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1 前言
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。

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。
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。
网球发球机
储球机构
发球机构
高度调整机构
角度调整机构
储球筐
下球盘
直流电机
双摩擦轮
交流电机
曲柄摇杆
直流电机
支撑板
交流电机
曲柄摇杆
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。
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。
AT89S52
晶振复位电路
存储器扩展
红外遥控接收
D/A
D/A
D/A
PWM调速
三个控制发球力度及发球间隔的直流电机
8279
键盘、LED显示电路
继电器
控制发球高度的交流电机
继电器
控制摆动角度的交流电机
遥控器
控制按钮
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.