CN103599630A - 智能乒乓球拍 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能乒乓球拍，包括手柄以及相对布置在其两侧的左、右基板，左、右基板之间有间隙，电路板设置在该间隙内，左、右基板朝向电路板的一侧的内表面上均匀粘贴多个压电薄膜传感器，电路板上焊接主控MCU、信号调理电路、存储器和通信接口电路，压电薄膜传感器的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端与主控MCU的输入端相连，主控MCU的输入输出端通过通信接口电路与上位机通讯。本发明可以得到乒乓球训练过程中的有用的数据信息，为日后提高训练质量提供客观的数据源，实现对乒乓球击球力度、位置及击球频率等信息的获取，具有智能化的特点，此外，功耗低、结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及乒乓球智能数据采集及统计系统的前端设备技术领域，尤其是一种智能乒乓球拍。
背景技术
目前，乒乓球拍与乒乓球的接触面通常采用一定材料的木板作为支撑，然后在支撑木板的两面粘接具有特定性能的胶皮，用来对乒乓球进行来回弹击。在实际的乒乓球训练和比赛过程中，乒乓球的击球位置、力度及击球频率直接影响训练和比赛的成绩，然而，普通的乒乓球拍无法提供训练及比赛尤其是训练过程中的击球位置、力度、击球频率等信息，从而无法给教练和运动员提供客观的相关数据，导致训练具有一定的盲目性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对击球位置、击球力度、击球频率等数据进行采集和分析、提高训练准确度和训练手段的智能乒乓球拍。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种智能乒乓球拍，包括手柄以及相对布置在其两侧的左、右基板，左、右基板之间有间隙，电路板设置在该间隙内，左、右基板朝向电路板的一侧的内表面上均匀粘贴多个压电薄膜传感器，电路板上焊接主控MCU、信号调理电路、存储器和通信接口电路，压电薄膜传感器的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端与主控MCU的输入端相连，主控MCU的输入输出端通过通信接口电路与上位机通讯。
所述左、右基板的外表面上均粘贴胶皮；所述手柄的端部开设通信接口，手柄内部开设用于容纳锂电池的空腔。
所述左基板的内表面上均匀粘贴9个压电薄膜传感器，所述右基板的内表面上均匀粘贴9个压电薄膜传感器。
所述主控MCU的输入输出端分别与存储器、通信接口电路的输入输出端相连，电源电路分别向主控MCU、信号调理电路、通信接口电路供电，所述主控MCU采用C8051F312单片机。
所述信号调理电路由左基板信号调理电路和右基板信号调理电路组成，所述主控MCU的信号输入端分别与左、右基板信号调理电路的输出端相连，左基板信号调理电路的输入端与左基板上粘贴的压电薄膜传感器的输出端相连，且其个数与左基板上粘贴的压电薄膜传感器的个数一致；右基板信号调理电路的输入端与右基板上粘贴的压电薄膜传感器的输出端相连，且其个数与右基板上粘贴的压电薄膜传感器的个数一致。
所述电源电路包括三端稳压器HT7330，其输入端接锂电池提供的3.6V直流电，其输出端分别与C8051F312单片机的4脚、Π型滤波电路的输入端相连，Π型滤波电路的输出端与信号调理电路的电源端相连。
所述信号调理电路包括运放U2A，其反相输入端依次通过电阻R4、电容C4接压电薄膜传感器的正极，运放U2A的正相输入端与Π型滤波电路的输出端相连，运放U2A的输出端依次通过电阻R2、R3接运放U2B的正相输入端，运放U2B的输出端与C8051F312单片机的2脚相连，所述运放U2A、U2B均采用AD823芯片。
所述通信接口电路为RS485通信电路，RS485通信电路包括MAX3485芯片，其3、4、1脚分别与C8051F312单片机的28、30、29脚相连，其2、3脚相连，其5脚接地，其8脚通过电容C10接地，其6、7脚分别通过电阻R16、R17与上位机通讯。
所述存储器为EEPROM存储器，EEPROM存储器采用24C256芯片，其1、2、3、4脚相连后接地，其8脚接电源电路的输出端，其6、5脚分别与C8051F312单片机的7、8脚相连。
由上述技术方案可知，本发明首先对压电薄膜传感器的输出信号进行采集，各个压电薄膜传感器的输出信号通过信号调理电路进行放大、滤波等处理，由主控MCU获取击球点位置和击球频率的测量，并发送至存储器存储，当需要对这些信息进行处理时，通过RS485总线将这些数据上传给上位机，通过上位机软件的相关处理，可以得到乒乓球训练过程中的有用的数据信息，为日后提高训练质量提供客观的数据源。本发明可以实现对乒乓球击球力度、位置及击球频率等信息的获取，具有智能化的特点，此外，本发明利用压电薄膜传感器的正向压电效应，将机械能转换为电能，并采用低功耗的集成芯片，实现了超低功耗的数据采集处理，功耗低、结构紧凑。
附图说明
图1、2为本发明的结构示意图。
图3为本发明的电路框图。
图4、5、6、7、8分别为本发明中主控MCU、信号调理电路、电源电路、EEPROM存储器、RS485通信接口电路的电路原理图。
具体实施方式
智能乒乓球拍，包括手柄3以及相对布置在其两侧的左、右基板1、2，左、右基板1、2之间有间隙，电路板4设置在该间隙内，左、右基板1、2朝向电路板4的一侧的内表面上均匀粘贴多个压电薄膜传感器5，电路板4上焊接主控MCU 9、信号调理电路、存储器和通信接口电路，压电薄膜传感器5的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端与主控MCU 9的输入端相连，主控MCU 9的输入输出端通过通信接口电路与上位机通讯，如图1、2所示。
如图1、2所示，所述左、右基板1、2的外表面上均粘贴胶皮；所述手柄3的端部开设通信接口6，手柄3内部开设用于安装锂电池的凹槽7。所述左基板1的内表面上均匀粘贴9个压电薄膜传感器5，所述右基板2的内表面上均匀粘贴9个压电薄膜传感器5。每个压电薄膜传感器5输出线为两根，连接到电路板4上，具体的工作原理如下：当左基板1或右基板2某处击打乒乓球后，距离击球点最近处的压电薄膜传感器5输出的信号为最大，同时其他点的压电薄膜传感器的信号输出与距击球点的距离成近似线性关系，通过信号调理电路及主控MCU 9的快速ADC转换后，将各点的信号累加得到击球力度，同时根据线性插值算法得到击球点的位置。同时，对一定时间间隔内的击球次数得到击球频率，然后将相关信息保存在EEPROM存储器8中，通信接口6实现智能乒乓球拍与上位机的通信，凹槽7内安装可充电可拆卸的锂电池。
如图3所示，所述主控MCU 9的输入输出端分别与存储器、通信接口电路的输入输出端相连，电源电路分别向主控MCU 9、信号调理电路、通信接口电路供电，所述信号调理电路由左基板信号调理电路和右基板信号调理电路组成，所述主控MCU 9的信号输入端分别与左、右基板信号调理电路的输出端相连，左基板信号调理电路的输入端与左基板1上粘贴的压电薄膜传感器5的输出端相连，且其个数与左基板1上粘贴的压电薄膜传感器5的个数一致；右基板信号调理电路的输入端与右基板2上粘贴的压电薄膜传感器5的输出端相连，且其个数与右基板2上粘贴的压电薄膜传感器5的个数一致，左基板信号调理电路和右基板信号调理电路的电路组成相同。
如图4所示，所述主控MCU 9采用C8051F312单片机，该单片机内部具有丰富的片上资源，其具有21通道的10bit高速ADC，有利于内部电路的高度集成化。左基板1和右基板2的18路传感器信号经过18个信号调理电路处理后，产生单级性的电压信号送入主控MCU 9的各个ADC通道进行AD转换。C8051F312单片机的调试接口为两线制C2接口，分别是C2CK接口和P3.0/C2D接口，P0.0～P3.4口可以通过主控MCU 9内部的交叉开关配置为ADC的输入端。压电薄膜传感器5通过信号调理电路输出的信号——A00～A15单级性信号，输入到C8051F312单片机P0.0～P0.3口；P0.7～P2.2口作为ADC的正极性输入端，ADC的负极性输入端为GND，ADC工作在单级性模式下，C8051F312单片机内部执行相关程序算法，通过对压电薄膜传感器5的输出信号的采集获取相关的击球力度、击球位置和击球频率等相关信息，P0.4～P0.6口作为RS485接口，振荡源采用内部高精度高稳定RC振荡器。
如图5所示，所述信号调理电路包括运放U2A，其反相输入端依次通过电阻R4、电容C4接压电薄膜传感器5的正极，运放U2A的正相输入端与Π型滤波电路的输出端相连，运放U2A的输出端依次通过电阻R2、R3接运放U2B的正相输入端，运放U2B的输出端与C8051F312单片机的2脚相连，所述运放U2A、U2B均采用AD823芯片。信号调理电路将压电薄膜传感器的输出电荷信号转换成电压信号，由运算放大器和反馈网络组成，采用的运算放大器为具有极高阻抗的运算放大器——AD823芯片，其输入阻抗为1013欧姆，带宽为16MHz，非常适合于压电薄膜传感器的测量电路。为了保证精度，电荷转换部分的反馈电容C1采用稳定性及绝缘电阻高的CB系列金属膜精密电容，反馈电阻R1的阻值根据具体情况进行选择，一般取值较大，同时为了保证电路的增益，反馈电容C1不能取太大。电容C4的作用是隔直和隔离压电薄膜传感器5的零漂，电容C2和电阻R4组成的RC并联电路的作用是消除振荡和产生超前相移。经过电荷转换电压后会有尖峰和毛刺，利用电阻R2、R3、电容C3、C5和运放U2B组成的二阶有源低通滤波器进行滤波，可获得较好的输出电压波形，二阶有源低通滤波器的增益由电阻R8、R7决定。
如图6所示，所述电源电路包括三端稳压器HT7330，其输入端接锂电池提供的3.6V直流电，其输出端分别与C8051F312单片机的4脚、Π型滤波电路的输入端相连，Π型滤波电路的输出端与信号调理电路的电源端相连。内部电路由单节可充电锂电池供电，单节的锂电池电压为3.6VDC，电源调节采用超低静态电流的三端稳压器HT7330产生3V的稳定电压，给C8051F312单片机和信号调理电路等内部电路供电。为了让模拟电路和数字电路实现分别单独供电和走线，用Π型滤波电路和电阻R10将模拟电路电源3VA、AGND和数字电路3VCC、GND隔开。由电阻R11和R14产生1.5V的电压接入到运放U2A的同相输入端作为压电薄膜传感器5没受力时运放的输出电压，电容C11～C18作为旁路电容，用于运放U2A的退耦电容。
如图7所示，所述存储器为EEPROM存储器8，EEPROM存储器8采用24C256芯片，其1、2、3、4脚相连后接地，其8脚接电源电路的输出端，其6、5脚分别与C8051F312单片机的7、8脚相连。相关信息存储于EEPROM存储器8中，EEPROM存储器8采用24C256芯片，24C256芯片的存储容量为256Kbit，存储容量可以满足一定时间间隔内的数据存储，电阻R12、R13作为上拉电阻，24C256芯片的时钟和数据端分别和C8051F312单片机的P3.1和P3.2口相连。
如图8所示，所述通信接口电路为RS485通信接口电路10，RS485通信接口电路10包括MAX3485芯片，其3、4、1脚分别与C8051F312单片机的28、30、29脚相连，其2、3脚相连，其5脚接地，其8脚通过电容C10接地，其6、7脚分别通过电阻R16、R17与上位机通讯。MAX3485芯片为RS485逻辑电平转换芯片，工作于半双工通信模式，其中的方向控制信号DIR和C8051F312单片机的P0.6相连，电阻R15为上拉电阻，电阻R18为下拉电阻，电阻R16、R17为能量吸收电阻，通过上下拉电阻和能量吸收电阻可以提供RS485总线的通信的稳定性，通信协议采用标准的MODBUS RTU协议。
综上所述，本发明首先对压电薄膜传感器5的输出信号进行采集，各个压电薄膜传感器5的输出信号通过信号调理电路进行放大、滤波等处理，由主控MCU 9获取击球点位置和击球频率的测量，并发送至存储器存储，当需要对这些信息进行处理时，通过RS485总线将这些数据上传给上位机，通过上位机软件的相关处理，可以得到乒乓球训练过程中的有用的数据信息，为日后提高训练质量提供客观的数据源。本发明可以实现对乒乓球击球力度、位置及击球频率等信息的获取，具有智能化的特点。
Claims (9)
1.智能乒乓球拍，其特征在于：包括手柄（3）以及相对布置在其两侧的左、右基板（1、2），左、右基板（1、2）之间有间隙，电路板（4）设置在该间隙内，左、右基板（1、2）朝向电路板（4）的一侧的内表面上均匀粘贴多个压电薄膜传感器（5），电路板（4）上焊接主控MCU（9）、信号调理电路、存储器和通信接口电路，压电薄膜传感器（5）的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端与主控MCU（9）的输入端相连，主控MCU（9）的输入输出端通过通信接口电路与上位机通讯。
2.根据权利要求1所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述左、右基板（1、2）的外表面上均粘贴胶皮；所述手柄（3）的端部开设通信接口（6），手柄（3）内部开设用于安装锂电池的凹槽（7）。
3.根据权利要求1所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述左基板（1）的内表面上均匀粘贴9个压电薄膜传感器（5），所述右基板（2）的内表面上均匀粘贴9个压电薄膜传感器（5）。
4.根据权利要求1所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述主控MCU（9）的输入输出端分别与存储器、通信接口电路的输入输出端相连，电源电路分别向主控MCU（9）、信号调理电路、通信接口电路供电，所述主控MCU（9）采用C8051F312单片机。
5.根据权利要求1所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述信号调理电路由左基板信号调理电路和右基板信号调理电路组成，所述主控MCU（9）的信号输入端分别与左、右基板信号调理电路的输出端相连，左基板信号调理电路的输入端与左基板（1）上粘贴的压电薄膜传感器（5）的输出端相连，且其个数与左基板（1）上粘贴的压电薄膜传感器（5）的个数一致；右基板信号调理电路的输入端与右基板（2）上粘贴的压电薄膜传感器（5）的输出端相连，且其个数与右基板（2）上粘贴的压电薄膜传感器（5）的个数一致。
6.根据权利要求4所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述电源电路包括三端稳压器HT7330，其输入端接锂电池提供的3.6V直流电，其输出端分别与C8051F312单片机的4脚、Π型滤波电路的输入端相连，Π型滤波电路的输出端与信号调理电路的电源端相连。
7.根据权利要求4所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述信号调理电路包括运放U2A，其反相输入端依次通过电阻R4、电容C4接压电薄膜传感器（5）的正极，运放U2A的正相输入端与Π型滤波电路的输出端相连，运放U2A的输出端依次通过电阻R2、R3接运放U2B的正相输入端，运放U2B的输出端与C8051F312单片机的2脚相连，所述运放U2A、U2B均采用AD823芯片。
8.根据权利要求4所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述通信接口电路为RS485通信接口电路（10），RS485通信接口电路（10）包括MAX3485芯片，其3、4、1脚分别与C8051F312单片机的28、30、29脚相连，其2、3脚相连，其5脚接地，其8脚通过电容C10接地，其6、7脚分别通过电阻R16、R17与上位机通讯。
9.根据权利要求4所述的智能乒乓球拍，其特征在于：所述存储器为EEPROM存储器（8），EEPROM存储器（8）采用24C256芯片，其1、2、3、4脚相连后接地，其8脚接电源电路的输出端，其6、5脚分别与C8051F312单片机的7、8脚相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20191106 Address after: Room 301-15, building 1, No.111, Guigu Er Road, Luoxing street, Jiashan County, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Jiashan chuangyue Intellectual Property Service Co.,Ltd. Address before: Yanshan Yuhui District 233011 Anhui city in Bengbu Province Road No. 1155 Patentee before: Zhang Zhongju |
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Application publication date: 20140226 Assignee: Jiaxing Tizhong Electronic Technology Co.,Ltd. Assignor: Jiashan chuangyue Intellectual Property Service Co.,Ltd. Contract record no.: X2023330000391 Denomination of invention: Intelligent Table tennis racket Granted publication date: 20160921 License type: Common License Record date: 20230718 |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20231007 Address after: Room 401-89, Building 1, No. 111 Guigu Second Road, Luoxing Street, Jiashan County, Jiaxing City, Zhejiang Province, 314100 (Residence application) Patentee after: Jiashan Luoxing Venture Capital Co.,Ltd. Address before: Room 301-15, building 1, No. 111, Guigu 2nd Road, Luoxing street, Jiashan County, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee before: Jiashan chuangyue Intellectual Property Service Co.,Ltd. |