乒乓球自动升降.docx

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乒乓球自动升降

毕业论文（毕业设计说明书）

乒乓球升降高度按键控制装置

Tabletennisautomaticlifting

学生姓名：

胡修平

专业班级：

自动化系应用电子3101

指导教师：

李宝泉

完成日期：

吉林工业职业技术学院

JilinVocationalCollegeofIndustryandTechnology

毕业论文声明

本人郑重声明：

毕业论文及毕业设计工作是由本人在指导教师的指导下独立完成，尽我所知，在完成论文时利用的一切资料均已在参考文献中列出。

若有不实之处，一切后果均由本人承担（包括接受毕业论文成绩不及格，不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老师无关。

论文题目：

专业班级：

作者签名：

日期：

摘要

乒乓球升降高度自动控制装置通过电动机的转速来调整乒乓球的高度的变化，以单片机STC12C5A60S2控制电路为核心。

采用光电传感器检测乒乓球的高度，并将乒乓球的升降高度数据通过12864液晶显示器显示出来。

整个系统的电路结构简单，可靠性高。

关键词：

单片机STC12C5A60S2控制乒乓球电动机

Tabletennisautomaticlifting

Abstract

Tabletennisliftingheightautomaticcontroldevicebythemotorspeedtoadjustthetabletennisheightchanges,MCUSTC12C5A60S2single-chipmicrocomputerasthecorecontrolcircuit.Photoelectricsensorwasusedtodetecttheheightofaping-pongball,andtheliftingheightdataoftabletennisby12864LCDdisplay.Thewholesystemofthecircuitstructureissimple,highreliability.

KeyWords：

MCUSTC12C5A60S2Tabletenniselectricmotor

引言

随着现代科技的不断进步和发展，自动控制职能系统广泛应用于各个领域，如机器人、工业电子自动化设备、医疗、广告、舞台灯光、印刷、计算机外部应用等，因此对自动化控制系统的研究具有中要的显示意义和实用意义。

随着科技的进步，自动系统的广泛发展，以乒乓球自动升降高度为模型可应用到各项自动控制领域，。

特别是单片机测控技术和自动控制技术的迅速发展，已经完全可以实用自动控制系统来完成。

用STC12C5A60S2单片机作为自动控制升降控制系统的控制芯片，采用光电传感器来检测乒乓球的的高度，选用H型驱动电路驱动直流电机，利用单片机和相关电路实现键盘、显示功能，从而实现自动升降的控制。

或以单片机为核心，以键盘为输入系统，按键选定执行要测试的高度，把基本信息显示在LED液晶显示屏上。

自动控制升降在显示生活中的应用非常广泛，有医学领域中的中的升降医床的设计，建筑领域的升降设计，公共涉及领域的其中撤的设计等等，不仅应用在普通的生产领域，还能应用在高端的军事设计中，火箭发射系统，先进武器研制方面未来还会向更广领域延伸。

随着工业装置的大型化，连续化，高参数化，对自动产品的要求不断提高。

为了达到工业设备的安全升降，稳定运行，优化操作等要求，必须将设备整合，满足人们正常高效生活的目的。

升降系统设计不仅要向高精度，智能化的方向发展，向更加多的方面发展，领域会更加广泛，电梯，工程提重，农业生产，军事科研等，更好的应用未来社会生产。

1、设计思想

控制乒乓球升降高度自动控制的设计，利用气流对乒乓球高度进行控制，因为气流主要流过乒乓球下半球表面，相对于上半球的空气流速大得多，根据流速大压力小的原理，乒乓球下半球的压强比上半球的压力大所以大气就会对球产生一个向上的压力加上乒乓球的重力，乒乓球在一定的风力范围内会在空中飘动，然后用测试装置检测，返回给电机，从而控制空气流量控制乒乓球高度！

1.1基本任务目的

在单元A上能设定乒乓球升降高度、停留时间、动作次序等，并能将控制信息,并能够实时显示乒乓球高度及其误差信息以及动作状态等。

（1）利用气体将乒乓球（标准白色）向上吹起，装置能控制乒乓球离开喷口在任意的高度上稳住，从开始启动到稳定，时间不超过30秒，乒乓球稳定时上下起伏波动应在±1cm以内，稳定时间不小于10秒（以乒乓球底端为基准测量点）；能稳定地回到起点，并且无弹跳现象；

（2）能控制乒乓球在管道中做以下要求的连续运动；装置启动后，①5秒以内把乒乓球从0点吹到20cm处稳定10秒;②向下移动到5cm处，稳定5秒;③再向上移动到30cm处，稳定5秒;④回到20cm处，稳定10秒；⑤从20cm处平稳的回到起点。

完成规定动作①-⑤整个时间不超过90秒，要求各处误差均在±1cm以内。

⏹

2、系统方案的设计及论证

2.1各部分设计方案选择

方案一：

HCSR04型号超声波控制部分，本模块性能稳定，测度距离精确。

LCD12864显示，数码管显示，串口显示等。

方案二：

红外收发对管是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，利用外围电路可以时输出产生明显的高低电平的变化，高低电平的变化输入单片机就可使之识别，利用LED12864显示出来从而实现智能控制，而且比较实惠。

方案选择：

基于上述理论分析，我们选择方案二。

⏹2.2液晶模块选择

（1）方案一：

液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与单片机直接接口，提供两种界面来连接微处理机：

8-位并行及串行两种连接方式，具有多种功能：

光标显示、画面移位、睡眠模式等。

在系统调试时，当数据接收时在12864液晶模块上显示出来。

（2）方案二：

数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。

方案选择：

基于上述理论分析，我们选择方案一。

2.3芯片选择

方案一：

STC12C5A60S2单片机

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。

方案二：

89C51单片机

采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。

但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样。

如果系统增加辅助功能，还需芯片，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现也较麻烦。

另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。

方案选择：

基于上述理论分析，我们选择方案一

2.4键盘模块

方案一：

串联式键盘

串联式键盘属于非编码键盘。

适合控制系统比较复杂，单片机接口有限，串联式键盘的最大优点是可以节省单片机接口。

方案二：

编码键盘

编码键盘编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲。

选通脉冲可作为CPU的中断请求信号。

这种键盘使用方便，所需程序简单，但硬件电路复杂，常不被单片机采用。

方案三：

非编码键盘

非编码键盘按组成结构又可分为独立式键盘和矩阵式键盘。

独立式键盘的工作过程与矩阵式键盘类似，无论是硬件结构还是软件设计都比较简单。

方案三：

串联式键盘

串联式键盘属于非编码键盘。

适合控制系统比较复杂，单片机接口有限，串联式键盘的最大优点是可以节省单片机接口。

方案选择：

基于上述理论分析，我们选择方案一。

2.5电机选择

方案一：

采用L298N进行驱动。

L298N可以接至12v，L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。

方案二：

采用uln2003进行驱动。

ULN2003接5V电压，可控性低。

通过比较选择方案一，采用L298N进行驱动。

3、系统电路设计

3.1显示模块电路

单片机控制12864显示器电路设计如图4所示。

3.2电机驱动电路

本电路采用的是基于PWM原理的驱动电路。

电机的控制采用了脉宽调制技术（PWM），单片机输出一个频率不变的方波，利用调制它的脉宽来改变电机转动的速度,使乒乓球实现上升或下降的功能，其输出电压就是方波的平均值，当输出为低电平时，电机停转，当输出高电平时，电机最高速。

具体电路如下图3所示

PWM原理PWM的原理：

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉宽调制PWM式开关型稳压电源中的术语。

这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM,PFM混合型。

脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定PWM脉冲调宽控制系统能控制高电平有效时间，高电平时间越长则电动机的转速越高，风量越大，乒乓球升高。

高电平时间越短电动机的转速越低，风量越小，乒乓球下降。

PWM具有准确方便，精度等级高，自控能力强,PWM经济，节约空间，抗噪性能强等优点。

但程序复杂。

PWM脉冲调宽控制如图所示

电机驱动电路图

3.3位置检测电路

乒乓球位置检测是在风筒旁边每1厘米放置光电传感器，接到信号后把信号传递给单片机，利用光线遇到乒乓球会反射回来，光电接受装置可以接受到，在小球运动过程中光电传感器不断发出光线线，当发出的光线没有照射到乒乓球时，没有反射，输出低电平，若光电接收器接受到反射光输出高电平。

此光电传感器调理电路简单，工作性能稳定。

是在黑暗或者是强光照射下，系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强。

具体电路如图5所示。

3.4接口扩展电路图

采用CD4067扩展口。

CD4067是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。

另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。

CD4067是16通道开关，有四个二进制输入端A0～A3和控制端C输入的任意一个组合可选择一路开关。

C＝1时，关闭所有的通道。

电路连接如图。

3.5单片机最小系统图

4.1流程图

Y

N.

4.2系统框图

⏹

五、测试指标

5.1机械结构

如图下图所示乒乓球升降系统结构图包括底座、支架、控制器、吹风机、风筒等构成。

5.2系统实测

在系统各部分硬件搭建完毕，软件调试结束后，我们对系统进行了实际测试。

数据表格分别如表1——表2所示。

表1.小球行进20cm的高度（单位：

厘米）

第一次

第二次

第三次

第四次

第五次

第六次

第七次

第八次

均值

甲球

20

20

20

20

19

20

20

21

20

乙球

20

20

19

20

20

19

21

21

20

表2.小球行进30cm的高度（单位：

厘米）

第一次

第二次

第三次

第四次

第五次

第六次

第七次

第八次

均值

甲球

30

30

30

30

29

30

30

31

30

乙球

30

30

29

30

31

29

31

30

30

总结

本系统以单片机STC12C5A60S2芯片为核心部件，利用光电检测技术，无线通讯技术、按键控制技术完成了乒乓球在风筒中的上下移动。

整个设计过程结合电子电路知识满足系统设计的要求。

本次论文使我受益匪浅，又在一个基础上提升了自己，从中学到了许多在课本上学不到的东西，真正体会到只有真心付出，才会有丰硕的果实，但付出的不一定和收获的成正比；只有经历过才会懂得其中的辛苦，才会理解收获的喜悦。

从所用到的器件和思路，每一个所用到的模块反复的检查是否有错，在软件编程方面，每一次测试要是不好使都重头再来，一遍、两遍、三遍…就这样不断的尝试直到好为止，每一遍都会遇到或多或少的问题，在软件编程方面和硬件焊接方面，都有不同程度，或大或小的问题，但我学会了如何发现问题，解决问题，无论遇到什么问题，都要随机应变、沉着冷静的应对，不懂的说出来大家一起解决，最后，团队的合作起着至关重要的作用，一个涣散的团队是不可能取得成功的，优秀的团队成员应该优势互补，各司其职。

最后，感谢全体指导教师！

参考文献

[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编北京.北京理工大学出版社2008-11

[2]厉玉鸣.化工仪表及自动化.北京.化学工业出版社.1996-8

[3]张毅刚.单片机原理及应用.哈尔滨.高等教育出版社.2003-8

[4]邱寄帆.Protel99se印制电路板设计与仿真.北京.人民邮电出版社.2005-8