篮球自动充气装置设计与实现

/篮球自动充气装置设计和实现完成日期：指导老师签字：评阅老师签字：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消遣项目，人人都可以参和。但是，为了保证篮球的寿命，以及玩球手感，因此须要对篮球内部的气压进行限制。假如气压过低，则进行补气；假如气压过高，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。在篮球运用一段时间后，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，并推断压力值是否合适。假如压力值过高，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。这样既能保证竞赛时运动员的手感，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.目录1前言 11.1课题背景和意义 11.2国内外探讨现状 12系统总体方案设计和元件选型 32.1系统总体方案设计 32.2系统核心元件选型 32.2.1单片机选型 42.2.2压力传感器选型 52.2.3模数转换模块的选型 52.2.4液晶显示屏模块的选型 63系统硬件电路设计 73.1单片机最小系统电路设计 73.2气压采集转换电路设计 83.3液晶显示硬件电路的连接 83.4充气限制电路设计 94系统程序设计 114.1系统总体程序设计 114.2气压检测程序设计 114.3液晶显示程序设计 124.4继电器限制程序设计 135实物焊接和测试 155.1实物焊接 155.2实物硬件测试 155.3实物软件测试 155.4功能测试 166总结和展望 171前言1.1课题背景和意义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托付他设计一项室内集体游戏。他从当地儿童宠爱用球投向桃子筐（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消遣项目，人人都可以参和。但是，为了保证篮球的寿命，以及玩球手感，因此须要对篮球内部的气压进行限制。假如气压过低，则进行补气；假如气压过高，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。在篮球竞赛中，篮球作为不行或缺的一部分，其内部气压大小，对竞赛有着重要的意义。篮球胎压的大小不但对篮球的运用寿命存在影响，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确定数值上。正确限制好篮球内部气压值，可延长篮球运用寿命。胎压保持在正常范围内，可以在确定程度上延长篮球运用寿命，削减磨损。有资料显示，日常运用中气压比正常值低10%，篮球寿命将削减15%。当胎压过高，篮球和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允，一般都会接受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，因此也会干脆影响到竞赛的进程。因此，须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刚好停止的系统，实现上述功能。为此，本设计提出一套篮球自动充气系统。在篮球运用一段时间后，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，并推断压力值是否合适。假如压力值过高，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。这样既能保证竞赛时运动员的手感，同时也能延长篮球的寿命。1.2国内外探讨现状目前国内大部分都没有接受先进的压力检测和压力限制技术，只凭人员的操作阅历来确定充气压力，要达到篮球额定压力往往需经过多次的充气和测量过程，充气时间长，劳动强度大，且充气气压不受控、不稳定、不精确、牢靠性差。而且由于充气设备压力很高，误操作还可能会引发平安事故。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，所以修理人员的劳动强度大，并且工作效率较低。国外普遍接受自动充气检测装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，相比在不久的将来，基于智能检测限制的篮球自动充气装置，必将会得到普及。2系统总体方案设计和元件选型2.1系统总体方案设计篮球气压自动检测和充气系统在实际应用中是很重要，传统的充气装置接受手动打气筒，这种打气筒不能检测压力，并且运用次数过都会发热，削减进气量，而且对于较大的篮球充气特殊耗费人力，后期出现了气泵，该设备一般由压力表，充气泵组成，工作人员须要查看压力表的同时限制是否给篮球充气。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，若接受一款可以自动监测篮球内部气压并进行压力充气限制的系统，是特殊重要的。单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限制图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、充气限制部分组成。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液晶屏进行显示，把设定的压力值和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，通过声音和LED灯的闪烁来进行报警。充气限制：在设置好充气值后，单片机依据读取到的压力值和设定值进行对比，假如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：ARM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便利，所以它的很多数据都可以在寄存器里完成。指令叮嘱具有高效率、寻址方式灵敏、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，从而快速的占据了自动化领域和工业检测的市场，成为了运用最广泛的单片机。其实物图和引脚图分别如图2.2、图2.3所示：图2.2STC89C51实物图图2.3STC89C51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求，因此接受方案二。2.2.2压力传感器选型本系统为篮球内压测量和限制系统，因此限制器须要先测量当前气压，再通过确定限制策略实现气压限制。所以，气压测量精度干脆影响到系统的效果。因此气压传感器的选型特殊重要，它的性能干脆确定了整个系统的性能。本系统接受了MPX4115数字气压传感器。压力传感器对于系统至关重要，须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确定压力值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰实力，要求运用具有温度补偿实力的压力传感器。经过综合考虑，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，不须要另外加放大电路。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供应一个均衡压力。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牢靠性，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]。PCF8591起到模数转换作用，就是将测量的电压状况转换为数字信号，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2.4PCF8591芯片引脚图2.2.4液晶显示屏模块的选型目前，显示模块常接受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运用。本设计接受字符型液晶屏1602进行显示模块的设计。1602液晶显示屏特地用于显示数字、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2.5LCD1602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接受51单片机作为系统的智能限制系统。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，必需要有晶振电路、复位电路的支持。在单片机晶振电路中，接受晶振频段为12M为单片机供应工作主频。同时，为了提高晶振的稳定性和牢靠性，接受两个22PF的电容进行去耦。为了防止单片机断电时寄存器出现异样，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口的输出驱动实力，特殊添加一个4.7K排阻，标号RP1。3.2气压采集转换电路设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，接受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外电路极其简洁，无需任何外置元件，只需通电5V电压供电即可实现困难的功能。本设计接受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，检测端接受的是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D0～D7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；P2.5—P2.7分别接LCD的RS、RW、EN三个限制管脚；R4用来调整LCD的显示灰度[10]。具体电路如图3.4所示：图3.41602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，接受5110液晶屏来显示报警状态。5110可以显示4行汉字，分别将不同状态的状况进行显示，便利值班人员查看[11]。5110驱动电路特殊简洁，外电路无需其他元件，仅须要5根数据线即可实现对液晶屏的完整驱动。3.4充气限制电路设计因为我们接受的电动打气筒是220V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，单片机无法干脆实现，因此本设计接受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，此时起先打气。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。单片机推断该气压值是否足够，假如不够的话，则驱动继电器进行打气，否则不打气，接着采集气压并推断。4.2气压检测程序设计本设计中，A/D采集选用PCF8591进行设计。该芯片在运用前，须要通过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，首先须要设置采集通道、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：4.3液晶显示程序设计本设计接受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。图4.51602液晶屏显示流程图4.4继电器限制程序设计本设计中，通过传感器检测篮球内部气压，然后进行限制。假如气压低于阈值，接着打气。否则停止打气。流程图如下所示：5实物焊接和测试在前面的章节中，我们完成了对系统的硬件选型和软件设计，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，必需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，依据电路板合理分布元件位置，然后依据规划的摆放位置，先焊接主要元件、大元件，再焊接外围小元件，留意导线的美观性。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、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实力和细致当心的状态。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和测试，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，不能马上就进行上电测试。在此之前，须要先用眼以及万用表，检测全部焊接点和焊接连线，看是否有短路断路发生。假如有，则须要马上解决。假如检测都没有问题，在进行接下来的编程下载和测试。在电路检查排故中，检测到北斗模块电源线和单片机电路的电源线接反，因此刚好进行修改，避开产生电路短路状况。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接受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，程序干脆正常编译成功，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总结和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，依据系统的功能要求，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，接受KEIL和C语言进行程序设计，通过软硬件协作，实现预期功能。本设计实现了预期功能，但是照旧存在很多须要改进的地方。例如系统的气压采集电路和程序，接受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运用效果，得到广泛运用。参考文献[1]陈满秀.宝骏560汽车胎压监控系统初探[J].内燃机和配件，2018.01[2]张举.基于智能传感器的汽车电子技术应用探讨[J].信息系统工程,2017,12[3]庄重.通用型汽车胎压胎温监