引 言

隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的日漸提高，大家對(duì)精神生活的追求也越來(lái)越重視。因此，乒乓球作為一項(xiàng)文明的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越受到人們的青睞。在我國(guó)，乒乓球作為國(guó)球， 更加受到廣大人民群眾的歡迎。

目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上還沒(méi)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(dòng)發(fā)球機(jī)。乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)可發(fā)出各種性質(zhì)的球，既可用于娛樂(lè)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(shí)候，歐洲制造出了乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)， 它的基本動(dòng)作原理是通過(guò)固定的機(jī)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(lái)。乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)發(fā)射出的球，比人的速度更快，旋轉(zhuǎn)更強(qiáng)，而且力量更大。目前，整個(gè)國(guó)際市場(chǎng)銷售的乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)，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(jī)， 一類是壓氣式的發(fā)球機(jī)，另一類是輪式發(fā)球機(jī)。按照控制類型的不同則可以分為兩類 ：一類是半自動(dòng)式發(fā)球機(jī)，一類是全自動(dòng)式發(fā)球機(jī)。

總體來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上的乒乓球發(fā)球機(jī)種類非常繁雜， 但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是在價(jià)格方面很難達(dá)到絕大多數(shù)乒乓球愛好者的消費(fèi)水準(zhǔn)，一臺(tái)普通的乒乓球發(fā)球機(jī)的價(jià)格都在三千元左右。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)性價(jià)比高而又價(jià)格低廉的乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

本設(shè)計(jì)以 LPC2132 芯片為控制核心，通過(guò)對(duì)兩臺(tái)減速步進(jìn)電機(jī)的角度控制，來(lái)達(dá)到激光發(fā)生器射到乒乓球全臺(tái)各個(gè)區(qū)域的效果，可以為乒乓球愛好者打下堅(jiān)實(shí)的步法基礎(chǔ)。該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)具有市場(chǎng)潛力的創(chuàng)新。

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

該系統(tǒng)主要是通過(guò)ARM控制器來(lái)控制兩個(gè)減速步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以達(dá)到激光發(fā)射器可以發(fā)射到乒乓球全臺(tái)各個(gè)區(qū)域的效果，而減速步進(jìn)電機(jī)就是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī) 1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)控制激光發(fā)射器發(fā)射落點(diǎn)的左右偏移角度，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī) 2的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可以確定激光發(fā)射器發(fā)射落點(diǎn)的長(zhǎng)短。激光發(fā)射器則以步進(jìn)電機(jī) 2的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止作為基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)斷電和供電，只有當(dāng)步進(jìn)電機(jī) 2 停止運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)指定角度，激光發(fā)射器才會(huì)發(fā)射紅光，從而可以達(dá)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。

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)階段訓(xùn)練系統(tǒng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)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(dòng)選用 28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)，整機(jī)用相機(jī)三角架固定。

2 乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊 ：外圍模塊、電源模塊、EasyARM2132 開發(fā)板、減速步進(jìn)電機(jī)、L298N 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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。

3 乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，并具有多個(gè) 32 位定時(shí)器、1 個(gè) 10 位 8 路ADC、2 個(gè) 32 位定時(shí)器 / 外部事件計(jì)數(shù)器、PWM 通道和 47 個(gè) GPIO 以及多達(dá) 9 個(gè)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(jìn)電機(jī)和主控芯片進(jìn)行供電。

本文以減速步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) 訓(xùn)練器的關(guān)節(jié)鏈接件，步進(jìn)電機(jī) 就是能夠?qū)㈦娒}沖很快轉(zhuǎn)化為角 位移的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào) 時(shí)，它就能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來(lái)按 照設(shè)定好的方向而轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定 角度，稱之為步進(jìn)角。我們可以 通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移 量，從而使系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)確定位的 目的。

28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)為四相 八拍的步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直 流電源進(jìn)行供電。只要我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組按照合適的時(shí)序來(lái)通電，就可以使步進(jìn)電機(jī) 進(jìn)行步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)。這里采用 L298N 集成驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)該步進(jìn)電 機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L298N步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的系統(tǒng)原理如圖3所示。 

該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的具體參數(shù)如下： 

（1）驅(qū)動(dòng)芯片：L298N 雙 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 

（2）驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)輸入電壓范圍 ： 低電平 ：－ 0.3 V ≤ Vin ≤ 1.5 V（控制信號(hào)無(wú)效） 高電平 ：2.3 V ≤ Vin ≤ Vss（控制信號(hào)有效）

3.3 乒乓球落點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法

本步法訓(xùn)練系統(tǒng)的無(wú)線控制是通過(guò)激光發(fā)生器來(lái)實(shí)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(shí)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(lái)，受到激發(fā)了的N2 分子便會(huì)和 CO2 分子產(chǎn)生碰撞，N2 分子就會(huì)把自己的能量傳遞給 CO2 分子，而CO2 分子在從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的時(shí)候就會(huì)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(jí)躍遷很快進(jìn)入到群發(fā)的狀態(tài)，將會(huì)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(jìn)到光路系統(tǒng)而形成激光燈。

本設(shè)計(jì)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(guò) ARM 控制板可對(duì)其直接進(jìn)行供電。

 3.4 遙控電路 

紅外遙控接收頭的型號(hào)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(hào)為 TTL 電平，可直接至解碼 器，使用極為方便，性價(jià)比較高。接收頭有較寬的接收帶寬， 一般為 ±10 MHz，出廠時(shí)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(diǎn)動(dòng)）、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(jì) 

系統(tǒng)程序主要使用 C 語(yǔ)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(jī)驅(qū)動(dòng)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。

該乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)物如圖 6 所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要完成了乒乓球步法訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)、電源模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊的設(shè)計(jì)制作。系統(tǒng)軟件部分以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能為目的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期規(guī)劃的功能，能夠良好地模擬真實(shí)乒乓球落點(diǎn)的變化，且能夠通過(guò)遙控器對(duì)落點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線點(diǎn)動(dòng)控制，無(wú)線控制距離能夠達(dá)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(jiǎn)單，成本較低，速度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行較穩(wěn)定， 追隨性能好，程序具有一定的通用性。