籃球自動充氣裝置設計與實現(xiàn)

/籃球自動充氣裝置設計和實現(xiàn)完成日期：指導老師簽字：評閱老師簽字：答辯小組組長簽字：答辯小組成員簽字：摘要目前，籃球活動之所以能夠風靡全球，不僅是因為籃球賽事具有更高的觀賞性，同時也是因為籃球是一種大眾消遣項目，人人都可以參和。但是，為了保證籃球的壽命，以及玩球手感，因此須要對籃球內(nèi)部的氣壓進行限制。假如氣壓過低，則進行補氣；假如氣壓過高，則要防掉一部分氣體。只有將籃球內(nèi)部氣囊壓力保持在一個正常水平，才能讓運動員有一個良好的手感，以及延長籃球的壽命。為此，本設計提出一套籃球自動充氣系統(tǒng)。在籃球運用一段時間后，將本設備插入籃球氣孔中，系統(tǒng)自動讀取此時籃球內(nèi)部壓力值，并推斷壓力值是否合適。假如壓力值過高，則通過設備對籃球進行放氣；若壓力值過低，則通過設備對籃球進行充氣，保持籃球內(nèi)部氣囊的壓力保持在一個穩(wěn)定范圍。這樣既能保證競賽時運動員的手感，同時也能延長籃球的壽命。關鍵詞：籃球；內(nèi)壓；自動充氣；壓力值；籃球壽命AbstractAtpresent,thereasonwhybasketballcanbepopulararoundtheworldisnotonlybecausethebasketballmatchesaremoreornamental,butalsobecausebasketballisapopularentertainmentproject,andeveryonecanparticipate.However,inordertoensurethelifeofbasketballandthesenseofplayingtheball,weneedtocontroltheairpressureinsidethebasketball.Iftheairpressureistoolow,makeupthegas;iftheairpressureistoohigh,wemustpreventapartofthegasfromfallingoff.Onlybykeepingthepressureoftheinternalairbaginanormallevel,canathleteshaveagoodsenseofhandandprolongthelifeofbasketball.Therefore,thisdesignproposesabasketballautomaticinflationsystem.Afterplayingbasketballforaperiodoftime,thedeviceisinsertedintotheblowholeofthebasketball,andthesystemautomaticallyreadstheinternalpressureofthebasketballatthistime,anddetermineswhetherthepressurevalueissuitable.Ifthepressureistoohigh,thebasketballisdeflatedthroughtheequipment;ifthepressureistoolow,itcaninflatethebasketballthroughtheequipmentandkeepthepressureoftheinsideairbaginastablerange.Inthisway,wecannotonlyguaranteetheathletes'senseoftouch,butalsoprolongthelifeofbasketball.Keywords:basketball;internalpressure;automaticinflation;pressurevalue;basketballlife.目錄1前言 11.1課題背景和意義 11.2國內(nèi)外探討現(xiàn)狀 12系統(tǒng)總體方案設計和元件選型 32.1系統(tǒng)總體方案設計 32.2系統(tǒng)核心元件選型 32.2.1單片機選型 42.2.2壓力傳感器選型 52.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的選型 52.2.4液晶顯示屏模塊的選型 63系統(tǒng)硬件電路設計 73.1單片機最小系統(tǒng)電路設計 73.2氣壓采集轉(zhuǎn)換電路設計 83.3液晶顯示硬件電路的連接 83.4充氣限制電路設計 94系統(tǒng)程序設計 114.1系統(tǒng)總體程序設計 114.2氣壓檢測程序設計 114.3液晶顯示程序設計 124.4繼電器限制程序設計 135實物焊接和測試 155.1實物焊接 155.2實物硬件測試 155.3實物軟件測試 155.4功能測試 166總結(jié)和展望 171前言1.1課題背景和意義1891年，奈史密斯在馬薩諸塞州斯普林菲爾德基督教青年會國際訓練學校任教。這所學校體育系主任盧瑟·古利克為貫徹冬季體育課教學大綱托付他設計一項室內(nèi)集體游戲。他從當?shù)貎和瘜檺塾们蛲断蛱易涌穑ó數(shù)厥a(chǎn)桃子，各戶備有桃筐）的游戲中得到啟發(fā)，創(chuàng)編了籃球游戲。

此后，籃球游戲規(guī)則不斷完善，可玩性越來越強，最終風靡全球?；@球活動之所以能夠風靡全球，不僅是因為籃球賽事具有更高的觀賞性，同時也是因為籃球是一種大眾消遣項目，人人都可以參和。但是，為了保證籃球的壽命，以及玩球手感，因此須要對籃球內(nèi)部的氣壓進行限制。假如氣壓過低，則進行補氣；假如氣壓過高，則要防掉一部分氣體。只有將籃球內(nèi)部氣囊壓力保持在一個正常水平，才能讓運動員有一個良好的手感，以及延長籃球的壽命。在籃球競賽中，籃球作為不行或缺的一部分，其內(nèi)部氣壓大小，對競賽有著重要的意義?；@球胎壓的大小不但對籃球的運用壽命存在影響，同時也會影響運動員的場上發(fā)揮。為了保證運動員場上發(fā)揮和保證籃球的壽命，因此需保證籃球內(nèi)部的氣壓維持在確定數(shù)值上。正確限制好籃球內(nèi)部氣壓值，可延長籃球運用壽命。胎壓保持在正常范圍內(nèi)，可以在確定程度上延長籃球運用壽命，削減磨損。有資料顯示，日常運用中氣壓比正常值低10%，籃球壽命將削減15%。當胎壓過高，籃球和地面的接觸面積會隨之減小，籃球所承受的壓力相對提高，壽命也會減短。此外，籃球內(nèi)部的氣壓值，也會對運動員的手感產(chǎn)生影響。尤其是對于大型賽事，為了保證對雙方球員都較為公允，一般都會接受雙方認可的氣壓值進行充氣。因此不同的氣壓值，對于運動員的手感影響很大，因此也會干脆影響到競賽的進程。因此，須要設計一套能夠在籃球打氣時實時監(jiān)測籃球氣壓，同時在壓力到達設定值范圍內(nèi)剛好停止的系統(tǒng)，實現(xiàn)上述功能。為此，本設計提出一套籃球自動充氣系統(tǒng)。在籃球運用一段時間后，將本設備插入籃球氣孔中，系統(tǒng)自動讀取此時籃球內(nèi)部壓力值，并推斷壓力值是否合適。假如壓力值過高，則通過設備對籃球進行放氣；若壓力值過低，則通過設備對籃球進行充氣，保持籃球內(nèi)部氣囊的壓力保持在一個穩(wěn)定范圍。這樣既能保證競賽時運動員的手感，同時也能延長籃球的壽命。1.2國內(nèi)外探討現(xiàn)狀目前國內(nèi)大部分都沒有接受先進的壓力檢測和壓力限制技術，只憑人員的操作閱歷來確定充氣壓力，要達到籃球額定壓力往往需經(jīng)過多次的充氣和測量過程，充氣時間長，勞動強度大，且充氣氣壓不受控、不穩(wěn)定、不精確、牢靠性差。而且由于充氣設備壓力很高，誤操作還可能會引發(fā)平安事故。此外，手動工作每次僅能對一個籃球進行充、放氣及泄漏檢測，所以修理人員的勞動強度大，并且工作效率較低。國外普遍接受自動充氣檢測裝置完成籃球的充氣以及檢漏工作。通過選擇不同的籃球參數(shù)，一臺自動充氣檢測裝置可同時完成多個籃球的自動充氣、放氣、循環(huán)檢測泄漏等工作。綜上，國內(nèi)目前還沒有較為先進的自動充氣裝置。但是隨著科技的不斷發(fā)展，以及籃球活動在全球越來越受到追捧，相比在不久的將來，基于智能檢測限制的籃球自動充氣裝置，必將會得到普及。2系統(tǒng)總體方案設計和元件選型2.1系統(tǒng)總體方案設計籃球氣壓自動檢測和充氣系統(tǒng)在實際應用中是很重要，傳統(tǒng)的充氣裝置接受手動打氣筒，這種打氣筒不能檢測壓力，并且運用次數(shù)過都會發(fā)熱，削減進氣量，而且對于較大的籃球充氣特殊耗費人力，后期出現(xiàn)了氣泵，該設備一般由壓力表，充氣泵組成，工作人員須要查看壓力表的同時限制是否給籃球充氣。但由于人工操作產(chǎn)生的人工失誤，會造成籃球壓力過大，甚至籃球爆炸。因此，若接受一款可以自動監(jiān)測籃球內(nèi)部氣壓并進行壓力充氣限制的系統(tǒng)，是特殊重要的。單單片機按鍵輸入晶振復位壓力傳感器顯示輸出聲光報警充氣限制圖2.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)主要由按鍵輸入部分、晶振復位電路部分、壓力傳感器部分、顯示輸出部分、聲光報警部分、充氣限制部分組成。按鍵輸入部分：可以通過按鍵對充氣值上限進行設置和選擇路況的功能，為系統(tǒng)輸入部分。晶振復位電路：作為單片機運行的時鐘源，是單片機最小系統(tǒng)里的一部分。壓力傳感器模塊：檢測籃球中里的氣體壓力，然后將測到的壓力值保存在自身的寄存器中等待單片機進行讀取。顯示輸出：通過單片機驅(qū)動LCD1602液晶屏進行顯示，把設定的壓力值和實時壓力值顯示在屏幕上。聲光報警：當壓力值超出設定值后，單片機輸出報警信號，通過聲音和LED燈的閃爍來進行報警。充氣限制：在設置好充氣值后，單片機依據(jù)讀取到的壓力值和設定值進行對比，假如低于設定值則驅(qū)動繼電器吸和啟動執(zhí)行機構(gòu)進行充氣。當達到設定值后，自動停止充氣。2.2系統(tǒng)核心元件選型2.2.1單片機選型在全球有很多的單片機公司，像美國的INTEL、ZILOC、ATMEL公司，荷蘭的HEILIP公司等，本文通過對這些單片機的優(yōu)缺點進行闡述，從而選擇出適合本設計的單片機。方案一：ARM處理器ARM處理器的主要特點是：它的體積比較小，功耗比一般的處理器也要低一些，成本低，執(zhí)行指令的時候速度更快更便利，所以它的很多數(shù)據(jù)都可以在寄存器里完成。指令叮囑具有高效率、尋址方式靈敏、長度固定等特點。方案二：STC89C51單片機STC89C51單片機是由宏晶公司推出的，它有優(yōu)越的性能、極高性價比，從而快速的占據(jù)了自動化領域和工業(yè)檢測的市場，成為了運用最廣泛的單片機。其實物圖和引腳圖分別如圖2.2、圖2.3所示：圖2.2STC89C51實物圖圖2.3STC89C51單片機引腳圖綜合考慮，STC89C51支持在線編程，其運行速度、程序空間、功能都能滿足基本要求，因此接受方案二。2.2.2壓力傳感器選型本系統(tǒng)為籃球內(nèi)壓測量和限制系統(tǒng)，因此限制器須要先測量當前氣壓，再通過確定限制策略實現(xiàn)氣壓限制。所以，氣壓測量精度干脆影響到系統(tǒng)的效果。因此氣壓傳感器的選型特殊重要，它的性能干脆確定了整個系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)接受了MPX4115數(shù)字氣壓傳感器。壓力傳感器對于系統(tǒng)至關重要，須要綜合實際的需求和各類壓力傳感器的性能參數(shù)加以選擇。一般要選用有溫度補償作用的壓力傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導體壓力傳感器件存在的溫度漂移問題。本設計要實現(xiàn)的數(shù)字壓力顯示的是確定壓力值，同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾實力，要求運用具有溫度補償實力的壓力傳感器。經(jīng)過綜合考慮，本設計選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器,MPX4115壓力傳感器可以產(chǎn)生高精度模擬輸出電壓，并且內(nèi)部含有放大電路，不須要另外加放大電路。MPX4115系列是壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器。這個傳感器結(jié)合了高級的微電子技術，薄膜鍍金屬。還能為高水準模擬輸出信號供應一個均衡壓力。在0℃-85℃的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補償是-40℃-125℃。小的外形和片上集成的高牢靠性，使得它很受歡迎。2.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的選型PCF8591是一款單電源、低功耗8位COMS型A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片，它具有4路模擬量輸入通道、一路模擬量輸出通道和1個I2C總線接口[5]。PCF8591起到模數(shù)轉(zhuǎn)換作用，就是將測量的電壓狀況轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸給單片機進行處理。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)信息在LCD1602中顯示。其引腳圖如圖2.4所示：圖2.4PCF8591芯片引腳圖2.2.4液晶顯示屏模塊的選型目前，顯示模塊常接受數(shù)碼管或液晶屏來進行設計。數(shù)碼管具有成本低廉的特點，液晶屏顯示的內(nèi)容豐富，它們在低成本的電路中得到了廣泛運用。本設計接受字符型液晶屏1602進行顯示模塊的設計。1602液晶顯示屏特地用于顯示數(shù)字、字母、符號等，日前人們常用的有16*1、16*2、20*2和40*2行等，下圖為一般常見1602液晶顯示，實物圖如圖2.5所示：圖2.5LCD1602硬件實物圖3系統(tǒng)硬件電路設計3.1單片機最小系統(tǒng)電路設計本設計是接受51單片機作為系統(tǒng)的智能限制系統(tǒng)。51單片機最小系統(tǒng)電路如圖3.1所示：圖3.1單片機最小系統(tǒng)電路圖STC89C51想要正常工作，必需要有晶振電路、復位電路的支持。在單片機晶振電路中，接受晶振頻段為12M為單片機供應工作主頻。同時，為了提高晶振的穩(wěn)定性和牢靠性，接受兩個22PF的電容進行去耦。為了防止單片機斷電時寄存器出現(xiàn)異樣，或程序運行過程中出現(xiàn)問題，還添加了復位電路，同時為了增加P0口的輸出驅(qū)動實力，特殊添加一個4.7K排阻，標號RP1。3.2氣壓采集轉(zhuǎn)換電路設計對于籃球內(nèi)部氣壓檢測，本系統(tǒng)是通過氣壓變送器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片共同實現(xiàn)的。在本設計中，接受PCF8591芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將薄膜電阻的輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過I2C通信將數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行處理[8]。PCF8591外電路極其簡潔，無需任何外置元件，只需通電5V電壓供電即可實現(xiàn)困難的功能。本設計接受該芯片的模擬采集通道0來采集壓力應變片的輸出電壓信號，通過芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓。具體電路如圖3.2所示：圖3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖3.3液晶顯示硬件電路的連接本系統(tǒng)中，檢測端接受的是1602液晶屏作為顯示單元，主要用作檢測狀態(tài)的顯示和提示。LCD的D0～D7作為數(shù)據(jù)線分別接于單片機的P0口，因為P0口內(nèi)部缺少上拉電阻，因而有必要額外加一個4.7K的上拉電阻；P2.5—P2.7分別接LCD的RS、RW、EN三個限制管腳；R4用來調(diào)整LCD的顯示灰度[10]。具體電路如圖3.4所示：圖3.41602液晶屏顯示接口電路圖在接收端，為了得到更好的顯示效果，接受5110液晶屏來顯示報警狀態(tài)。5110可以顯示4行漢字，分別將不同狀態(tài)的狀況進行顯示，便利值班人員查看[11]。5110驅(qū)動電路特殊簡潔，外電路無需其他元件，僅須要5根數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)對液晶屏的完整驅(qū)動。3.4充氣限制電路設計因為我們接受的電動打氣筒是220V工作電壓的，所以此部分電路設計原理主要是低壓驅(qū)動高壓。并且繼電器小號電流較大，單片機無法干脆實現(xiàn)，因此本設計接受三極管驅(qū)動繼電器工作，實現(xiàn)電動充氣。當繼電器K1閉合時，此時導通繼電器，此時起先打氣。具體電路如下所示。4系統(tǒng)程序設計4.1系統(tǒng)總體程序設計本設計中，軟件設計流程如下：單片機上電后初始化，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)氣壓值的采集和數(shù)字化處理。然后，該信息經(jīng)過液晶屏顯示。單片機推斷該氣壓值是否足夠，假如不夠的話，則驅(qū)動繼電器進行打氣，否則不打氣，接著采集氣壓并推斷。4.2氣壓檢測程序設計本設計中，A/D采集選用PCF8591進行設計。該芯片在運用前，須要通過IIC通道對芯片進行配置，之后芯片就可以自動采集模擬電壓，并傳輸給單片機。因此，首先須要設置采集通道、采集速率，該電壓值可以經(jīng)過換算，換算成對應的籃球內(nèi)部氣壓值。具體流程圖如圖4.2所示：4.3液晶顯示程序設計本設計接受51單片機驅(qū)動該液晶屏，實現(xiàn)對當前信息進行顯示。液晶顯示流程圖，如下圖4.5所示。圖4.51602液晶屏顯示流程圖4.4繼電器限制程序設計本設計中，通過傳感器檢測籃球內(nèi)部氣壓，然后進行限制。假如氣壓低于閾值，接著打氣。否則停止打氣。流程圖如下所示：5實物焊接和測試在前面的章節(jié)中，我們完成了對系統(tǒng)的硬件選型和軟件設計，為了檢驗設計的合理性，使設計能夠正常運行并達到預期目標，必需對系統(tǒng)進行調(diào)試和測試，對實物進行加工檢驗。5.1實物焊接首先理解電路原理圖，依據(jù)電路板合理分布元件位置，然后依據(jù)規(guī)劃的擺放位置，先焊接主要元件、大元件，再焊接外圍小元件，留意導線的美觀性。正式焊接時，首先焊接核心芯片、貼片電阻電容，然后焊接晶振、單排插針，在焊接電源插頭、電源模塊等。在焊接過程中，漏焊及焊接的錫不合規(guī)范，一點小的錯誤都能夠?qū)е抡麄€電路斷路甚至是短路，所以在這個環(huán)節(jié)考驗自己的動手實力和細致當心的狀態(tài)。焊接好的電路板如下圖5.1所示：圖5.1實物焊接效果圖5.2實物硬件測試進行硬件焊接和測試，是硬件設計必要的過程。當電路沒有短路、斷路時，表明電路初步正確，此時才可以通電進行測試。通電測試主要測量各個節(jié)點的電氣特性。實物焊接好之后，不能馬上就進行上電測試。在此之前，須要先用眼以及萬用表，檢測全部焊接點和焊接連線，看是否有短路斷路發(fā)生。假如有，則須要馬上解決。假如檢測都沒有問題，在進行接下來的編程下載和測試。在電路檢查排故中，檢測到北斗模塊電源線和單片機電路的電源線接反，因此剛好進行修改，避開產(chǎn)生電路短路狀況。之后，通過單片機下載工具，將寫好的程序下載到單片機中，之后就可以進行軟件調(diào)試測試。5.3實物軟件測試本設計接受KEIL4軟件，以及單片機C語言，來進行系統(tǒng)程序設計。對軟件的測試，主要是基于KEIL4軟件，對編寫好的程序進行編譯調(diào)試，測試是否全部通過。在實際測試時，程序干脆正常編譯成功，并生成hex文件。該文件就是下載到單片機中執(zhí)行程序指令的程序下載文件。5.4功能測試6總結(jié)和展望本課題提出并設計一套籃球自動充氣系統(tǒng)。設計經(jīng)過前期的調(diào)研，確定了課題實現(xiàn)的功能要求。然后，依據(jù)系統(tǒng)的功能要求，設計出系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)來。在此基礎上，對各個子電路的核心元件進行選型。確定了系統(tǒng)的核心元件后，就可以開展系統(tǒng)的硬件電路設計工作。本設計將系統(tǒng)電路劃分為多個子電路盡行設計，子電路設計完整，匯總后就是系統(tǒng)的總體電路圖。然后，接受KEIL和C語言進行程序設計，通過軟硬件協(xié)作，實現(xiàn)預期功能。本設計實現(xiàn)了預期功能，但是照舊存在很多須要改進的地方。例如系統(tǒng)的氣壓采集電路和程序，接受的是市面上較為常見的氣壓傳感器，其精度并不高。后續(xù)可以升級成精度更高的工業(yè)級氣壓傳感器，從而是測試效果更好。通過改進，希望本設計能夠具有更好的運用效果，得到廣泛運用。參考文獻[1]陳滿秀.寶駿560汽車胎壓監(jiān)控系統(tǒng)初探[J].內(nèi)燃機和配件，2018.01[2]張舉.基于智能傳感器的汽車電子技術應用探討[J].信息系統(tǒng)工程,2017,12[3]莊重.通用型汽車胎壓胎溫監(jiān)