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1、 篮球自动充气装置设计与实现 完成日期：指导教师签字：评阅教师签字：答辩小组组长签字：答辩小组成员签字：摘 要 目前，篮球活动之所以能够风靡全球，不仅是因为篮球赛事具有更高的观赏性，同时也是因为篮球是一种大众娱乐项目，人人都可以参与。但是，为了保证篮球的寿命，以及玩球手感，因此需要对篮球内部的气压进行控制。如果气压过低，则进行补气；如果气压过高，则要防掉一部分气体。只有将篮球内部气囊压力保持在一个正常水平，才能让运动员有一个良好的手感，以及延长篮球的寿命。为此，本设计提出一套篮球自动充气系统。在篮球使用一段时间后，将本设备插入篮球气孔中，系统自动读取此时篮球内部压力值，并判断压力值是否合适。如
2、果压力值过高，则通过设备对篮球进行放气；若压力值过低，则通过设备对篮球进行充气，保持篮球内部气囊的压力保持在一个稳定范围。这样既能保证比赛时运动员的手感，同时也能延长篮球的寿命。关键词：篮球；内压；自动充气；压力值；篮球寿命 Abstract At present,the reason why basketball can be popular around the world is not only because the basketball matches are more ornamental,but also because basketball is a popular enter
3、tainment project,and everyone can participate.However,in order to ensure the life of basketball and the sense of playing the ball,we need to control the air pressure inside the basketball.If the air pressure is too low,make up the gas;if the air pressure is too high,we must prevent a part of the gas
4、 from falling off.Only by keeping the pressure of the internal air bag in a normal level,can athletes have a good sense of hand and prolong the life of basketball.Therefore,this design proposes a basketball automatic inflation system.After playing basketball for a period of time,the device is insert
5、ed into the blowhole of the basketball,and the system automatically reads the internal pressure of the basketball at this time,and determines whether the pressure value is suitable.If the pressure is too high,the basketball is deflated through the equipment;if the pressure is too low,it can inflate
6、the basketball through the equipment and keep the pressure of the inside air bag in a stable range.In this way,we can not only guarantee the athletes sense of touch,but also prolong the life of basketball.Key words:basketball;internal pressure;automatic inflation;pressure value;basketball life.目 录 1
7、 前言.1 1.1 课题背景与意义.1 1.2 国内外研究现状.1 2 系统总体方案设计与元件选型.3 2.1 系统总体方案设计.3 2.2 系统核心元件选型.3 2.2.1 单片机选型.4 2.2.2 压力传感器选型.5 2.2.3 模数转换模块的选型.5 2.2.4 液晶显示屏模块的选型.6 3 系统硬件电路设计.7 3.1 单片机最小系统电路设计.7 3.2 气压采集转换电路设计.8 3.3 液晶显示硬件电路的连接.8 3.4 充气控制电路设计.9 4 系统程序设计.11 4.1 系统总体程序设计.11 4.2 气压检测程序设计.11 4.3 液晶显示程序设计.12 4.4 继电器控制程
8、序设计.13 5 实物焊接与测试.15 5.1 实物焊接.15 5.2 实物硬件测试.15 5.3 实物软件测试.15 5.4 功能测试.16 6 总结与展望.17 1 前言 1.1 课题背景与意义 1891 年，奈史密斯在马萨诸塞州斯普林菲尔德基督教青年会国际训练学校任教。这所学校体育系主任卢瑟古利克为贯彻冬季体育课教学大纲委托他设计一项室内集体游戏。他从当地儿童喜欢用球投向桃子筐（当地盛产桃子，各户备有桃筐）的游戏中得到启发，创编了篮球游戏。此后，篮球游戏规则不断完善，可玩性越来越强，最终风靡全球。篮球活动之所以能够风靡全球，不仅是因为篮球赛事具有更高的观赏性，同时也是因为篮球是一种大众娱
9、乐项目，人人都可以参与。但是，为了保证篮球的寿命，以及玩球手感，因此需要对篮球内部的气压进行控制。如果气压过低，则进行补气；如果气压过高，则要防掉一部分气体。只有将篮球内部气囊压力保持在一个正常水平，才能让运动员有一个良好的手感，以及延长篮球的寿命。在篮球比赛中，篮球作为不可或缺的一部分，其内部气压大小，对比赛有着重要的意义。篮球胎压的大小不但对篮球的使用寿命存在影响，同时也会影响运动员的场上发挥。为了保证运动员场上发挥和保证篮球的寿命，因此需保证篮球内部的气压维持在一定数值上。正确控制好篮球内部气压值，可延长篮球使用寿命。胎压保持在正常范围内，可以在一定程度上延长篮球使用寿命，减少磨损。有资
10、料显示，日常使用中气压比正常值低 10%，篮球寿命将减少 15%。当胎压过高，篮球与地面的接触面积会随之减小，篮球所承受的压力相对提高，寿命也会减短。此外，篮球内部的气压值，也会对运动员的手感产生影响。尤其是对于大型赛事，为了保证对双方球员都较为公平，一般都会采用双方认可的气压值进行充气。因此不同的气压值，对于运动员的手感影响很大，因此也会直接影响到比赛的进程。因此，需要设计一套能够在篮球打气时实时监测篮球气压，同时在压力到达设定值范围内及时停止的系统，实现上述功能。为此，本设计提出一套篮球自动充气系统。在篮球使用一段时间后，将本设备插入篮球气孔中，系统自动读取此时篮球内部压力值，并判断压力值
11、是否合适。如果压力值过高，则通过设备对篮球进行放气；若压力值过低，则通过设备对篮球进行充气，保持篮球内部气囊的压力保持在一个稳定范围。这样既能保证比赛时运动员的手感，同时也能延长篮球的寿命。1.2 国内外研究现状 目前国内大部分都没有采用先进的压力检测和压力控制技术，只凭人员的操作经验来确定充气压力，要达到篮球额定压力往往需经过多次的充气与测量过程，充气时间长，劳动强度大，且充气气压不受控、不稳定、不精确、可靠性差。而且由于充气设备压力很高，误操作还可能会引发安全事故。此外，手动工作每次仅能对一个篮球进行充、放气及泄漏检测，所以维修人员的劳动强度大，并且工作效率较低。国外普遍采用自动充气检测装
12、置完成篮球的充气以及检漏工作。通过选择不同的篮球参数，一台自动充气检测装置可同时完成多个篮球的自动充气、放气、循环检测泄漏等工作。综上，国内目前还没有较为先进的自动充气装置。但是随着科技的不断发展，以及篮球活动在全球越来越受到追捧，相比在不久的未来，基于智能检测控制的篮球自动充气装置，必将会得到普及。2 系统总体方案设计与元件选型 2.1 系统总体方案设计 篮球气压自动检测与充气系统在实际应用中是很重要，传统的充气装置采用手动打气筒，这种打气筒不能检测压力，并且使用次数过都会发热，减少进气量，而且对于较大的篮球充气非常耗费人力，后期出现了气泵，该设备一般由压力表，充气泵组成，工作人员需要查看压
13、力表的同时控制是否给篮球充气。但由于人工操作产生的人工失误，会造成篮球压力过大，甚至篮球爆炸。因此，若采用一款可以自动监测篮球内部气压并进行压力充气控制的系统，是非常重要的。图 2.1 系统总体框图 系统主要由按键输入部分、晶振复位电路部分、压力传感器部分、显示输出部分、声光报警部分、充气控制部分组成。按键输入部分：可以通过按键对充气值上限进行设置和选择路况的功能，为系统输入部分。晶振复位电路：作为单片机运行的时钟源，是单片机最小系统里的一部分。压力传感器模块：检测篮球中里的气体压力，然后将测到的压力值保存在自身的寄存器中等待单片机进行读取。显示输出：通过单片机驱动 LCD1602 液晶屏进行
14、显示，把设定的压力值与实时压力值显示在屏幕上。声光报警：当压力值超出设定值后，单片机输出报警信号，通过声音与 LED 灯的闪烁来进行报警。充气控制：在设置好充气值后，单片机根据读取到的压力值与设定值进行对比，如果低于设定值则驱动继电器吸和启动执行机构进行充气。当达到设定值后，自动停止充气。2.2 系统核心元件选型 单 片 机 按键输入 晶振复位 压力传感器 显示输出 声光报警 充气控制 2.2.1 单片机选型 在全球有很多的单片机公司，像美国的 INTEL、ZILOC、ATMEL公司，荷兰的 HEILIP 公司等，本文通过对这些单片机的优缺点进行阐述，从而选择出适合本设计的单片机。方案一：AR
15、M 处理器 ARM 处理器的主要特点是：它的体积比较小，功耗比一般的处理器也要低一些，成本低，执行指令的时候速度更快更方便，所以它的很多数据都可以在寄存器里完成。指令命令具有高效率、寻址方式灵活、长度固定等特点。方案二：STC89C51 单片机 STC89C51 单片机是由宏晶公司推出的，它有优越的性能、极高性价比，从而迅速的占领了自动化领域和工业检测的市场，成为了使用最广泛的单片机。其实物图和引脚图分别如图 2.2、图 2.3所示：图 2.2 STC89C51 实物图 图 2.3 STC89C51 单片机引脚图 综合考虑，STC89C51支持在线编程，其运行速度、程序空间、功能都能满足基本要
16、求，因此采用方案二。2.2.2 压力传感器选型 本系统为篮球内压测量与控制系统，因此控制器需要先测量当前气压，再通过一定控制策略实现气压控制。所以，气压测量精度直接影响到系统的效果。因此气压传感器的选型非常重要，它的性能直接决定了整个系统的性能。本系统采用了MPX4115 数字气压传感器。压力传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类压力传感器的性能参数加以选择。一般要选用有温度补偿作用的压力传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。本设计要实现的数字压力显示的是绝对压力值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的压力传感器。经过综
17、合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器,MPX4115 压力传感器可以产生高精度模拟输出电压，并且内部含有放大电路，不需要另外加放大电路。MPX4115 系列是压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电子技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0-85的温度下误差不超过 1.5%，温度补偿是-40-125。小的外形和片上集成的高可靠性，使得它很受欢迎。2.2.3 模数转换模块的选型 PCF8591是一款单电源、低功耗 8 位 COMS 型 A/D、D/A转换芯片，它具有 4路模拟量输入通道、一路模拟量输出通道和 1 个 I2C 总线接口5。P
18、CF8591 起到模数转换作用，就是将测量的电压情况转换为数字信号，并传输给单片机进行处理。经过处理后的数据信息在 LCD1602中显示。其引脚图如图 2.4所示：图 2.4 PCF8591 芯片引脚图 2.2.4 液晶显示屏模块的选型 目前，显示模块常采用数码管或液晶屏来进行设计。数码管具有成本低廉的特点，液晶屏显示的内容丰富，它们在低成本的电路中得到了广泛使用。本设计采用字符型液晶屏 1602 进行显示模块的设计。1602 液晶显示屏专门用于显示数字、字母、符号等，日前人们常用的有 16*1、16*2、20*2和 40*2 行等，下图为一般常见1602液晶显示，实物图如图 2.5 所示：图
19、 2.5 LCD1602硬件实物图 3 系统硬件电路设计 3.1 单片机最小系统电路设计 本设计是采用 51 单片机作为系统的智能控制系统。51 单片机最小系统电路如图 3.1所示：图 3.1 单片机最小系统电路图 STC89C51 想要正常工作，必须要有晶振电路、复位电路的支持。在单片机晶振电路中，采用晶振频段为12M为单片机提供工作主频。同时，为了提高晶振的稳定性和可靠性，采用两个 22PF 的电容进行去耦。为了防止单片机断电时寄存器出现异常，或程序运行过程中出现问题，还添加了复位电路，同时为了增加 P0 口的输出驱动能力，特别添加一个4.7K排阻，标号 RP1。3.2 气压采集转换电路设
20、计 对于篮球内部气压检测，本系统是通过气压变送器和模数转换芯片共同实现的。在本设计中，采用PCF8591芯片进行模数转换，将薄膜电阻的输出电压转换成数字量，通过 I2C 通信将数据传输给单片机进行处理8。PCF8591 外电路极其简单，无需任何外置元件，只需通电 5V 电压供电即可实现复杂的功能。本设计采用该芯片的模拟采集通道 0 来采集压力应变片的输出电压信号，通过芯片内部转换，实现模拟电压转换成数字电压。具体电路如图3.2所示：图 3.2 模数转换电路图 3.3 液晶显示硬件电路的连接 本系统中，检测端采用的是 1602 液晶屏作为显示单元，主要用作检测状态的显示和提示。LCD 的 D0D
21、7 作为数据线分别接于单片机的 P0 口，因为 P0 口内部缺少上拉电阻，因而有必要额外加一个 4.7K 的上拉电阻；P2.5P2.7 分别接 LCD的 RS、RW、EN 三个控制管脚；R4 用来调节 LCD 的显示灰度10。具体电路如图3.4所示：图 3.4 1602液晶屏显示接口电路图 在接收端，为了得到更好的显示效果，采用 5110 液晶屏来显示报警状态。5110 可以显示 4 行汉字，分别将不同状态的情况进行显示，方便值班人员查看11。5110驱动电路非常简单，外电路无需其他元件，仅需要 5 根数据线即可实现对液晶屏的完整驱动。3.4 充气控制电路设计 因为我们采用的电动打气筒是 22
22、0V 工作电压的，所以此部分电路设计原理主要是低压驱动高压。并且继电器小号电流较大，单片机无法直接实现，因此本设计采用三极管驱动继电器工作，实现电动充气。当继电器 K1 闭合时，此时导通继电器，此时开始打气。具体电路如下所示。4 系统程序设计 4.1 系统总体程序设计 本设计中，软件设计流程如下：单片机上电后初始化，然后通过模数转换芯片，实现气压值的采集和数字化处理。然后，该信息经过液晶屏显示。单片机判断该气压值是否足够，如果不够的话，则驱动继电器进行打气，否则不打气，继续采集气压并判断。单片机初始化开始气压判断气压不够？打气气压模拟转换是否液晶显示结束 4.2 气压检测程序设计 本设计中，A
23、/D 采集选用 PCF8591 进行设计。该芯片在使用前，需要通过 IIC通道对芯片进行配置，之后芯片就可以自动采集模拟电压，并传输给单片机。因此，首先需要设置采集通道、采集速率，该电压值可以经过换算，换算成对应的篮球内部气压值。具体流程图如图4.2所示：单片机初始化开始A/D 初始化设置采集通道设置采样速率开始采集电压篮球气压换算结束 4.3 液晶显示程序设计 本设计采用 51 单片机驱动该液晶屏，实现对当前信息进行显示。液晶显示流程图，如下图4.5所示。对 1602初始化 写入显示设置命令延时5ms检查忙信号获得显示RAM地址写入相应的数据延时5msBF=0?开始结束数据显示完毕？图 4.
24、5 1602 液晶屏显示流程图 4.4 继电器控制程序设计 本设计中，通过传感器检测篮球内部气压，然后进行控制。如果气压低于阈值，继续打气。否则停止打气。流程图如下所示：单片机初始化开始气压检测气压不够？打气否结束是 5 实物焊接与测试 在前面的章节中，我们完成了对系统的硬件选型与软件设计，为了检验设计的合理性，使设计能够正常运行并达到预期目标，必须对系统进行调试和测试，对实物进行加工检验。5.1 实物焊接 首先理解电路原理图，根据电路板合理分布元件位置，然后根据规划的摆放位置，先焊接主要元件、大元件，再焊接外围小元件，注意导线的美观性。正式焊接时，首先焊接核心芯片、贴片电阻电容，然后焊接晶振
25、、单排插针，在焊接电源插头、电源模块等。在焊接过程中，漏焊及焊接的锡不合规范，一点小的错误都能够导致整个电路断路甚至是短路，所以在这个环节考验自己的动手能力和细致小心的状态。焊接好的电路板如下图5.1所示：图 5.1 实物焊接效果图 5.2 实物硬件测试 进行硬件焊接与测试，是硬件设计必要的过程。当电路没有短路、断路时，表明电路初步正确，此时才可以通电进行测试。通电测试主要测量各个节点的电气特性。实物焊接好之后，不能立刻就进行上电测试。在此之前，需要先用眼以及万用表，检测所有焊接点和焊接连线，看是否有短路断路发生。如果有，则需要立刻解决。如果检测都没有问题，在进行接下来的编程下载与测试。在电路
26、检查排故中，检测到北斗模块电源线与单片机电路的电源线接反，因此及时进行修改，避免产生电路短路情况。之后，通过单片机下载工具，将写好的程序下载到单片机中，之后就可以进行软件调试测试。5.3 实物软件测试 本设计采用 KEIL4 软件，以及单片机 C 语言，来进行系统程序设计。对软件的测试，主要是基于 KEIL4 软件，对编写好的程序进行编译调试，测试是否全部通过。在实际测试时，程序直接正常编译成功，并生成 hex 文件。该文件就是下载到单片机中执行程序指令的程序下载文件。5.4 功能测试 6 总结与展望 本课题提出并设计一套篮球自动充气系统。设计经过前期的调研，确定了课题实现的功能要求。然后，根
27、据系统的功能要求，设计出系统的硬件总体结构来。在此基础上，对各个子电路的核心元件进行选型。确定了系统的核心元件后，就可以开展系统的硬件电路设计工作。本设计将系统电路划分为多个子电路尽行设计，子电路设计完整，汇总后就是系统的总体电路图。然后，采用KEIL 和 C 语言进行程序设计，通过软硬件配合，实现预期功能。本设计实现了预期功能，但是仍然存在很多需要改进的地方。例如系统的气压采集电路和程序，采用的是市面上较为常见的气压传感器，其精度并不高。后续可以升级成精度更高的工业级气压传感器，从而是测试效果更好。通过改进，希望本设计能够具有更好的使用效果，得到广泛使用。参考文献 1陈满秀.宝骏 560 汽
28、车胎压监控系统初探J.内燃机与配件，2018.01 2张举.基于智能传感器的汽车电子技术应用研究J.信息系统工程,2017,12 3 庄严.通用型汽车胎压胎温监测系统研究:D.长春理工大学学报，2017 4刘国强，郑召全;基于单片机技术的轮胎压力监测系统J;电子技术用;2016.12(16):3638 5李凯.汽车轮胎压力监测系统(TPMS)的设计:D.武汉:武汉理工大学，2015 6陶桂宝，庞丽.直接式汽车轮胎压力监测系统设计J.重庆大学学报，2018.01(22):812 7杨悦,网络智能化电路实验系统的研究与设计D.吉林大学,2014 8宋玮,基于双源多特征的步态信息融合技术研究D.天津
29、大学,2014 9梁晨.浅谈胎压监测系统的整车设计方案J.汽车实用技术,2017,11 10倪志平.基于 Android 胎压监测系统的设计J.电子制作,2017,09 11Svein Vetti,Chipcon AS;TPMS and RKE Operating In The Same ISM Frequency BandJM;EPN Automotive Electronics;2013 12Liang Zheng,Tie Liu,Hong Hu,et al.Study on a novel SAW sensor in TPMS based on the P-matrix model.Na
30、no/Micro Engineered and Molecular Systems,2008.NEMS 2008.3rd IEEE International Conference on 6-9 Jan,2018.462466 13Dr V Kalinin,Dr R Lohr;SAW based TPMS-Theory and PracticeJ M;Tire technology EXPO 2004;March 2014 14刘晓亮,基于单片机的制袋机智能控制系统设计与实现D.中国海洋大学,2013 15李鹏,基于单片机的数字式流量控制阀的结构设计与控制D.东北林业大学,2016 致 谢 简述自己对本论文（设计）工作的体会，并对在课题研究和设计说明书（论文）撰写过程中曾直接给予帮助的人员（例如指导教师、答疑教师及其他人员）表示自己的谢意。黑体，三号，居中，两字间空 1 格。致谢正文，宋体，小四，行距：固定值 20 磅。致谢 A4 纸，双面打印。页码：从正文开始到参考文献、到致谢、到附录，使用阿拉伯数字（1、2、3），居中，宋体，小五。致谢有页眉 附 录