一种体育球类自动存放及计数装置

毛磊

（山西能源学院 山西 晋中 030600）

背景

球类运动是重要的体育运动项目之一，如，篮球、足球和排球等，中小学及高校基本都开设有篮球、足球和排球课程，因此如何存放球类是重要现实问题，其如何进行科学设计将很大程度上提高使用的效率。目前，学校体育器材室中球类的存放方式通常使用简易的架子、箱子或袋子，但由于球类容易滚动，在架子上容易滑落，在箱子或袋子里占用空间大，且使用时拿取不方便，因每天体育课均使用到球类，存、取、放球的频率极高，器材室管理人员每次进行统计球的数量工作量极大，可见，存放和统计球的数量时耗时耗力。

随着加工产业的创新性发展，各类新式产品不断生产，然而国内企业对球类自动存放和计数装置的产品设计较少，在设计过程中不仅要考虑如何自动进球和取球，而且要考虑如何自动化计数，另外还需考虑产品的成本，以满足大批量生产和市场拓广。

为此，针对现在装置技术的不足，在充分考虑节约成本的基础上，最大程度上提升球类存放的便捷性。本文设计了一种可自动存放及计数的球类存放装置，实现了球类的自动放置、自动计数和自动拿取的功能。

1、总设计方案

球类存放装置如图1所示，共包括传送装置、置物架体、主控面板三部分。置物架体居中安装，传送装置安装于置物架体的左侧，主控面板独立安装于收纳筒的右侧。其中，传送装置包括底座、滑轮、旋转把手、皮带、运送板，实现了将球从运送板移送至置物架体中的球类放置板上的功能；置物架体包括固定支架、球类放置板、其他物品放置板、收纳筒，球类放置板倾斜35°左高右低安装于固定支架上，其他物品放置板水平安装于固定支架上，收纳筒焊接在置物架体的右下角，收纳筒焊接在置物架体的右下角；主控面板包括显示屏、开关按钮、电源，其中，显示屏可实现实时计数的显示功能。特别地，传送装置与置物架体间安装有带脚踏板的铝板，通过踩压移动铝板，实现运送板的右端磁铁与球类放置板的左端磁铁的相吸及相斥。

图1 装置设计总图

具体地，置物架体底部的两侧均固定连接有支撑腿，支撑腿的底部固定连接有防滑垫。传送装置的底端安装有固定底盘，底盘固定于地面，且传送装置两端均安装传送板，传送板的一端与传送带用弹簧连接，另一端安装有磁铁。收纳筒与置物架体的右侧两端固定支架焊接固定，收纳筒内底端固定安装有橡胶垫，且收纳筒四周有挂钩，方便使用者挂置收纳网。主控面板中的开关控制显示屏，电源的连接是否决定了主控面板的工作与否。另外，图1示意图中以5层球类置物架、2层其他物品置物架、5层传送板为例，在实际应用中，可根据具体需求进行增加层数。

2、具体设计思路

2.1、传送装置

如图2所示，为传送装置的滑轮连接示意图，结合图1中的传送装置部分，传送装置的设计思路为：使用者直接将球依次放置在传送装置的右侧传送板上，通过旋转带旋转把手的滑轮4，带动滑轮5、3、2、1滑轮转动，放满球的底层传送板逐渐移动至高处，继续在底层传送板上放置球，当靠近球类放置板的传送板上全面放满球后，踩至铝板的脚踏板，铝板倾斜弹出，传送板右端磁铁和球类放置板左端磁铁相吸，多层传送板上的球同时自动滚落到每一层的球类放置板的最右端。

图2 传送装置滑轮连接图

特别地，每层传送板的球类放置图如图3所示，本文以2排、4列为例，在实际应用中，可根据具体需求进行增加排数和列数。

图3 传送板球类放置图

2.2、置物架体

如图4所示，为置物架体的结构示意图，结合图1中的置物架体部分，置物架体包括固定支架、球类放置板、其他物品放置板、收纳筒。置物架体的设计思路为：球类放置板表面等间隔设有第一凹槽，第一凹槽体积小于球类体积，在每一第一凹槽中心设有压力传感器，在球类放置板右侧末端设有第二凹槽，第二凹槽的长度为球类放置板的宽度的1.5倍，且第二凹槽安装挡杆，用于将球挡在球类放置板而不会落下，挡杆两端垂直安装万向自锁轮，通过移动档杆让球落入收纳筒中，具体放置示意图如图5所示。当拉动不同球类放置板上的挡杆，可使固定旋转板上的球自动落入收纳筒中。特别地，第一凹槽中压力传感器检测到是否有球，显示屏中实时显示已放置球的数量。另置物架体底部的两侧均固定连接有支撑腿，支撑腿的底部固定连接有防滑垫。另外，其他物品放置板表面固定安装有橡胶垫，用于放置其他物品，更充分地利用所有空间。

图4 置物架体的结构示意图

图5 第二凹槽上档杆的放置示意图

具体地，当使用者需要拿取球时，可先选定一层或多层球类放置板，接动该层第二凹槽中挡杆后端拉绳，当球右侧无档杆时，球自动落入收纳筒中，当只需拿取该球类放置板上的部分球时，拉动该层第二凹槽中挡杆前端拉绳，直到挡杆挡住球体，球体不再掉落，取球动作结束。使用者循环以上放置动作，直至球全部放满球类放置板，同时，第一凹槽中压力传感器检测到是否有球，显示屏中实时显示已放置球的数量。当使用者需要拿取球时，可先选定一层或多层球类放置板，接动该层第二凹槽中挡杆后端拉绳，当球右侧无档杆时，球自动落入收纳筒中，当只需拿取该球类放置板上的部分球时，拉动该层第二凹槽中挡杆前端拉绳，直到挡杆挡住球体，球体不再掉落，取球动作结束，显示屏上的球总数实时更新。特别地，图4中球类放置板是以2排、4列为例，与传送板的球类放置图保持一致，在实际应用中，也可根据具体需求进行增加排数和列数。

2.3、主控面板

主控面板为PCB印制电路板，分别设有显示屏、电源开关、电源接口、主控芯片，主控CPU芯片选用MAX1714，其熔焊有信息接收模板、信息传输模块、信息解析模板，其中，信息接收模板通过数据传输线与压力传感器连接，压力传感器为安装于球类放置板的第一凹槽中的传感器。

其中，压力传感器的主要原理是通过感受压力信号，并将其压力信号变换为电路可传输的电信号，通常包括压力敏感元件、信号处理单元。一般地，压力传感器包括压阻式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电式压力传感器。本文采用最基础的压阻式压力传感器，主要原理是单晶硅的压阻效应，当外部给传感器的压力发生改变时，单晶硅产生应变，转换为输出二进制信号，传递至显示端。

在主控面板中，主控制器是系统的关键部分，其稳定运行直接决定了整个系统的稳定运行。通过主控制器控制数据采集部分获取传感器数据，通过主控制器控制功能部分实现控制功能。本文选用的是STC89C52单片机，其执行能力强、运算速度快，费用成本低、开发周期成本低，另选用D3B压力传感器，其结构设计简单，不需电源和其他电路，装置体积小，广泛应用于航空航天、智能硬件、汽车业、农业等领域，考虑到压力传感器输出的是模拟量，所以需通过模数转换电路进行数据转换，输出数字量后，需要搭配模数转换芯片。

2.4、单片机芯片的选择

在方案设计初期，计划使用可编程逻辑器件作为主控制器，其具有编程灵活、集成度高、稳定性好、适用范围广等功能优点，然而球类放置架非大型系统，不需要控制系统具有复杂的逻辑功能，对于数据的处理速度需求低，所以该方案不可取；然后，选用单片机控制器，其中包括STC89C52和STM32，前者是CMOS工艺8位微控制器，RAM和ROM存储空间大，工作电压范围更广，支持在线编程，低功耗、性能高，后者是半导体ST公司的基于ARM7架构的32位的微控制器，配备Cortex-M3内核，具有实时仿真和跟踪的功能。因此，结合成本和功能需求，本文方案中选中性价比较高的STC89C52单片机作为主控制器。

3、市场推广分析

3.1、市场分析

球类放置架属于体育用品领域，其适用于具有生产力的中小企业，该类企业在生产产品时，应注重产品的实用性。如，大小满足一般场地需求，同时，产品类别多样性，可根据用户场地需求，进行产品个性化定制。并且应跟网络平台上同类产品的性能和销售情况差异性进行对比，了解产品性能优势和不足，有助于快速定位产品销售用户。除经此外，还应注重考虑产品用户的稳定性，并在学校中加强推广。

3.2、产品分析

经过与同类产品对比，本文设计的产品主要具有以下优势：

（1）自动放置球的功能。传送装置包括有皮带、运送板以及驱动轮组件，驱动轮组件用以驱动皮带传动，运送板设置有多个并且对称设置在所述皮带的两侧，每侧的运送板与球类放置板一一对应，通过拉动隔离铝板，让运送板与放置板相接，球类自动滚动至放置板；

（2）自动计数功能。红外传感器可检测出球类放置板上球的数量，并在显示屏上显示总数量，当取球后，球类数量实时更新；

（3）自动取球功能。拉动U型挡杆两侧的拉绳时候，球自动落入收纳筒中；

（4）其他物品放置功能。单独设置有杂物放置板，使用者可自主放置其他物品。

因此，本文产品解决了现有市场上的球类存放装置不具备自动存放的功能，使用中无法实时自动统计装置上放置球类的数量，导致使用者费时费力的问题。

3.3、需求分析

市场产品的竞争除功能外，更重要是价格竞争，在产品销售初期定价时，应进行充分严谨的调研，分析成品，最终进行产品价格的定价。目前很多企业在定价时，并没有很好地做好战略性考虑，使用产品的销售量不能稳定上升。且在产品定价中应考虑到直接供应商、代理商、经销商等不同的角色定位。另外，还要考虑当地市场的购买力，进行产品的特色化功能设计，从而制定合理价格，不仅保证了产品的通用功能满足一般用户需求外，而且保证了产品满足特殊功能需求用户，这样有利于产品的持续化销售和企业的可持续发展。

3.4、销售渠道

产品销售渠道是产品通向消费用户的直接桥梁，若为中小型企业，可采用直接经销制和代理制的销售方式，可有效降低中间经销商差价，也更有利于产品销售终端网络的建立和用户的粘性。首先，从各省市中小学、高校入手，进行产品的销售与推广；然后，到各类经销代理商进行产品介绍和推广，根据各地实际市场情况采用个性化的合作实现企业和代理商的产销合作模式。

4、总结

本文针对学校体育器材室中球类的存、取、放困难，器材室管理人员每次进行统计球的数量工作量极大的问题，设计了一款球类存放及计数装置，该装置可通过传送装置将球自动放置于球类放置板上，压力传感器可检测出球类放置板上球的数量，并在显示屏上显示总数量，当拉动不同球类放置板上的挡杆，可使球自动落入收纳筒中，同时显示屏上的数量实时更新，并可在其他物品放置板上自主放置其他物品，解决了现有市场上的球类存放装置不具备自动存放的功能，使用中无法实时自动统计装置上放置球类的数量，导致使用者费时费力的问题，提高了球类存放装置的使用便捷性。文中最后结合本文设计产品，进行了产品的市场推广分析，包括：市场分析、产品分析、需求分析和销售渠道分析。