基于Arduino的智能乒乓球发球器的设计与制作

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目录

1产品功能分析.....................................................1

2产品设计方案遴选.................................................1

2.1产品开发板的选择...........................................1

2.2电机驱动的选择.............................................1

2.3马达的选择方案..............................................2

2.4舵机选择方案................................................2

2.5显示屏的选择方案............................................2

2.6系统框图设计................................................2

3产品硬件设计......................................................3

3.1Arduino开发板..............................................3

3.2L298n电机驱动模块..........................................4

3.3sg90舵机...................................................5

3.4OLED12864显示屏............................................6

3.5DS1307时钟模块.............................................7

3.6蓝牙模块...................................................8

3.7130电机....................................................9

4产品软件设计.....................................................10

4.1Arduino软件开发环境......................................10

4.2Arduino软件开发流程......................................10

4.3主程序流程图..............................................12

4.4产品程序清单..............................................13

5产品组装与调试..................................................13

5.1电路的组装.................................................13

5.2产品的调试................................................13

5.3产品装配图................................................14

I

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5.4产品使用说明...............................................14

6产品设计技术标准................................................15

参考资料..........................................................16

附录..............................................................17

附录1元器件清单..............................................17

附录2电路原理图..............................................18

附录3PCB设计图..............................................18

附录4产品实物图..............................................19

附录5主程序代码..............................................20

II

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基于Arduino的智能乒乓球发球器的设计与制作

1产品功能分析

本产品是以ArduinoUNO开发板控制电机和舵机驱动来实现发球的方向和

方式为目的设计的。ArduinoUNO开发板为主要部分，外接舵机模块，L298n

电机驱动模、DS1307时钟模块和SSD1306显示器。当接入电源时，模块开始运

转，输入指令后可以实现固定角度和不同角度的发球。智能乒乓球发球器的设

计既可以娱乐健身，又适合于专业训练，性价比特别高。

2产品设计方案遴选

在进行电路的组装前需要分析适合该产品的硬件，使该产品更好的发挥其

功能。

该产品需要我们提供电机，开发板，蓝牙，显示器，时钟，舵机这些模

块，然后我们需要在这些模块中考虑性能，环保问题。

2.1产品开发板的选择

方案一：ArduinoUNO代码封装性高，所需语句少，降低软件的开发难

度，大多数功能都有固定数据库，使用便捷。

方案二：STM32开发板难度大，需掌握细节多。需要一定的专业知识，同

时编写代码实现功能也相对复杂，成本较高。

方案三：STC89C51易上手，但拓展复杂，芯片容易损坏。

综合上面的设计方案，我选择了方案一的ArduinoUNO开发板，资源多，

便于自学，可以配合图形化编程直接生成代码，适合外接传感器，且编程方便

而简洁，所以我选择使用ArduinoUNO开发板进行设计。

2.2电机驱动的选择

方案一：L298N电机驱动可以使用PWM进行电机调速控制，驱动能力强，

发热量低，且抗干扰能力强。

方案二：L9110S电机是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专

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用集成电路器件安全可靠。

综上所述，我选择使用L298n电机驱动，操作简单、性能稳定，有信号显

示更适合此设计。

2.3马达的选择方案

方案一：130马达的高速性能好，精度高，转速快，抗过载能力强，性能

稳定。

方案二：180马达稳定性良好，效率高，接线简单，但不能获得平滑的调

速。

综合上述方案，我选择了方案一130马达，体积小，性能稳定，尺寸适用

于此设计，且可调速。

2.4舵机选择方案

方案一：SG90舵机是价格便宜，可以准确控制物体运动。

方案二：MG90S适用于倾斜盘最佳，用于尾舵比高速数码舵机会差点。

综合上述方案，我选择了方案一因为SG90舵机的舵机比较便宜，位置控

制十分精确，而且转速也是可变。

2.5显示屏的选择方案

方案一：OLED12864显示屏，成本低，低功耗，具有多个控制指令，显示

效果好，高分辨率。

方案二：LCD1602字符液晶板，主板采用全新优质2行16个字符液晶，

显示位置比较少，体积大。

综合上述方案，我选择了方案一的OLED12864显示器支持的范围广，占用

的IO口较少，小巧方便，不怕摔。

2.6系统框图设计

本产品是由ArduinoUNOR3单片机和蓝牙模块，DS1307时钟模块，

OLED12864显示器，SG90舵机，L298n电机驱动模块和外接电源组成。

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图2.1系统框图

3产品硬件设计

3.1Arduino开发板

Arduino开发板通过USB直接烧录程序，外接扩展板比较方便。同时它的

编写程序也较为简单，可利用mind+，米思齐等这些图形化编程软件辅助完

成。网络论坛的资料资源较多。具有简单，便捷开发的特点，可跨平台操作。

图3.1ArduinoUNOR3实物图

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图3.2ArduinoUNOR3原理图

3.2L298n电机驱动模块

L298N电机驱动模块是使用逻辑电平信号来控制的。它有15个引脚，IN1

~IN4是控制电机的引脚，ENA和ENB为电机使能引脚，两边的m1和m2则是电

机接口，GND需要和开发板的地线接在一起，12V为外接电源，5V为接开发板

的VIN或5V。

图3.3L298n电机驱动模块实物图

4

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图3.4L298n电机驱动模块原理图

3.3sg90舵机

sg90舵机它的转动较为灵活。在接收到指令时可以灵活转到你指定的位

置，没有指令时则不会动。sg90有三条线，橙色（PWM）红色（5V）棕色

（GND）。

图3.5sg90舵机实物图

5

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图3.6sg90舵机原理图

3.4OLED12864显示屏

OLED12864显示屏对比度高，功耗低，自发光，超薄，亮度高，图形显示

模块。

图3.7OLED12864显示屏实物图

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图3.8OLED12864显示屏原理图

3.5DS1307时钟模块

DS1307时钟模块低功耗，价格便宜，可以读取年月日，时分秒，周等功

能，且可以自动调节闰年。引脚的SDA，SCL可以和显示器的SDA，SCL连接。

图3.9DS1307时钟模块实物图

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图3.10DS1307时钟模块原理图

3.6蓝牙模块

蓝牙HC05模块是一种便捷通讯模块，有六个引脚，其中SDA,SCL,在配置

蓝牙的时候不需要反接，在使用蓝牙时则需要反接。

图3.11蓝牙模块实物图

8

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图3.12蓝牙模块原理图

3.7130电机

130电机属于一种常用型的微型电机,其轴径相对来说比较纤细。

图3.13130电机实物图

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4产品软件设计

随着时代的进步，若想达到时代的标准，还需借助各种软件技术的支持。

例如我们经常使用的Arduino软件程序。通过编写程序然后烧录即可。

4.1Arduino软件开发环境

首先就是通过USB串口和电脑PC端连接，然后新建工程，选择开发板和

端口，进行烧录。之后观察开发板上有两个灯（L和on）是否亮了，若是亮了

则是说明开发板是正常的。

图4.1软件开发页面

4.2Arduino软件开发流程

建立工程，编写代码，连接开发坂，编译就会生成后缀为.c,.cpp的扩展

文件。编译的过程中会出现一些问题，开发板型号错误，端口号错误，或是代

码错误，编译框都会打印出这些错误，然后对照错误进行修改，直到编译通

过。当代码编译通过时仍可能存在错误，要看到效果和代码匹配上时即为通

过。有时仍需考虑硬件电路接线错误的问题。具体的开发流程如图所示。

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图4.2软件开发流程图

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4.3主程序流程图

图4.3主流程图

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4.4产品程序清单

图4.4产品程序清单

5产品组装与调试

5.1电路的组装

遵守焊接的基本规范。

（1）焊接桌面干净整齐，选好元器件位置，正负极区分，安放到万用板

上。

(2)烙铁达到适宜温度，按照四十五度角和焊锡丝接触在三到五秒内完成

操作。焊接时需注意不要焊接到其他的元器件，注意安全。

(3)模块接线到面包板，用杜邦线连接。由于线较多，所以整个过程中需

细致。请勿带电操作，避免损坏开发板。整个布局需要美观大方且简洁。

（4）检查整个布局有无接线错误问题。

（5）确认无误即可进行下一步烧录程序。

5.2产品的调试

（1）测试开发板，连接开发板到电脑PC端，查看L灯或者ON灯是否亮

起或闪烁。

（2）测试显示屏，烧入测试的IDE代码查看显示屏是否亮起，显示文字

13

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或者其他数据。若是无反应检查是否接线错误重新烧入，直到显示。

（3）测试时钟模块，用串口打印时间或者是显示屏查看时间。烧入测试

代码后，查看时间是否正常。若不正常则是接线，反接的问题，反过来即可。

（4）测试舵机，烧入程序后，用串口输入数据，看舵机是否转动。注意

接线问题。

（5）测试L298n电机驱动模块和电机。接线，连到外接的12V电源，查

看电机是否转动，转动则正常。反之检查接线问题。

（6）测试蓝牙，使用sscom软件对蓝牙进行调试。设置蓝牙密码，蓝牙

名称，蓝牙路径即可。

（7）整体连接，烧入代码，检查是否有反应。电机转动，显示器有数据

则为正常。

5.3产品装配图

图5.1产品装配图

5.4产品使用说明

检查桌面干净整洁，产品无误即可进行操作。

（1）接电源，显示屏会第一行显示YUANLANXIN第二行显示HNSWZY之

后显示时间和角度，同时电机转动。

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（2）通过串口或者上位机输入指令，进行发球。可以输入你需要的角

度，此时舵机转到你输入的角度，然后放球进行发球，屏幕会显示年份时间和

角度。输入a指令时，舵机会以50度为一个单位从0转到180度，然后从180

每次转动减20度到0度。然后显示器会读取串口数据并且打印数据在屏幕

上。输入指令b时则是固定90度，发球。显示屏显示时间和角度。

（3）使用完毕需收好产品，轻拿轻放，切勿使用暴力。

6产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范

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参考资料

[1]陈吕洲.《Arduino程序设计基础》[M].北京航天航空出版社，2014

[2]（美）布鲁姆（Blum，J.）著,况琪，王俊升译.Arduino魔法书：实现梦想的工具和技术[M].电子工业

出版社，2014

[3]SimonMonk著，唐乐译.Arduino+Android互动智作[M].北京：科学出版社，2013

[4]喻宗泉.《蓝牙技术基础》[M].北京：机械工业出版社，2014

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附录

附录1元器件清单

附表1.1元器件清单

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附录2电路原理图

附图2.1产品原理图

附录3PCB设计图

附图3.1产品PCB设计图

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附录4产品实物图

附图4.1产品实物图正面

附图4.2产品实物图反面

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附录5主程序代码

#include<DFRobot_Servo.h>//舵机模块

#include<DFRobot_DS1307.h>//时钟模块

#include<Adafruit_ssd1306syp.h>//oled显示器模块

#defineSDA_PIN2

#defineSCL_PIN3//定义显示器模块的引脚

//动态变量

charmind_s_i;//将串口读取的消息存储在该变量中

intmind_n_jiaodu;//将串口读取的消息存储在该变量中

Adafruit_ssd1306sypdisplay(SDA_PIN,SCL_PIN);//静态常量

#defineIN14//定义IN1引脚

#defineIN25//定义IN2引脚

#defineIN36//定义IN3引脚

#defineIN47//定义IN4引脚

//创建对象

DFRobot_DS1307ds1307;//时钟模块变量

Servoservo_11;//舵机模块变量

//主程序开始

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);//显示的位置

display.setTextSize(2);//字体大小

display.print("HNSWZY");//显示“HNSWZY”

display.setCursor(0,0);//显示的位置

display.print("YUANLANXIN");//显示内容

display.update();//开启显示

servo_11.attach(11);//舵机初始化

Serial.begin(9600);//波特率

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ds1307.begin();//时钟初始化

mind_n_jiaodu=30;//设置角度变量的初值

pinMode(13,OUTPUT);//初始化引脚

pinMode(IN1,OUTPUT);//IN1引脚初始化

pinMode(IN2,OUTPUT);//IN2引脚初始化

pinMode(IN3,OUTPUT);//IN3引脚初始化

pinMode(IN4,OUTPUT);//IN4引脚初始化

}

voidloop(){

display.clear();//清屏

if((Serial.available())>0){//判断串口是否有数据可读

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

servo_11.angle(abs(mind_n_jiaodu));//设置舵机角度

Serial.println((String("angle:")+mind_n_jiaodu));//输出数据

}

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))))))))))));//显示年月日

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))))))))))));//显示时分秒

analogWrite(IN1,-150);//设置马达1转速为-150

analogWrite(IN2,-150);//设置马达1转速为-150

analogWrite(IN3,-150);//设置马达2转速为-150

analogWrite(IN4,-150);//设置马达2转速为-150

digitalWrite(13,HIGH);//高电平

delay(1000);//延时1s

digitalWrite(13,LOW);//低电平

delay(1000);//延时1s闪烁灯

display.setCursor(0,0);//显示的位置

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);//显示的位置

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

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);//显示的位置

display.print("angle:");//提示符angle:

display.print(mind_n_jiaodu);//显示角度变量

display.update();//开启显示

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

mind_s_i=Serial.read();//读取变量

if(mind_s_i=='a'){//串口输入a时执行以下命令舵机角度在0的基础上加50

度到180在减20度到0实现不同角度发球的一个功能

display.clear();//清屏

digitalWrite(IN1,LOW);//设置马达1为低电平

digitalWrite(IN2,HIGH);//设置马达1为高电平

digitalWrite(IN3,HIGH);//设置马达2为高电平

digitalWrite(IN4,LOW);//设置马达2为低电平

while(!(mind_n_jiaodu>180)){

servo_11.angle(abs(mind_n_jiaodu));//舵机读取角度

delay(1000);//延时1s

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

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

display.setCursor(2,0);//显示的位置

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

//显示内容

display.setCursor(0,16);//显示的位置

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

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);//显示的位置

display.print("angle:");//提示符angle:

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display.print(mind_n_jiaodu);//显示角度变量

display.update();//开启显示

}//在屏幕第一行显示角度

while(!(mind_n_jiaodu<0)){

display.clear();//清屏

digitalWrite(IN1,LOW);//设置马达1为低电平

digitalWrite(IN2,HIGH);//设置马达1为高电平

digitalWrite(IN3,HIGH);//设置马达2为高电平

digitalWrite(IN4,LOW);//设置马达2为低电平

servo_11.angle(abs(mind_n_jiaodu));//判断角度

delay(1000);//延时1s

mind_n_jiaodu=(min