低功耗便攜智能乒乓球發(fā)球機設(shè)計

沈美麗

摘要：設(shè)計了一款以超低功耗MSP430芯片為主控制器，通過藍牙模塊實現(xiàn)手機APP控制發(fā)球機的整套系統(tǒng)。訓(xùn)練者通過APP軟件，直接發(fā)送命令給發(fā)球機的控制系統(tǒng)，按照設(shè)定不必靠近發(fā)球機就能改變發(fā)球速度與旋轉(zhuǎn)模式。結(jié)果表明，手機APP發(fā)出命令，系統(tǒng)各部分均能正常工作。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機;藍牙模塊;乒乓球發(fā)球機

傳統(tǒng)的乒乓球教練員訓(xùn)練方法存在許多弊端，使用乒乓球發(fā)球機可以很好地解決這些問題。本文設(shè)計了一套低功耗智能發(fā)球機，能夠發(fā)出不同初速度與旋轉(zhuǎn)方向的球，并可根據(jù)自己的訓(xùn)練水平進行調(diào)整。在訓(xùn)練時不必靠近發(fā)球機就通過語音識別改變發(fā)球速度與旋轉(zhuǎn)模式，運用藍牙通信，在智能手機APP實現(xiàn)對發(fā)球機的控制。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

乒乓球發(fā)球機系統(tǒng)由主控電路模塊、語音識別模塊、藍牙模塊和電機驅(qū)動模塊等構(gòu)成。主控電路模塊以MSP430為核心處理器，控制算法執(zhí)行、產(chǎn)生PWM信號、調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速等工作。語音識別模塊使用LD3320芯片，采用關(guān)鍵詞列表技術(shù)，聲音由外部咪頭采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過內(nèi)部語音識別算法對語音信號進行識別，給出發(fā)球指令。而后用HC-06藍牙模塊與手機進行通信，配對后利用藍牙串行端口協(xié)議將藍牙的通信轉(zhuǎn)換為虛擬串口，完成通信[1]。為了同時控制多路電機，須使用電機驅(qū)動芯片L9110S，實現(xiàn)對電機的驅(qū)動。

二、乒乓球飛行過程分析

本文采用摩擦輪式乒乓球發(fā)球機，發(fā)球方式為2個相互對轉(zhuǎn)的摩擦輪，通過摩擦將乒乓球發(fā)射出去。發(fā)球機上半部為儲球機，由1根螺旋前進的推桿將乒乓球送入發(fā)射機構(gòu)。該發(fā)球機有左右2個出球口，可以同時發(fā)射2個旋轉(zhuǎn)方向、初速度不同的球。乒乓球的初速度是由2個對轉(zhuǎn)輪所提供的初速度經(jīng)過速度合成后得到的[2]。

根據(jù)不同發(fā)球模式設(shè)定參數(shù)值，包括：上旋、下旋、球速變化、出球速率等。上旋模式時，設(shè)定下轉(zhuǎn)輪勻速運動，上轉(zhuǎn)輪加速運動;下旋模式時，設(shè)定上轉(zhuǎn)輪勻速運動，下轉(zhuǎn)輪加速運動;球速變化模式時，設(shè)定上、下轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速同時變化;出球速率模式時，設(shè)定儲球機構(gòu)中螺旋桿的轉(zhuǎn)速變化。

三、 乒乓球發(fā)球機軟件設(shè)計

1. 總體設(shè)計

系統(tǒng)上電后進行初始化操作：包括單片機I/O口初始化，LD3320芯片初始化，串口初始化。而后，系統(tǒng)進入等待中斷狀態(tài)，接收與藍牙模塊通信的中斷，當(dāng)手機向藍牙發(fā)消息，收到消息后通過串口向單片機發(fā)送，單片機進入中斷，通過中斷函數(shù)判斷執(zhí)行不同的操作;同時語音識別模塊產(chǎn)生中斷，當(dāng)采集到外部語音信號后，中斷引腳會送出一個低電平，單片機的中斷引腳接收到該中斷后立即進入中斷函數(shù)，通過單片機判斷識別是否成功，成功后取識別結(jié)果，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的用戶處理函數(shù)[3]。

2.PWM波

單片機輸出量為數(shù)字量，電機電壓為模擬量。想實現(xiàn)對電機的連續(xù)控制，需要利用單片機產(chǎn)生數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，用不同占空比的方波實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。因此，選用MSP430自身定時器的PWM波。先將PWM信號的周期值設(shè)定在定時器寄存器中，工作在增計數(shù)模式。當(dāng)計數(shù)值大于寄存器值時，I/O端口輸出值翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生0、1跳變的PWM波。若要改變PWM信號的占空比，通過改變寄存器中的值就可以完成。當(dāng)語音識別模塊識別到命令后，在函數(shù)中實現(xiàn)對PWM占空比的設(shè)定，達到軟件控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

3. 語音識別和藍牙模塊

系統(tǒng)供電后，對LD3320芯片進行初始化操作，初始化正常，就進入等待識別狀態(tài)。當(dāng)采集到外部語音信號后，開始自動識別，同時送出中斷，判斷是否識別成功，識別成功后，繼續(xù)讀取識別結(jié)果操作。若識別不成功，可能是雜音干擾，程序退出中斷，繼續(xù)等待下一次識別。MSP430與藍牙模塊通過串口連接，采用異步串口通信，雙方按照預(yù)定時鐘速率通信，沒有公共時間線。MSP430會將相鄰數(shù)據(jù)間加入一些數(shù)位進行分割，用戶需要設(shè)置串口初始化與串口配置。

4. 手機APP設(shè)計

手機APP主要功能為與藍牙模塊進行信息交互，語音模塊采集到信號并成功識別后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的用戶處理函數(shù)，藍牙模塊接收到手機傳來的命令后，發(fā)出信號讓單片機進入中斷，實現(xiàn)對發(fā)球機的控制[4]。綜合所述，實現(xiàn)了通過語音命令和手機APP對發(fā)球機的控制。

四、 系統(tǒng)測試

測試所用到的設(shè)備Vivo X9和乒乓球發(fā)球機。整個裝置配置好后系統(tǒng)供電，先發(fā)一級口令“你好”，系統(tǒng)能夠正常識別，成功后等待下一步命令。一級口令的設(shè)置是為了防止誤識別、誤觸發(fā)，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性;繼續(xù)發(fā)“開機”，電機開始轉(zhuǎn)動，發(fā)球機正常工作，將乒乓球發(fā)射出去。再通過手機APP發(fā)出開始、上旋、下旋、停止等命令，系統(tǒng)各部分正常工作，識別并做出相應(yīng)的動作，完成整個系統(tǒng)的工作。隨著發(fā)出語音命令距離的增大，識別率呈下降趨勢。這個識別率與麥克的距離相關(guān)，距離越大，識別率越低。

五、結(jié)論

以MSP430G2為核心所設(shè)計的控制器功耗低、定時、喚醒速度快，可連藍牙實現(xiàn)手機控制通信，此乒乓球訓(xùn)練助手軟件方便快捷，能較好地實現(xiàn)人機交互、達到鍛煉身體的目的。

參考文獻：

[1] 李新明.自動乒乓球發(fā)球機設(shè)計及其控制系統(tǒng)的探究[J].電子測試，2014（S1）

[2] 金鑫，田犇.基于LD3320的語音控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)[J].電腦與信息技術(shù)，2011，19（6）

[3] 楊平，王威.MSP430系列超低功耗單片機及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2008，27（12）

[4] 王臻.運用PWM技術(shù)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（6）