乒乓球升降高度自动控制装置

吉林铁道职业技术学院 张青青

乒乓球升降高度自动控制装置

吉林铁道职业技术学院 张青青

本系统由高度检测模块、L298N直流电机驱动模块、控制模块、语音模块、显示模块、无线传输模块组成，采用超声波传感器检测乒乓球上升高度，利用STC12C5A60S2单片机对传感器输出的信号进行实时采集，通过对当前高度的分析判断，控制直流电机的转速，并由蓝牙进行控制数据的传输，从而完成对乒乓球升降高度的自动控制。

超声波；STC12C5A60S2；蓝牙；实时

一、系统方案选择

本系统主要由高度检测模块、无线传输模块、风扇驱动模块、控制模块、输入输出模块、报警提示模块组成。

1.高度检测模块 的方案选择

方案一：采用超声波传感器测量到乒乓球的距离，找出距离与高度的对应关系；超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据定时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。把超声波探头固定在上方，用直尺测量不同的距离，然后采用超声波进行测量对比。经过试验，采用超声波测距的误差为5mm。采用超声波测量，传感器不与乒乓球接触，不增加乒乓球的负重，减少对乒乓球高度的影响。操作简单，容易控制高度。

方案二：采用激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从激光探头到目标的距离。缺点：测量距离与实际距离误差太大，线性不好且数据不稳定。考虑测量精度及稳定性本系统采用方案一。

2.风扇驱动模块的方案选择

方案一：步进电机驱动风扇。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个步距角。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

方案二：直流电机驱动风扇。通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化，从而改变电机速度。利用PWM调速，它的优点是电源的能量功率能得到充分利用、电路的效率高、调速方便。L298N功率较大，运行稳定，易于控制。考虑控制方法及驱动能力，采用方案二。

3.控制模块的方案选择

采用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片。STC12C5A60S2单片机是单周期单片机，速度是普通51单片机的12倍，并且STC12C5A60S2单片机内核仍是51单片机内核，兼容51单片机所有程序指令，功耗低并且价格低廉，有很高的性价比。

4.无线传输模块

方案一：采用蓝牙传输。蓝牙为短距离无线连接技术，使用无线电频段。为避免此频段电子装置众多而造成的相互干扰，因而以一千六百次高难度跳频以及加密保密技术，传输速率在432Kbps到721Kbps。使用时可靠，不易乱码，实验数据准确，传输效率快。

方案二：采用2262-2272芯片。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。考虑使用简单，易于编程及数据传输，采用方案一。

5.显示模块、输入模块方案选择

采用LCD12864液晶屏实时显示高度，键盘输入进行高度的设定。

6.报警提示模块

采用ISD4003语音芯片。ISD4003语音芯片可录、放音十万次，存储內容可以断电保留一百年，按键模式和MCU串行控制模式（SPI协议）。MIC和ANAin两种录音模式，PWM和AUD/AUX三种放音输出方式，可处理多达255段以上信息。

二、系统理论分析与计算

1.风扇调速原理

脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。对于直流电机调速系统，使用单片机进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图1所示。只要按一定规律改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为：

式中，Vd——电机的平均速度

Vmax——电机全通时的速度（最大）

2.高度测量原理

高度位移传感器输出为0-12V电压，利用STC12C5A60S2单片机内部的A/D，能够采集高度位移传感器的电压对应的源码，分别在乒乓球5cm和30cm的位置读出A/D源码M0和M30，对这期间的数据进行线性分析，总结高度与传感器输出的公式：

式中，A——对应角度

M0——0cm时A/D采集数值

图1 占空比—高度对应关系

图2 周期—高度对应关系

图3 A、B模块框图

表1 功能测试数据

表2 连续运动测试数据

表3 实时显示高度数据

图4 总体电路图

图5 A、B单元程序流程图

M30——30cm时A/D采集数值

Mx——X度时A/D采集数值

3.控制算法

系统要求在设定高度时，风力能够快速达到要求，为此采用实验法。首先从大到小改变占空比，记录风力能使乒乓球快速达到的高度，如图1。

在实验的过程中，由于每次调整占空比要改变定时器的初始值，因此对算法进行了改进，把调整占空比，改为调整周期，设高电平t1为固定值100(以10μs为一个单位)，每次修改低电平时间，这样得出与高度的对应关系。采用修改周期的方法从控制精度上能够达到0.5cm并且程序修改数值简单，在周期与角度的线性关系上也便于处理，因此最终采用t1从10到100，t2为100作为控制数据，如图2。

三、电路与程序设计

1.硬件设计

（1）系统硬件的基本组成

乒乓球控制系统硬件由A、B两个控制单元组成，A单元为高度检测模块、无线发射模块和输入、显示模块；B单元为速度控制模块、语音提示模块、无线接收模块组成。系统由直流电机驱动风扇，超声波模块实时检测乒乓球的高度并由液晶屏显示，当高度达到设定值蜂鸣器报警，如图3。

（2）具体电路组成

2.软件设计

系统软件主要包括高度检测、电机调速控制。首先由单片机采集超声波传感器数值，由无线发射将数据传输给单元B，由单元B进行电机的速度控制然后将数据传输到调速控制模块，进行分析、判断，最后确定直流电机的转速，并实时显示乒乓球高度及稳定时间。

四、测试结果及分析

1.测试结果

(1)乒乓球高度在5cm-30cm变化，记录直尺与液晶显示的高度值及上升时间及稳定时间，如下表：

(2)控制乒乓球在管道中做的连续运动，记录时间和高度，如下表所示：

(3)实时显示稳定时的误差。如下表：

2.结果及分析

根据实验分析，可以得出以下结论：

(1)通过测试，本系统能控制乒乓球在管道内任意高度上稳住，从开始启动到稳定的时间为2s，乒乓球稳定时上下起伏波动在±0.5cm以内，稳定时间10s至11s，能稳定的回到起点。

(2)本系统能够实现多点之间的连续运动，完成整套动作用时40s，各处误差均小于1cm。

(3)本系统能够实时显示稳定时的实际值和误差值，并伴随声光提示。

(4)本系统能够任意预先设定两个位置参数，在10s之内达到指定高度，并且连续在这两个高度上做起伏运动。

本系统采用超声波传感器测量乒乓球高度，以STC12C5A60S2单片机作为控制芯片，通过LCD12864进行实时高度的显示，键盘输入设定高度，当乒乓球达到设定高度时，有声光提示。在控制高度精度方面达到了0.5cm，控制时间最慢为2s。

张青青（1980—），女，硕士研究生，吉林铁道职业技术学院讲师，研究方向：机电一体化。