棒球测速系统的设计与实现

（陕西学前师范学院体育系,陕西西安,710100）

棒球测速系统的设计与实现

杨 卓

（陕西学前师范学院体育系,陕西西安,710100）

本文应用芯片技术设计了棒球测速系统，首先阐述了该系统的工作原理，并对系统需求进行了分析，然后设计了硬件系统和软件系统，硬件系统的加速度传感器采用ADXL345，单片机采用ST7LITE49M，软件系统主要设计了1COSMIC C编译器，最后对该系统进行了系统测试，结果较满意。

棒球；测速系统；ADXL345

0 引言

由于棒球在运动过程中还要受到空气阻力和地球的重力作用，所以它的运动是一个复杂的过程。为了提高击球员的水平，本文设计了棒球的测速系统，旨在为他们的培训提供理论参考。

1 系统测量加速度的原理

在棒球击球员的挥棒过程中，其物质运动是一个持续过程，是一个多维空间的连续运动。在击球员击球的瞬间，棒球的速度为零，并且棒球的加速度和速度持续增大，直到其达到速度的最大值再到棒球的速度为零，在这个过程中，棒球上的每个点的运动状态都不相同。因此在棒球的速度测量系统中，把棒球的运动过程看作一个近似过程。第一，把棒球看作一个点，忽略其长度，把整个棒球的运动看作一个点的二维空间；第二，击球是一个瞬间过程，假定当棒球的加速度为零时，其速度达到最大，并且假定水平的加速度也为零；第三，把棒球的运动看作是一条近似抛物线的曲线，其最终的输出速度值为“加速度-时间”的函数的X轴上方的积分；第四，棒球的加速度有水平加速度和垂直加速度，所以棒球的速度最大值为水平方向和垂直方向的矢量合成。根据上面的假设，这个模型的数学表达式和棒球的运动轨迹图形如图1所示：

在上面的公式（1）和（2）中，i代表采样的点数，在本系统中=30ms。

图1 棒球运动轨迹图形

2 棒球测速系统的系统需求分析

棒球测速系统是一个比较复杂的研究工作，它的整体设计包括硬件设计和软件设计，系统功能就是对棒球的速度进行测量。由于加速度和速度的变化量有关系，在球被击中的瞬间加速度为零，在球向上飞行的时候，加速度最大，速度也不断增大，当球达到顶点开始下落时，球的速度开始减小。本系统基于加速度传感器，主要是应用加速度传感器测出加速度值，然后用单片机接收加速度值，在单片机的编程中完成计算，并用语音报出，测量结果在误差范围以内。系统的整体设计包括硬件和软件设计。

3 棒球测速系统的设计

3.1 棒球测速系统的硬件设计

（1）加速度传感器的设计

智能加速度传感器的工作原理是，测量物体的加速度信号通过敏感元件将其转化为电信号，通过放大电路，信号的噪音通过信号调理电路滤除，再经过模拟转换将电路信号转化成为数字信号，最后通过计算机进行数据的存储转换。当测量加速度的传感器元件移动时，在加速度相反的方向物体会受到一个惯性阻力的作用，悬梁臂会产生形变，悬梁上的扩散电阻会感受到形变作用，电阻值的变化和形变的大小成正比，并将这个电阻值作为电桥的一部分，对加速度的测量就是通过测量电桥的输出电压的大小完成的。在本设计系统中采用的加速度传感器为ADI公司的ADXL345，电源电路为2.0V-3.6V，I/O电压范围最小为1.7V，中断方式灵活，抗冲击能力为10000g，芯片的封装引脚图如图2所示。

图2 ADXL345芯片的封装引脚图

在本测速系统中，击球帮的摆放位置可以利用的加速度传感器的倾角测量来纠正，倾斜角主要是通过加速度测量轴感知重力的大小。加速度传感器ADXL345竖直安装在pcb板上面，能够测出加速度值和倾斜角。倾斜角的计算公式如下（3）所示：

（2）单片机的设计

单片机是一个芯片，集成了完整计算机的CPU、内存以及内外部的总线系统，大部分的单片机还具有外存，集成定时器、定时时钟、通讯接口等外围设备，有的甚至还集成网络、声音、图像等系统。本系统采用的单片机为ST7LITE49M，8位闪存微控制器，采用SDIP32封装,含有128字节内存，集成了多种定时器包括可配置的看门狗定时器、两个带预分频器的8位Lite定时器和两个12位自动重加载定时器，自动重加载定时器的频率范围250Hz到4MHz，提供四个PWM信号，具有输出比较功能、输入捕获单元、死区信号生成和单脉冲模式。这个12位定时器是为照明系统和电动自行车或空调系统等电机控制应用专门优化的。其它片内功能包括一个高精度的8MHz阻容振荡器、32kHz自动唤醒振荡器、一个高速10路10位模数转换器、5种省电模式、一个含有欠压保护功能的可调复位电路。

3.2 棒球测速系统的软件设计

棒球测速系统的软件设计主要是1COSMIC C编译器和计时器的设计。

在本系统中采用的编程软件是STVD7 for inDART-STX，用COSMIC C语言编写整个流程。这种编译器可读取C源文件、机器代码和汇编源文件，生产可执行文件。编译C源文件主要是通过COSMIC C的编译器内部的程序进行，并且生成可执行文件和列表。这些程序的操作可以通过CXST7自动控制，用户还可以通过特定选项自己设置需要的快捷功能。COSMIC C编译器不仅可以使用自带的库进行编译，而且还可以使用自己定义的库参和程序的编译，还能够帮助用户修改代码。

棒球测速系统的测速时间间隔为30ms，测速时间为1分钟，所以需要采取定时器中断功能。在本系统中采用的单片机为ST7LITE49M，采用Lite定时器。定时器具有看门狗的功能、通用的定时功能、输入捕获功能。

4 系统测试

棒球测速实现系统经过击球员的试用，有80%的用户对该系统的评价为很满意，系统存在的测量误差在可接受的范围之内。用户虽然对本系统给予了比较高的评价，同时也提出了测速方面一些需要改进的建议。

[1] 蒋泉,许薇,龚江泳,戴海峰,唐伟.棒球击球碰撞过程中的动力学分析[J].医用生物力学,2010,05:375-379+384.

[2] 段冰.棒垒球训练对大学生身体素质及生理机能的影响[D].东北师范大学,2012.

杨卓，男，1983年6月，陕西渭南人，硕士研究生，讲师，研究方向:从事体育教学与运动训练研究 。

Design and implementation of a baseball measurement system

Yang Zhuo
(Preschool Shaanxi Normal University,Xi'an,710100,China Department of Physical Education)

In this paper,chip technology designed baseball speed system,first elaborated the working principle of the system,and the system requirements are analyzed, and then design the hardware and software systems,hardware acceleration sensor system uses ADXL345, SCM ST7LITE49M,software system designed 1COSMIC C compiler,and finally the system were systematically tested with satisfactory results.

baseball;velocimetry system;ADXL345