基于PWM的智能发球器系统设计

实验题目：基于PWM的智能发球器系统设计

课程简要信息

课程名称：电子装配实习

课程学时：40学时

项目学时：10学时（课内）+6学时（课外）

适用专业：电子科学与技术、通信工程、自动化、电子信息等相关专业

学生年级：大二上学期（第3学期）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：

本实验内容为电子信息、物联网工程和计算机软件三门学科的综合，要求学生基于PWM原理，设计制造简单系统——智能发球器系统。学生进行电路设计、元器件焊接、编程调试，数据记录与处理。

最终效果为结合PWM原理，控制器可以控制电机旋转速度与云台的俯仰角，继而控制小球发射的初速度与角度,最终控制小球发往目标区域。

为了激发学生的创新性，兼顾学科竞赛选拔，将任务分为了基本任务和扩展任务：

基本任务必选，为本实验主要目标；扩展任务可选，需要学生独立思考、创新之后，才有可能完成。

基本任务：

电路设计、制作部分：

（1）完成电路设计，完成主控板电路原理图和PCB图设计。

（2）完成电路板元器件焊接，掌握手工焊接工艺。

编程测试部分：

（3）完成软件编程与调试，通过移动端控制电机的转速以及云台俯仰角度，最终控制乒乓球的发射距离。

（4）进行标定实验，分别测量不同俯仰角、发球初速度情况下小球的投射距离，记录实验数据，拟合出三者之间的关系。

（5）学生根据拟合出的公式，由已知投射距离，计算出相应的俯仰角与电机转速，并进行投射，检验投射精度。

扩展任务：

主控板搭载无线测距模块，由测量得到的距离，直接在移动端给出推荐的电机转速与俯仰角。

实验过程及要求（限300字）

本实验在实现过程中，根据课程类别划分为不同的子过程来完成，具体过程和

要求参考表 3.1。

表3.1 实验过程及要求

相关知识及背景（限150字）

这是一个多个学科交叉融合的实验，将电子电路设计、软件编程、物联网工程等课程理论运用到实际生活中，需要掌握电子电路设计技术、手工焊接技术、PWM原理、软件编程、数据处理等相关知识以及串口通信原理、控制变量、设备标定等工程概念与方法。

实验环境条件 {#实验环境条件}

实验所需环境如表5.1所示：

表5.1 实验环境

教学目标与目的（限150字）

思政目标

1. 培育学生求真务实、精益求精的工程素养和工匠精神。

2. 激发学生的创新思维,培养学生团结协作的精神。

（3）促进学生热爱生活，培养追求真善美的人文情怀和家国情怀。

能力目标

1. 帮助学生提升电路设计能力和手工焊接技术。

2. 帮助学生认知单片机，并提高嵌入式系统开发能力。

3. 培养学生学科交叉工程融合能力。

4. 培养学生处理、分析实验数据的能力。

教学设计与实施进程

教学设计：

本实验内容为电子信息、物联网工程和计算机软件三门学科的综合，需要学生在掌握三门课程的基础理论课程的基础上完成实际应用，同时培养学生工程素养和创新能力。

基于此，设计了基于PWM原理的智能发球器。在此过程中需要设计符合电路原理的电路板、手工焊接电子元器件、学习PWM基本原理与应用、使用软件开发工具进行软件编程、实验数据的记录与处理等，通过这一系列实践，培养学生掌握电子产品设计与制作过程中的必备技能，基于技术指标要求，学生要经历学习研究、需求分析、系统设计、实现调测、数据处理、设计总结等过程。为了学生能在实验中不断突破自我，本次实验将拆分为若干个阶段性任务，在实践教学中，应该对以下方面加强对学生的指导：

1. 相关电子元器件参数，设计控制板的电路原理图与PCB图；

2. 手工焊接技术，控制板元器件的焊接；

3. 单片机编程，调试，结合PWM原理，控制电机旋转速度与云台俯仰角；

4. 云服务器创建云端设备，设备接入物联网，实现无线控制小球发射；

5. 开展标定实验，记录实验数据，并拟合出小球发射距离与电机转速和俯仰角的关系。

实施进程：

具体的教学设计与实施进程如下表7.1所示：

表7.1教学设计与实施进程

实验原理及方案

（1）系统结构

本项目主控板以ESP8266芯片为核心，该芯片是一款的低成本、低功耗无线Wi-Fi芯片，采用先进的CMOS工艺制造，集成了主处理器、Wi-Fi模块、存储器和各种接口等多个功能单元，使得整个系统非常紧凑和集成化。发球器模块搭载两台电机，结合PWM原理，主控板可以调节电机旋转速度，继而控制小球的初速度。将发球器搭载在云台上，通过调节俯仰角，控制小球的发射角度。利用ESP8266主控板的物联网功能，接入远程服务器，实现移动端控制小球发射距离。

按照本系统所需功能，系统硬件结构可以划分为四大主要部分：发球器模块、云台模块、ESP8266主控板以及移动端控制模块，该系统总体结构如图8.1所示：

图8.1 系统总体结构图

（2）具体实现

本方案以ESP8266无线模组为核心设计主控板，结合PWM原理，主控板控制小球的发射初速度与发射角度。为方便控制，主控板需接入远程服务器，通过设计可视化界面，移动端可以显示并调节电机旋转速度与云台的俯仰角，最终实现无线发球器平台的设计。

a) 硬件电路设计

本设计MCU采用的安信可公司ESP8266-12F系列单机来设计原理图，本设计的电路原理图如图8.2所示。

图8.2 基于PWM的智能发球器主控板电路原理图

·电源电路

ESP8266最小系统板的需求电压是3.3V，电路板的供电电压由USB接口5V电压提供。需要设计一个电压转换电路将5V电压转换为3.3V电压，选用BL1117电压转换芯片，同时设计一个电源LED用于显示电源是否上电，图8.3为电压转换电路。

图8.3 电压转换电路

·CH340C程序下载电路

本设计采用的是USB总线的转接片CH340芯片，该芯片是USB转串口芯片，广泛用于连接计算机与各种嵌入式系统、单片机以及其他电子设备的通信。在本设计中，该芯片用于将USB信号转TTL信号，具体电路如图8.4所示。

图8.4 USB转TTL电路

·电机与云台舵机接口电路

电机与云台舵机均通过GPIO口与主控板相连，基于PWM原理，可以分别控制舵机的旋转角度与电机的转速，其接口电路如图8.5所示。

图8.5 电机、舵机接口电路

b) 电路板元器件焊接

电路设计完成之后，学生需要学习手工焊接技术，完成电路板元器件的焊接，并进行简单的焊接质量检测，焊接后的电路板如图8.6所示。

图8.6 电路板成品

c) 发球器模块、云台模块硬件组装

发球器搭载两台微型电机，分别搭载边缘覆盖橡胶圈的“车轮”，以增大摩擦力，减小动能的损失。为确保发球的稳定性，发球器两端需安装导轨，在实验过程中，学生需要手动组装发球器。云台核心部件为舵机，通过控制舵机旋转角度，继而控制云台台面的俯仰角。实验中，电机、云台舵机通过GPIO口连接到ESP8266主控板，结合PWM原理，调节电机旋转速度与舵机的旋转角度，最终控制发球初速度与俯仰角，发球器模块实物如图8.7所示。

图8.7发球器模块成品

d) 系统软件设计

为培养学生的软件开发能力，本系统软件设计部分主要为主控板结合PWM原理控制发球器模块发射小球的初速度与俯仰角，利用ESP8266芯片的联网功能，主控板接入远程服务器，移动端可以显示并调节电机旋转速度与云台的俯仰角，最终实现智能发球器平台的软件设计，程序设计流程图如图 8.8 所示。

图8.8 方案软件设计流程图

学生需借助Blinker软件，设计手机端可视化界面，并实现远程控制小球发射距离，操作界面如图8.9所示。

图8.9 方案软件设计流程图

实验报告要求

1. 硬件电路设计

根据系统要求，划分单元模块电路，并细化设计方法，电路板原理图和PCB图的设计原则。

2. 元器件焊接

详细描述手工焊接技术与注意事项。

3. 系统软件调试

体现编程和调试的步骤以及过程，关键步骤可以用伪代码来表示。

4. 数据处理与分析，成果展示

根据标定实验结果，拟合出发射距离与电机转速、俯仰角的关系，并将关键数据列表格，根据现场发射结果，分析拟合结果。

5. 创新方案设计

详细记录进阶任务的创新方案设计，包含功能要求、可行性分析、总体架构与方案实现、软件功能实现与元器件清单、团队成员分工等。

6. 实验小结

对本次实验项目进行反思与总结，提出改进方向。

考核要求与方法（限300字）

考核方式采用分阶段多元化方式，如下表所示：

表10.1 考核方法及要求

项目特色或创新（可空缺，限150字） {#项目特色或创新可空缺限150字}

（1）专业融合：该项目包含电子电路设计、软件编程、物联网等多门学科，具有较强的系统性与综合性；

（2）混合教学：依托云课堂等线上资源，开展线上线下混合式教学；

（3）创新性高：改进现有发球平台，使其具有智能控制发球距离的功能，提升学生的创新能力；

（4）趣味性较强：本实验结合体育场景，易于学生理解，趣味性较强。

附录一：

学生实验现场照片

附录二：

教学成果

附录三：

采用easy云课堂进行教学管理