu)的選取及控制方法

本文以減速步進電機設(shè)計訓(xùn)練器的關(guān)節(jié)鏈接件，步進電機就是能夠?qū)㈦娒}沖很快轉(zhuǎn)化為角位移的一種執(zhí)行機構(gòu)，當(dāng)步進電機驅(qū)動器收到一個脈沖信號時，它就能夠驅(qū)動步進電機來按照設(shè)定好的方向而轉(zhuǎn)動一個固定角度，稱之為步進角。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而使系統(tǒng)達到準(zhǔn)確定位的目的。

28BYJ-48步進電機為四相八拍的步進電機，采用單極性直流電源進行供電。只要我們對步進電機各相繞組按照合適的時序來通電，就可以使步進電機進行步進式轉(zhuǎn)動。這里采用L298N集成驅(qū)動芯片對該步進電機進行驅(qū)動。L298N步進電機驅(qū)動模塊的系統(tǒng)原理如圖3所示。

該步進電機驅(qū)動模塊的具體參數(shù)如下：

（1）驅(qū)動芯片：L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片。

（2）驅(qū)動部分端子供電范圍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）使能信號輸入電壓范圍：

低電平：-0.3 V≤Vin≤1.5 V （控制信號無效）

高電平：2.3 V≤Vin≤Vss （控制信號有效）

3.3 乒乓球落點的實現(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分子便會和CO2分子產(chǎn)生碰撞，N2分子就會把自己的能量傳遞給CO2分子，而CO2分子在從低能級躍遷到高能級的時候就會釋放出光子，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分子的低能級躍遷很快進入到群發(fā)的狀態(tài)，將會釋放出更多的光子，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控制板可對其直接進行供電。

3.4 遙控電路

紅外遙控接收頭的型號為CZS-10，采用LC振蕩電路，內(nèi)含放大整形，輸出的數(shù)據(jù)信號為TTL電平，可直接至解碼器，使用極為方便，性價比較高。接收頭有較寬的接收帶寬，一般為±10 MHz，出廠時一般調(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（點動）、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

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)程序主要由電機驅(qū)動子程序、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)的實物如圖6所示。

圖6 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)實物圖

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、電源模塊、步進電機驅(qū)動模塊、顯示模塊的設(shè)計制作。系統(tǒng)軟件部分以實現(xiàn)系統(tǒng)功能為目的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。本系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期規(guī)劃的功能，能夠良好地模擬真實乒乓球落點的變化，且能夠通過遙控器對落點進行無線點動控制，無線控制距離能夠達到30米，而且穩(wěn)定可靠。該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)控制算法簡單，成本較低，速度調(diào)節(jié)簡單方便，步進電機運行較穩(wěn)定，追隨性能好，程序具有一定的通用性。

參考文獻

[1] 向雄偉.多球手段在乒乓球男子青少年步法訓(xùn)練中的負(fù)荷研究[D]. 武漢：武漢體育學(xué)院，2008.

[2] 黎愛珠.乒乓球?qū)嵺`及其教育功能拓展的研究[D].武漢： 華中師范大學(xué)，2012.

[3] 王偉平.乒乓球多球訓(xùn)練法的研究現(xiàn)狀分析[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，20（3）：345-347.

[4] 周立功，張華.深入淺出ARM7-LPC213X/214X/ [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5] 畢君麗.少兒乒乓球運動員步法訓(xùn)練與技術(shù)質(zhì)量之間的關(guān)系研究[D]. 武漢：武漢體育學(xué)院，2014.

[6] 李智強，周杰，任勝杰.基于單片機的步進電機細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)[J]. 機電工程， 2007，24（7）：67-69.

[7] 何沖，王淑紅，侯勝偉，等.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J].電氣技術(shù)，2012 （4）：5-8.

[8] 朱雷平.單片機控制雙步進電機運動控制系統(tǒng)[J]. 科技傳播，2012，4（23）：223，234.

[9] 劉博，曹玉英，袁闊宇.基于單片機步進電機智能控制[J]. 河南科技，2013 （4）：111.

[10] 葉建美. M500激光發(fā)生器的原理、組成與維護[J]. 染整技術(shù)，2007，29（10） ：40-42.

[11] 李紅巖，高陽東.基于LPC2131的RF遙控多關(guān)節(jié)蛇形機器人[J].自動化與儀表，2014 （6）：1-4.

[12] L298N電機驅(qū)動模塊指導(dǎo)書[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/76e4c85dbe23482fb4da4c46.html