基于Arduino的智能乒乓球發(fā)球器的設(shè)計與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

目錄

1產(chǎn)品功能分析.....................................................1

2產(chǎn)品設(shè)計方案遴選.................................................1

2.1產(chǎn)品開發(fā)板的選擇...........................................1

2.2電機(jī)驅(qū)動的選擇.............................................1

2.3馬達(dá)的選擇方案..............................................2

2.4舵機(jī)選擇方案................................................2

2.5顯示屏的選擇方案............................................2

2.6系統(tǒng)框圖設(shè)計................................................2

3產(chǎn)品硬件設(shè)計......................................................3

3.1Arduino開發(fā)板..............................................3

3.2L298n電機(jī)驅(qū)動模塊..........................................4

3.3sg90舵機(jī)...................................................5

3.4OLED12864顯示屏............................................6

3.5DS1307時鐘模塊.............................................7

3.6藍(lán)牙模塊...................................................8

3.7130電機(jī)....................................................9

4產(chǎn)品軟件設(shè)計.....................................................10

4.1Arduino軟件開發(fā)環(huán)境......................................10

4.2Arduino軟件開發(fā)流程......................................10

4.3主程序流程圖..............................................12

4.4產(chǎn)品程序清單..............................................13

5產(chǎn)品組裝與調(diào)試..................................................13

5.1電路的組裝.................................................13

5.2產(chǎn)品的調(diào)試................................................13

5.3產(chǎn)品裝配圖................................................14

I

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5.4產(chǎn)品使用說明...............................................14

6產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)................................................15

參考資料..........................................................16

附錄..............................................................17

附錄1元器件清單..............................................17

附錄2電路原理圖..............................................18

附錄3PCB設(shè)計圖..............................................18

附錄4產(chǎn)品實物圖..............................................19

附錄5主程序代碼..............................................20

II

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基于Arduino的智能乒乓球發(fā)球器的設(shè)計與制作

1產(chǎn)品功能分析

本產(chǎn)品是以ArduinoUNO開發(fā)板控制電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)發(fā)球的方向和

方式為目的設(shè)計的。ArduinoUNO開發(fā)板為主要部分，外接舵機(jī)模塊，L298n

電機(jī)驅(qū)動模、DS1307時鐘模塊和SSD1306顯示器。當(dāng)接入電源時，模塊開始運

轉(zhuǎn)，輸入指令后可以實現(xiàn)固定角度和不同角度的發(fā)球。智能乒乓球發(fā)球器的設(shè)

計既可以娛樂健身，又適合于專業(yè)訓(xùn)練，性價比特別高。

2產(chǎn)品設(shè)計方案遴選

在進(jìn)行電路的組裝前需要分析適合該產(chǎn)品的硬件，使該產(chǎn)品更好的發(fā)揮其

功能。

該產(chǎn)品需要我們提供電機(jī)，開發(fā)板，藍(lán)牙，顯示器，時鐘，舵機(jī)這些模

塊，然后我們需要在這些模塊中考慮性能，環(huán)保問題。

2.1產(chǎn)品開發(fā)板的選擇

方案一：ArduinoUNO代碼封裝性高，所需語句少，降低軟件的開發(fā)難

度，大多數(shù)功能都有固定數(shù)據(jù)庫，使用便捷。

方案二：STM32開發(fā)板難度大，需掌握細(xì)節(jié)多。需要一定的專業(yè)知識，同

時編寫代碼實現(xiàn)功能也相對復(fù)雜，成本較高。

方案三：STC89C51易上手，但拓展復(fù)雜，芯片容易損壞。

綜合上面的設(shè)計方案，我選擇了方案一的ArduinoUNO開發(fā)板，資源多，

便于自學(xué)，可以配合圖形化編程直接生成代碼，適合外接傳感器，且編程方便

而簡潔，所以我選擇使用ArduinoUNO開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計。

2.2電機(jī)驅(qū)動的選擇

方案一：L298N電機(jī)驅(qū)動可以使用PWM進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制，驅(qū)動能力強，

發(fā)熱量低，且抗干擾能力強。

方案二：L9110S電機(jī)是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專

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用集成電路器件安全可靠。

綜上所述，我選擇使用L298n電機(jī)驅(qū)動，操作簡單、性能穩(wěn)定，有信號顯

示更適合此設(shè)計。

2.3馬達(dá)的選擇方案

方案一：130馬達(dá)的高速性能好，精度高，轉(zhuǎn)速快，抗過載能力強，性能

穩(wěn)定。

方案二：180馬達(dá)穩(wěn)定性良好，效率高，接線簡單，但不能獲得平滑的調(diào)

速。

綜合上述方案，我選擇了方案一130馬達(dá)，體積小，性能穩(wěn)定，尺寸適用

于此設(shè)計，且可調(diào)速。

2.4舵機(jī)選擇方案

方案一：SG90舵機(jī)是價格便宜，可以準(zhǔn)確控制物體運動。

方案二：MG90S適用于傾斜盤最佳，用于尾舵比高速數(shù)碼舵機(jī)會差點。

綜合上述方案，我選擇了方案一因為SG90舵機(jī)的舵機(jī)比較便宜，位置控

制十分精確，而且轉(zhuǎn)速也是可變。

2.5顯示屏的選擇方案

方案一：OLED12864顯示屏，成本低，低功耗，具有多個控制指令，顯示

效果好，高分辨率。

方案二：LCD1602字符液晶板，主板采用全新優(yōu)質(zhì)2行16個字符液晶，

顯示位置比較少，體積大。

綜合上述方案，我選擇了方案一的OLED12864顯示器支持的范圍廣，占用

的IO口較少，小巧方便，不怕摔。

2.6系統(tǒng)框圖設(shè)計

本產(chǎn)品是由ArduinoUNOR3單片機(jī)和藍(lán)牙模塊，DS1307時鐘模塊，

OLED12864顯示器，SG90舵機(jī)，L298n電機(jī)驅(qū)動模塊和外接電源組成。

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圖2.1系統(tǒng)框圖

3產(chǎn)品硬件設(shè)計

3.1Arduino開發(fā)板

Arduino開發(fā)板通過USB直接燒錄程序，外接擴(kuò)展板比較方便。同時它的

編寫程序也較為簡單，可利用mind+，米思齊等這些圖形化編程軟件輔助完

成。網(wǎng)絡(luò)論壇的資料資源較多。具有簡單，便捷開發(fā)的特點，可跨平臺操作。

圖3.1ArduinoUNOR3實物圖

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圖3.2ArduinoUNOR3原理圖

3.2L298n電機(jī)驅(qū)動模塊

L298N電機(jī)驅(qū)動模塊是使用邏輯電平信號來控制的。它有15個引腳，IN1

~IN4是控制電機(jī)的引腳，ENA和ENB為電機(jī)使能引腳，兩邊的m1和m2則是電

機(jī)接口，GND需要和開發(fā)板的地線接在一起，12V為外接電源，5V為接開發(fā)板

的VIN或5V。

圖3.3L298n電機(jī)驅(qū)動模塊實物圖

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圖3.4L298n電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖

3.3sg90舵機(jī)

sg90舵機(jī)它的轉(zhuǎn)動較為靈活。在接收到指令時可以靈活轉(zhuǎn)到你指定的位

置，沒有指令時則不會動。sg90有三條線，橙色（PWM）紅色（5V）棕色

（GND）。

圖3.5sg90舵機(jī)實物圖

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圖3.6sg90舵機(jī)原理圖

3.4OLED12864顯示屏

OLED12864顯示屏對比度高，功耗低，自發(fā)光，超薄，亮度高，圖形顯示

模塊。

圖3.7OLED12864顯示屏實物圖

6

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圖3.8OLED12864顯示屏原理圖

3.5DS1307時鐘模塊

DS1307時鐘模塊低功耗，價格便宜，可以讀取年月日，時分秒，周等功

能，且可以自動調(diào)節(jié)閏年。引腳的SDA，SCL可以和顯示器的SDA，SCL連接。

圖3.9DS1307時鐘模塊實物圖

7

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圖3.10DS1307時鐘模塊原理圖

3.6藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙HC05模塊是一種便捷通訊模塊，有六個引腳，其中SDA,SCL,在配置

藍(lán)牙的時候不需要反接，在使用藍(lán)牙時則需要反接。

圖3.11藍(lán)牙模塊實物圖

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圖3.12藍(lán)牙模塊原理圖

3.7130電機(jī)

130電機(jī)屬于一種常用型的微型電機(jī),其軸徑相對來說比較纖細(xì)。

圖3.13130電機(jī)實物圖

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4產(chǎn)品軟件設(shè)計

隨著時代的進(jìn)步，若想達(dá)到時代的標(biāo)準(zhǔn)，還需借助各種軟件技術(shù)的支持。

例如我們經(jīng)常使用的Arduino軟件程序。通過編寫程序然后燒錄即可。

4.1Arduino軟件開發(fā)環(huán)境

首先就是通過USB串口和電腦PC端連接，然后新建工程，選擇開發(fā)板和

端口，進(jìn)行燒錄。之后觀察開發(fā)板上有兩個燈（L和on）是否亮了，若是亮了

則是說明開發(fā)板是正常的。

圖4.1軟件開發(fā)頁面

4.2Arduino軟件開發(fā)流程

建立工程，編寫代碼，連接開發(fā)坂，編譯就會生成后綴為.c,.cpp的擴(kuò)展

文件。編譯的過程中會出現(xiàn)一些問題，開發(fā)板型號錯誤，端口號錯誤，或是代

碼錯誤，編譯框都會打印出這些錯誤，然后對照錯誤進(jìn)行修改，直到編譯通

過。當(dāng)代碼編譯通過時仍可能存在錯誤，要看到效果和代碼匹配上時即為通

過。有時仍需考慮硬件電路接線錯誤的問題。具體的開發(fā)流程如圖所示。

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圖4.2軟件開發(fā)流程圖

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4.3主程序流程圖

圖4.3主流程圖

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4.4產(chǎn)品程序清單

圖4.4產(chǎn)品程序清單

5產(chǎn)品組裝與調(diào)試

5.1電路的組裝

遵守焊接的基本規(guī)范。

（1）焊接桌面干凈整齊，選好元器件位置，正負(fù)極區(qū)分，安放到萬用板

上。

(2)烙鐵達(dá)到適宜溫度，按照四十五度角和焊錫絲接觸在三到五秒內(nèi)完成

操作。焊接時需注意不要焊接到其他的元器件，注意安全。

(3)模塊接線到面包板，用杜邦線連接。由于線較多，所以整個過程中需

細(xì)致。請勿帶電操作，避免損壞開發(fā)板。整個布局需要美觀大方且簡潔。

（4）檢查整個布局有無接線錯誤問題。

（5）確認(rèn)無誤即可進(jìn)行下一步燒錄程序。

5.2產(chǎn)品的調(diào)試

（1）測試開發(fā)板，連接開發(fā)板到電腦PC端，查看L燈或者ON燈是否亮

起或閃爍。

（2）測試顯示屏，燒入測試的IDE代碼查看顯示屏是否亮起，顯示文字

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或者其他數(shù)據(jù)。若是無反應(yīng)檢查是否接線錯誤重新燒入，直到顯示。

（3）測試時鐘模塊，用串口打印時間或者是顯示屏查看時間。燒入測試

代碼后，查看時間是否正常。若不正常則是接線，反接的問題，反過來即可。

（4）測試舵機(jī)，燒入程序后，用串口輸入數(shù)據(jù)，看舵機(jī)是否轉(zhuǎn)動。注意

接線問題。

（5）測試L298n電機(jī)驅(qū)動模塊和電機(jī)。接線，連到外接的12V電源，查

看電機(jī)是否轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動則正常。反之檢查接線問題。

（6）測試藍(lán)牙，使用sscom軟件對藍(lán)牙進(jìn)行調(diào)試。設(shè)置藍(lán)牙密碼，藍(lán)牙

名稱，藍(lán)牙路徑即可。

（7）整體連接，燒入代碼，檢查是否有反應(yīng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動，顯示器有數(shù)據(jù)

則為正常。

5.3產(chǎn)品裝配圖

圖5.1產(chǎn)品裝配圖

5.4產(chǎn)品使用說明

檢查桌面干凈整潔，產(chǎn)品無誤即可進(jìn)行操作。

（1）接電源，顯示屏?xí)谝恍酗@示YUANLANXIN第二行顯示HNSWZY之

后顯示時間和角度，同時電機(jī)轉(zhuǎn)動。

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（2）通過串口或者上位機(jī)輸入指令，進(jìn)行發(fā)球?？梢暂斎肽阈枰慕?/p>

度，此時舵機(jī)轉(zhuǎn)到你輸入的角度，然后放球進(jìn)行發(fā)球，屏幕會顯示年份時間和

角度。輸入a指令時，舵機(jī)會以50度為一個單位從0轉(zhuǎn)到180度，然后從180

每次轉(zhuǎn)動減20度到0度。然后顯示器會讀取串口數(shù)據(jù)并且打印數(shù)據(jù)在屏幕

上。輸入指令b時則是固定90度，發(fā)球。顯示屏顯示時間和角度。

（3）使用完畢需收好產(chǎn)品，輕拿輕放，切勿使用暴力。

6產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過程標(biāo)準(zhǔn)

[6]GB/T8567-2006計算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范

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參考資料

[1]陳呂洲.《Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)》[M].北京航天航空出版社，2014

[2]（美）布魯姆（Blum，J.）著,況琪，王俊升譯.Arduino魔法書：實現(xiàn)夢想的工具和技術(shù)[M].電子工業(yè)

出版社，2014

[3]SimonMonk著，唐樂譯.Arduino+Android互動智作[M].北京：科學(xué)出版社，2013

[4]喻宗泉.《藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014

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附錄

附錄1元器件清單

附表1.1元器件清單

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附錄2電路原理圖

附圖2.1產(chǎn)品原理圖

附錄3PCB設(shè)計圖

附圖3.1產(chǎn)品PCB設(shè)計圖

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

附錄4產(chǎn)品實物圖

附圖4.1產(chǎn)品實物圖正面

附圖4.2產(chǎn)品實物圖反面

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附錄5主程序代碼

#include<DFRobot_Servo.h>//舵機(jī)模塊

#include<DFRobot_DS1307.h>//時鐘模塊

#include<Adafruit_ssd1306syp.h>//oled顯示器模塊

#defineSDA_PIN2

#defineSCL_PIN3//定義顯示器模塊的引腳

//動態(tài)變量

charmind_s_i;//將串口讀取的消息存儲在該變量中

intmind_n_jiaodu;//將串口讀取的消息存儲在該變量中

Adafruit_ssd1306sypdisplay(SDA_PIN,SCL_PIN);//靜態(tài)常量

#defineIN14//定義IN1引腳

#defineIN25//定義IN2引腳

#defineIN36//定義IN3引腳

#defineIN47//定義IN4引腳

//創(chuàng)建對象

DFRobot_DS1307ds1307;//時鐘模塊變量

Servoservo_11;//舵機(jī)模塊變量

//主程序開始

voidsetup(){

ds1307.setTime(constrain(2022,2000,2099),constrain(12,1,12),constrain(9,1,31),

constrain(14,0,23),constrain(31,0,59),constrain(30,0,59));

display.initialize();//初始化

display.setCursor(0,18);//顯示的位置

display.setTextSize(2);//字體大小

display.print("HNSWZY");//顯示“HNSWZY”

display.setCursor(0,0);//顯示的位置

display.print("YUANLANXIN");//顯示內(nèi)容

display.update();//開啟顯示

servo_11.attach(11);//舵機(jī)初始化

Serial.begin(9600);//波特率

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ds1307.begin();//時鐘初始化

mind_n_jiaodu=30;//設(shè)置角度變量的初值

pinMode(13,OUTPUT);//初始化引腳

pinMode(IN1,OUTPUT);//IN1引腳初始化

pinMode(IN2,OUTPUT);//IN2引腳初始化

pinMode(IN3,OUTPUT);//IN3引腳初始化

pinMode(IN4,OUTPUT);//IN4引腳初始化

}

voidloop(){

display.clear();//清屏

if((Serial.available())>0){//判斷串口是否有數(shù)據(jù)可讀

mind_n_jiaodu=Serial.parseInt();//控制串口

servo_11.angle(abs(mind_n_jiaodu));//設(shè)置舵機(jī)角度

Serial.println((String("angle:")+mind_n_jiaodu));//輸出數(shù)據(jù)

}

Serial.println((String(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_YR))+String((String("-")+

String((String(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_MTH))+String((String("-")+

String((String(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_DATE))))))))))));//顯示年月日

Serial.println((String(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_HR))+String((String("-")+

String((String(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_MIN))+String((String("-")+

String((String(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_SEC))))))))))));//顯示時分秒

analogWrite(IN1,-150);//設(shè)置馬達(dá)1轉(zhuǎn)速為-150

analogWrite(IN2,-150);//設(shè)置馬達(dá)1轉(zhuǎn)速為-150

analogWrite(IN3,-150);//設(shè)置馬達(dá)2轉(zhuǎn)速為-150

analogWrite(IN4,-150);//設(shè)置馬達(dá)2轉(zhuǎn)速為-150

digitalWrite(13,HIGH);//高電平

delay(1000);//延時1s

digitalWrite(13,LOW);//低電平

delay(1000);//延時1s閃爍燈

display.setCursor(0,0);//顯示的位置

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_YR));//年

display.print("-");

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_MTH));//月

display.print("-");

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_DATE));//日

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display.setCursor(0,16);//顯示的位置

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_HR));//時

display.print("-");//日期中的-

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_MIN));//分

display.print("-");//日期中的-

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_SEC));//秒

display.setCursor(5,32);//顯示的位置

display.print("angle:");//提示符angle:

display.print(mind_n_jiaodu);//顯示角度變量

display.update();//開啟顯示

if((Serial.available())&&(mind_n_jiaodu==0)){

mind_s_i=Serial.read();//讀取變量

if(mind_s_i=='a'){//串口輸入a時執(zhí)行以下命令舵機(jī)角度在0的基礎(chǔ)上加50

度到180在減20度到0實現(xiàn)不同角度發(fā)球的一個功能

display.clear();//清屏

digitalWrite(IN1,LOW);//設(shè)置馬達(dá)1為低電平

digitalWrite(IN2,HIGH);//設(shè)置馬達(dá)1為高電平

digitalWrite(IN3,HIGH);//設(shè)置馬達(dá)2為高電平

digitalWrite(IN4,LOW);//設(shè)置馬達(dá)2為低電平

while(!(mind_n_jiaodu>180)){

servo_11.angle(abs(mind_n_jiaodu));//舵機(jī)讀取角度

delay(1000);//延時1s

mind_n_jiaodu=(mind_n_jiaodu+50);//角度加50

Serial.println((String("angle:")+String(mind_n_jiaodu)));//輸出角度

display.setCursor(2,0);//顯示的位置

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_YR));//年

display.print("-");//日期中的-

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_MTH));//月

display.print("-");//日期中的-

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_DATE));//日

//顯示內(nèi)容

display.setCursor(0,16);//顯示的位置

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_HR));//時

display.print("-");//日期中的-

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_MIN));//分

display.print("-");//日期中的-

display.print(ds1307.getTime(ds1307.DS1307_SEC));//秒

display.setCursor(5,32);//顯示的位置

display.print("angle:");//提示符angle:

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display.print(mind_n_jiaodu);//顯示角度變量

display.update();//開啟顯示

}//在屏幕第一行顯示角度

while(!(mind_n_jiaodu<0)){

display.clear();//清屏

digitalWrite(IN1,LOW);//設(shè)置馬達(dá)1為低電平

digitalWrite(IN2,HIGH);//設(shè)置馬達(dá)1為高電平

digitalWrite(IN3,HIGH);//設(shè)置馬達(dá)2為高電平

digitalWrite(IN4,LOW);//設(shè)置馬達(dá)2為低電平

servo_11.angle(abs(mind_n_jiaodu));//判斷角度

delay(1000);//延時1s

mind_n_jiaodu=(min