低功耗便携智能乒乓球发球机设计

沈美丽

摘要：设计了一款以超低功耗MSP430芯片为主控制器，通过蓝牙模块实现手机APP控制发球机的整套系统。训练者通过APP软件，直接发送命令给发球机的控制系统，按照设定不必靠近发球机就能改变发球速度与旋转模式。结果表明，手机APP发出命令，系统各部分均能正常工作。

关键词：MSP430单片机;蓝牙模块;乒乓球发球机

传统的乒乓球教练员训练方法存在许多弊端，使用乒乓球发球机可以很好地解决这些问题。本文设计了一套低功耗智能发球机，能够发出不同初速度与旋转方向的球，并可根据自己的训练水平进行调整。在训练时不必靠近发球机就通过语音识别改变发球速度与旋转模式，运用蓝牙通信，在智能手机APP实现对发球机的控制。

一、系统构成

乒乓球发球机系统由主控电路模块、语音识别模块、蓝牙模块和电机驱动模块等构成。主控电路模块以MSP430为核心处理器，控制算法执行、产生PWM信号、调节电机转速等工作。语音识别模块使用LD3320芯片，采用关键词列表技术，声音由外部咪头采集模数转换后通过内部语音识别算法对语音信号进行识别，给出发球指令。而后用HC-06蓝牙模块与手机进行通信，配对后利用蓝牙串行端口协议将蓝牙的通信转换为虚拟串口，完成通信[1]。为了同时控制多路电机，须使用电机驱动芯片L9110S，实现对电机的驱动。

二、乒乓球飞行过程分析

本文采用摩擦轮式乒乓球发球机，发球方式为2个相互对转的摩擦轮，通过摩擦将乒乓球发射出去。发球机上半部为储球机，由1根螺旋前进的推杆将乒乓球送入发射机构。该发球机有左右2个出球口，可以同时发射2个旋转方向、初速度不同的球。乒乓球的初速度是由2个对转轮所提供的初速度经过速度合成后得到的[2]。

根据不同发球模式设定参数值，包括：上旋、下旋、球速变化、出球速率等。上旋模式时，设定下转轮匀速运动，上转轮加速运动;下旋模式时，设定上转轮匀速运动，下转轮加速运动;球速变化模式时，设定上、下转轮转速同时变化;出球速率模式时，设定储球机构中螺旋杆的转速变化。

三、 乒乓球发球机软件设计

1. 总体设计

系统上电后进行初始化操作：包括单片机I/O口初始化，LD3320芯片初始化，串口初始化。而后，系统进入等待中断状态，接收与蓝牙模块通信的中断，当手机向蓝牙发消息，收到消息后通过串口向单片机发送，单片机进入中断，通过中断函数判断执行不同的操作;同时语音识别模块产生中断，当采集到外部语音信号后，中断引脚会送出一个低电平，单片机的中断引脚接收到该中断后立即进入中断函数，通过单片机判断识别是否成功，成功后取识别结果，转入相应的用户处理函数[3]。

2.PWM波

单片机输出量为数字量，电机电压为模拟量。想实现对电机的连续控制，需要利用单片机产生数字信号转换为模拟信号，用不同占空比的方波实现对电压的调节。因此，选用MSP430自身定时器的PWM波。先将PWM信号的周期值设定在定时器寄存器中，工作在增计数模式。当计数值大于寄存器值时，I/O端口输出值翻转，产生0、1跳变的PWM波。若要改变PWM信号的占空比，通过改变寄存器中的值就可以完成。当语音识别模块识别到命令后，在函数中实现对PWM占空比的设定，达到软件控制电机转速的目的。

3. 语音识别和蓝牙模块

系统供电后，对LD3320芯片进行初始化操作，初始化正常，就进入等待识别状态。当采集到外部语音信号后，开始自动识别，同时送出中断，判断是否识别成功，识別成功后，继续读取识别结果操作。若识别不成功，可能是杂音干扰，程序退出中断，继续等待下一次识别。MSP430与蓝牙模块通过串口连接，采用异步串口通信，双方按照预定时钟速率通信，没有公共时间线。MSP430会将相邻数据间加入一些数位进行分割，用户需要设置串口初始化与串口配置。

4. 手机APP设计

手机APP主要功能为与蓝牙模块进行信息交互，语音模块采集到信号并成功识别后，转入相应的用户处理函数，蓝牙模块接收到手机传来的命令后，发出信号让单片机进入中断，实现对发球机的控制[4]。综合所述，实现了通过语音命令和手机APP对发球机的控制。

四、 系统测试

测试所用到的设备Vivo X9和乒乓球发球机。整个装置配置好后系统供电，先发一级口令“你好”，系统能够正常识别，成功后等待下一步命令。一级口令的设置是为了防止误识别、误触发，提高系统工作的稳定性;继续发“开机”，电机开始转动，发球机正常工作，将乒乓球发射出去。再通过手机APP发出开始、上旋、下旋、停止等命令，系统各部分正常工作，识别并做出相应的动作，完成整个系统的工作。随着发出语音命令距离的增大，识别率呈下降趋势。这个识别率与麦克的距离相关，距离越大，识别率越低。

五、结论

以MSP430G2为核心所设计的控制器功耗低、定时、唤醒速度快，可连蓝牙实现手机控制通信，此乒乓球训练助手软件方便快捷，能较好地实现人机交互、达到锻炼身体的目的。

参考文献：

[1] 李新明.自动乒乓球发球机设计及其控制系统的探究[J].电子测试，2014（S1）

[2] 金鑫，田犇.基于LD3320的语音控制系统设计实现[J].电脑与信息技术，2011，19（6）

[3] 杨平，王威.MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技术，2008，27（12）

[4] 王臻.运用PWM技术对直流电机转速的控制[J].工业仪表与自动化装置，2013（6）