基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真程序设计☆

基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真程序设计☆(含毕业论文28000字,cad图纸,总电路图,仿真程序,仿真视频)
摘要
随着我国乒乓球运动员不断在世界各级比赛中取得优异成绩，喜爱乒乓球运动和打乒乓球的人越来越多，同时，利用乒乓球发球机来提高乒乓球技术水平的人也越来越多。 为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的，本文针对已有乒乓球发球的特点、技能训练需求、人体力学的需求，再结合现有乒乓球发球机的市场需求，设计了一种新型、简易的乒乓球发球机：基于单片机的乒乓球发球机。本文综述了国内外乒乓球发球机的现状，对已有发球机的机械结构进行分析，对乒乓球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及控制系统进行了详细论述，详细介绍了该控制系统的设计过程，具体包括外围设备的选择、电动机的选择、PWM驱动器的选择等，论证说明了该控制系统的可靠性。根据乒乓球飞行过程的受力分析建立了数学模型，并利用MATLAB进行运动仿真，分析出控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。设计的乒乓球发球机包括机械结构部分（主要由储球机构、拨球机构、螺旋送球机构、高度调整机构、横摆机构、纵摆机构、发球机构、机座、限位加固支架、简易可拆卸手拉杆以及传动机构等十一部分组成）以及控制系统部分，由伺服电动机驱动，可发出多种带有不同旋转性质的球。采用 AT89C51单片机作为控制的核心，是一种新型、性价比高的简易自动型乒乓球发球机，使其可以通过按键来控制实现供球的快慢，发球的力度、旋转、球速。使用方便，可满足不同的用户训练需求。

关键词：乒乓球发球机构设计；单片机； MATLAB运动仿真

Mechanism Design and Movement Simulation of Table Tennis Serving Machine Based on Single-chip
ABSTRACT
Under the circumstance that Chinese table tennis players have been constantly making outstanding achievements, more people are enjoying table tennis and preferring to improve playing skill by training with serving machine.This thesis aims to describe the design of Single-chip-based table tennis serving machine by addressing on the characteristics of serving and requirements both on skills training and human mechanics and combining with the present market of table-tennis serving machine, and to help trainees mastering table tennis techniques better for achieving the goal of body building. The thesis is to summarize the present development both in home and foreign markets and to analyze the mechanical structures of the existing serving machines. Moreover, the designing philosophies and procedure, operating principles and structural features of table tennis serving machine, which include the selecting principles for external facilities, motors and the PWM Drivers, will also be described in detail to prove the stability of the operating system.The reasonable parameter spans，which are for controlling the dropping points，are confirmed by establishing mathematical model to describe the mechanical analysis on the fling process of the ball. At the same time, MATLAB is used for motion simulation.The designed table tennis serving machine is consisted by two parts: mechanical hardware (which is consisted by 11 parts: the equipment to store balls, poking ball institutions, helical ball Sending institutions, Height adjusting mechanism, Yaw rate institutions, swings institutions, serving machine, base frame, Limit reinforcement stents, simple and easy removable hand rods and transmission mechanism) and controlling system. The serving machine is driven by servo motors which can serve balls in all Rotating directions.This equipment takes AT89C51 monolithic integrated circuit as the control core, which is designed to be a new-model，cost-effective and simply equipped serve machine. It can be controlled by the push-button controls for the serves with dynamic spins and various levels of speed. To conclude, this table tennis serving machine is convenient which can satisfy the different user's training needs.

Key words：Mechanism Design of Table Tennis Serving Machine; Single-chip;  MATLAB Movement Simulation

本次毕业设计的任务
本次毕业设计是以现有乒乓球发球机为背景，设计小巧、经济、方便的乒乓球发球机，并对其进行机械结构设计和控制系统设计。分析乒乓球发球机的工作原理及工作过程，并阐述了这种工作过程的可靠性及优越性，绘制发球机的总装图和零件图。根据乒乓球飞行过程的受力分析进行数学建模，并利用MATLAB仿真其过程，分析出控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系，最后对发球机进行相应分析设计，完成其设计方案，同时对控制电路进行相应的设计，最终得出结论，说明设计出基于单片机的乒乓球发球机是完全可行的。
具体内容可分为以下几个大部：
第一部分：乒乓球发球机的结构设计；
第二部分：乒乓球发球机的控制系统设计；
第三部分：乒乓球发球机的程序设计；
第四部分：乒乓球运动过程仿真；
第五部分：绘制总装配图和零件图。

乒乓球发球机在我国起步比较晚，对其的进一步的研究和发展具有重要的现实意义。随着人们生活水平的提高，全民对乒乓球的健身运动热潮愈演愈烈，健身器材的市场需求也在不断的扩大。乒乓球运动作为我国的国球，受到人们的广泛喜爱，更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材。在当今工作忙，生活节奏快的条件下，乒乓球发球机则是个理想的、不受时间限制的良师益友。正是在这种情况下，无论从人们需求、经济观点，或是科研方面考虑，乒乓球发球机的开发、研究与应用是极其必要的，必能极大地推动体育运动事业的发展以及不断满足人们的生活需求。

发球机参数设计
乒乓球发球机的工作过程是首先将乒乓球储存在储球机构中，当电源接通后，储球机构中的拨杆由输送机构中的直流电机带动转动起来，其作用是搅动储球器中的乒乓球，以防止入球口堵塞，乒乓球靠自身重力落入输送机构。螺旋上球器将球送入送球通道，该直流电动机转速控制板操作这样就可以控制单位时间内的发球数目球在通道内依次排成一列，后面的球将前面的球顶入发射机构。发射机构中的直流电机也以设定的速度模式带动两个摩擦轮转动，当球进入时，在摩擦力的作用下，将球发射出去[7]。
所研究的简易乒乓球发球机达到的主要技术性能参数：
1.供球频率：30个/分-96个/分；
2.发球速度：lOm/s-20m/s；
3.横摆摆幅范围：0。-30。，摆动速度：30次/分-92次/分；
4.纵摆行程范围：0。-30。；
5.升降范围：O-20cm；
6.可发出上、下旋球以及不旋球。

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目录
1  绪论    1
1.1  国内外乒乓球发球机的研究现状    2
1.1.1  国外乒乓球发球机的研究现状    2
1.1.2  国内乒乓球发球机的研究现状    3
1.2  选题的目的和意义    4
1.3  本次毕业设计的任务    4
1.4  本章小结    5
2  乒乓球的运动分析    6
2.1  乒乓球发球机发球原理    6
2.2  乒乓球飞行过程的力学分析    6
2.3  乒乓球质心运动的数学模型    9
2.4  乒乓球飞行过程的仿真分析    13
2.5  发球机参数设计    16
2.6  本章小结    17
3  乒乓球发球机的机械结构设计    18
3.1  乒乓球发球机的总体结构设计    18
3.2  乒乓球发球机的各个子机构设计    21
3.2.1  储球机构    21
3.2.2  拨球机构    21
3.2.3  螺旋送球机构    21
3.2.4  高度调整机构    22
3.2.5  横摆机构    22
3.2.6  纵摆机构    23
3.2.7  发球机构    24
3.3  乒乓球发球机的电动机选择    24
3.4  本章小结    26
4  乒乓球发球机控制系统设计    27
4.1  控制系统总体设计    27
4.2  控制系统各硬件电路设计    31
4.2.1  看门狗电路系统设计    32
4.2.2  键盘和液晶显示器电路系统设计    34
4.2.3  电机转速测量电路系统设计    36
4.3  电机的控制系统设计    38
4.3.1  直流电机控制系统设计    39
4.3.2  步进电机控制系统设计    44
4.4  简易乒乓球发球机的软件设计分析    48
4.5  本章小结    49
结论    50
参考文献    51
致谢    52
附录A 图纸和程序    53

附录A 图纸和程序
序号    图纸/程序名称    图纸大小    图纸代号    备注
01    螺旋上球器    A4    001    ——
02    空心导球管1    A2    002    ——
03    机座    A0    003    ——
04    拨球器    A4    004    ——
05    储球器    A2    005    ——
06    空心导球管2    A2    006    ——
07    发球机构支架    A4    007    ——
08    摩擦轮    A4    008    ——
09    发球口    A4    009    ——
10    空心导球管3（螺旋软管）    A2    010    ——
11    半圆盘圆柱齿轮    A3    011    ——
12    圆柱齿轮    A4    012    ——
13    齿条    A2    013    ——
14    总装配图    A0    014    ——
15    乒乓球发球机控制系统总电路图    A3    015    ——
16    乒乓球运动轨迹MATLAB仿真程序    ——    ——    ——
17    乒乓球发球机控制系统程序_C    ——    ——    ——