某按摩輪椅STM32控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8621某按摩輪椅STM32控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1192311.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路 1229831.2系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 212231.2.1按摩驅(qū)動(dòng) 2222851.3系統(tǒng)檢測(cè) 576391.3.1限位檢測(cè) 5108401.3.2電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè) 5217981.3.3脈搏檢測(cè) 6191971.4小結(jié) 7本章主要采用STM32單片機(jī)作為整體系統(tǒng)的主體，搭建一個(gè)電路設(shè)計(jì)的框架，然后對(duì)各個(gè)電路的功能進(jìn)行了一個(gè)分析。1.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路本論文設(shè)計(jì)的按摩輪椅的控制系統(tǒng)的處理器是STM32單片機(jī)，它有著高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于本設(shè)計(jì)的按摩輪椅是最佳選擇，可靠性高。主要電路設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)部分、脈搏檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)等。如圖1.1為控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)。限位檢測(cè)脈搏檢測(cè)限位檢測(cè)脈搏檢測(cè)SSTM32單片機(jī)按摩驅(qū)動(dòng)控制器按摩驅(qū)動(dòng)控制器電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)圖1.1整體設(shè)計(jì)思路本文根據(jù)需求所設(shè)計(jì)的按摩方式有：背部揉捏按摩和坐墊振動(dòng)按摩。首先系統(tǒng)在得到揉捏按摩的一個(gè)信號(hào)后，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)電路檢測(cè)判斷是否能進(jìn)行揉捏按摩，如果主處理器系統(tǒng)沒(méi)有收到脈沖信號(hào)，那么說(shuō)明機(jī)構(gòu)沒(méi)有到達(dá)限位，還在向限位前的方向移動(dòng)，主處理器會(huì)通過(guò)控制電機(jī)，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)按摩機(jī)芯整體上下運(yùn)動(dòng)，使其到達(dá)指定位置，根據(jù)按摩者的需求可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)行按摩。坐墊按摩也是如此。脈搏檢測(cè)是在檢測(cè)人體脈搏的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的處理，處理器內(nèi)部軟件會(huì)有控制算法，通過(guò)此算法來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)蝸輪蝸桿的減速，從而調(diào)整揉捏按摩強(qiáng)度與坐墊振動(dòng)強(qiáng)度。不僅如此，整個(gè)控制系統(tǒng)還設(shè)置了電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)部分，就是將電路內(nèi)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速信息通過(guò)信息發(fā)送器傳出的信號(hào)，通過(guò)電路的采集和整形傳遞給主芯片，然后主系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的執(zhí)行指令，以至于調(diào)整轉(zhuǎn)速。本文主要采用的是按摩輪按摩，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)起到了很重要的作用，所以主要針對(duì)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)電路。1.2系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)1.2.1按摩驅(qū)動(dòng)本文中按摩輪椅的調(diào)整電機(jī)可以調(diào)整按摩者按摩后背的不同位置，據(jù)此，可以適應(yīng)不同老人，根據(jù)老人的要求自行調(diào)整按摩的地方。在按摩過(guò)程中，調(diào)整電機(jī)會(huì)承受外界施加給按摩輪椅的部分力矩，所以調(diào)整按摩位置的電機(jī)需選用承受負(fù)載大的電機(jī)，已確保電機(jī)不會(huì)損壞，甚至影響到人群。運(yùn)動(dòng)負(fù)載大的電機(jī)來(lái)進(jìn)行按摩位置的調(diào)整，更加的安全合理。電動(dòng)推桿的作用是支撐按摩機(jī)芯以及行走電機(jī)的行走，它的作用在于提供平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)整按摩位置的電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向應(yīng)是可以改變的。所以本設(shè)計(jì)選用一種額定電壓為24V，功率為50W的直線電動(dòng)推桿作為按摩輪椅調(diào)整按摩機(jī)芯的位置，以至于適應(yīng)不同的使用者，型號(hào)為BML-DJ801，如圖1.2所示[32]。圖1.2電動(dòng)推桿當(dāng)人體在按摩時(shí)候，人體的整個(gè)后背就會(huì)壓在按摩機(jī)芯上，按摩輪會(huì)承受一個(gè)壓力，按摩機(jī)芯也隨之承受，這會(huì)使按摩電機(jī)在驅(qū)動(dòng)按摩機(jī)芯的過(guò)程中施加一個(gè)阻力，所以這個(gè)電機(jī)的選用也應(yīng)選擇扭矩大的電機(jī)，目的是讓按摩機(jī)芯運(yùn)行平穩(wěn)。如圖1.3所示為按摩輪椅的按摩機(jī)芯[32]。圖1.3按摩機(jī)芯本文中所有電機(jī)均以無(wú)刷直流電機(jī)為例，設(shè)計(jì)電控模塊的驅(qū)動(dòng)程序，相同的控制模式可用于所有電子控制模塊的電機(jī)[32]。如圖1.4所示，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖是根據(jù)霍爾感應(yīng)器傳感到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)繞組確定逆變器功率晶體管的開(kāi)啟或關(guān)閉順序，使電流按順序流向電機(jī)線圈，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，這樣電動(dòng)機(jī)就可以沿著，逆著這個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到霍爾傳感器感應(yīng)到另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部分將打開(kāi)下一組功率晶體管，這樣循環(huán)電機(jī)可以繼續(xù)以同一方向旋轉(zhuǎn)，直到控制器決定停止電機(jī)轉(zhuǎn)子，然后關(guān)閉功率晶體管[32]。1.4無(wú)刷直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖本文中，電控模塊的系統(tǒng)控制電路較為復(fù)雜，按摩機(jī)芯以及帶動(dòng)機(jī)芯運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)均選為無(wú)刷直流電機(jī)。因此在控制設(shè)計(jì)的過(guò)程中均是依據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)等。無(wú)刷直流電機(jī)最常用且實(shí)用的方法就是脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制是改變電機(jī)兩端的輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)速。PWM的控制原理：電機(jī)正常工作條件下，驅(qū)動(dòng)器主要輸出一個(gè)具有特定頻率的W方波脈沖而不是連續(xù)電壓信號(hào)來(lái)對(duì)電機(jī)供電。其中輸出的W方波信號(hào)可采用不同大小的占空比，從而使電機(jī)輸出不同轉(zhuǎn)速。PWM信號(hào)主要可通過(guò)軟件或者硬件產(chǎn)生，相比硬件來(lái)說(shuō)，采用軟件實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化程度及控制的穩(wěn)定性更好。根據(jù)上文提到的設(shè)計(jì)模塊采用脈寬調(diào)制來(lái)進(jìn)行調(diào)速，通過(guò)電路對(duì)PWM產(chǎn)生一個(gè)特定信號(hào)。本文的芯片為STM32嵌入式芯片作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，該芯片低成本，高性能。可控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、能耗控制等功能，芯片引腳如圖1.6所示。圖1.6STM32芯片引腳圖上述過(guò)程中，各電機(jī)加減速、正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：（1）電機(jī)加減速的控制，通過(guò)主處理器發(fā)出電機(jī)加減速的脈沖信號(hào)，信號(hào)通過(guò)脈寬調(diào)制，調(diào)制成不同頻率的方波信號(hào)，其方波信號(hào)的占空比是不同的，以至于電機(jī)可以反應(yīng)出不同頻率的信號(hào)，從而輸出不同轉(zhuǎn)速。最終達(dá)到了加減速的目的。（2）電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，通過(guò)主處理器的DIR輸出端口發(fā)出電機(jī)正反轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器的采集整形處理，最終將信號(hào)轉(zhuǎn)化為方向信號(hào)，霍爾傳感器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并且傳遞給逆變器，使其控制直線電流方向，進(jìn)而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。1.3系統(tǒng)檢測(cè)1.3.1限位檢測(cè)按摩機(jī)芯是由電動(dòng)推桿推動(dòng)實(shí)現(xiàn)在后背上下運(yùn)動(dòng)，已到達(dá)特定的按摩位置，當(dāng)按摩機(jī)芯由推桿推到極限位置的時(shí)候，就需要電機(jī)反轉(zhuǎn)使推桿向反方向運(yùn)動(dòng)。所以，此按摩輪椅設(shè)置了一個(gè)限位檢測(cè)電路，防止按摩機(jī)芯運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)卡死。此裝置采用來(lái)兩端各設(shè)置一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)芯運(yùn)動(dòng)到極限位置的時(shí)候，就會(huì)發(fā)射一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令，限位開(kāi)關(guān)接收到信號(hào)，使其反方向閉合，從而使電機(jī)的電壓發(fā)變化，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電壓變化，使電機(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖1.7位限位檢測(cè)電路[32]。圖1.7限位檢測(cè)電路1.3.2電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)一般情況來(lái)說(shuō)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方式有霍爾效應(yīng)、光電效應(yīng)以及磁阻等，半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)很強(qiáng)，霍爾傳感器就是通過(guò)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，它的精度測(cè)量準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)要求的就是各個(gè)電路部分的測(cè)量要準(zhǔn)確，所以本文采用此傳感器。如圖1.8位電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路[32]。1.8電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路根據(jù)上圖電路可知，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，經(jīng)過(guò)高速軸的快速運(yùn)轉(zhuǎn)，磁鐵會(huì)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，渦旋電場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)電流，將之信號(hào)傳遞給霍爾傳感器。根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理，霍爾電壓可以產(chǎn)生，電壓的產(chǎn)生伴隨著脈沖信號(hào)的發(fā)射，所以從霍爾傳感器經(jīng)過(guò)分析得到一個(gè)脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖信號(hào)會(huì)隨著電路走向進(jìn)入放大器，放大該信號(hào)，此后一個(gè)矩形的波形信號(hào)便形成，這是一個(gè)循環(huán)電路，這個(gè)脈沖信號(hào)會(huì)不斷的在電路中循環(huán)，最后得到一個(gè)最清晰的矩形脈沖信號(hào)。在上圖電路的分析中，第三級(jí)放大器的目的最終是讓信號(hào)傳遞穩(wěn)定，通過(guò)穩(wěn)定的傳遞到達(dá)處理器終端并計(jì)算得出轉(zhuǎn)速[32]。1.3.3脈搏檢測(cè)根據(jù)資料的查詢以及分析發(fā)現(xiàn)脈搏檢測(cè)最實(shí)用的方法有兩種，一種是反射式，另一種是透射式，在本設(shè)計(jì)中選擇了透射式光電傳感器，傳感器通過(guò)發(fā)光感應(yīng)人體經(jīng)絡(luò)的跳動(dòng)程度，以至于達(dá)到測(cè)量脈搏的目的。實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)光，發(fā)出的光透過(guò)手指檢測(cè)到血管中的血流量，血流量是人體脈搏跳動(dòng)的節(jié)奏，其從生物學(xué)上來(lái)講基本保持一致，由此可以得出光敏三極管接收的光照強(qiáng)度可以反映出脈搏跳動(dòng)的頻率，光強(qiáng)的改變則就是脈搏頻率不同情況的結(jié)果。通過(guò)三極管發(fā)射出來(lái)的電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大、脈沖整形之后，最后信號(hào)到達(dá)處理器并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、得出結(jié)果，具體的電脈沖信號(hào)是怎么經(jīng)過(guò)采集處理和整形處理的，主要通過(guò)下圖電路，圖1.9位采集信號(hào)電路，圖1.10為整形處理電路。圖1.9采集信號(hào)電路圖1.10整形處理電路如上圖采集電路中，U10產(chǎn)生的電脈沖由R61和C20經(jīng)過(guò)處理后，經(jīng)過(guò)C21和C22直接輸入到AR10、R46和C23構(gòu)成的低通濾波器，其中C21和C22主要是為了防止大電流進(jìn)入后級(jí)電路，起到了保護(hù)的作用。在整形處理電路中，AR11的作用是電壓的比較，C24和R68構(gòu)成了微分器，輸出電脈沖信號(hào)，AR12此時(shí)可以輸出高電平，進(jìn)而使C25充電一段時(shí)間后，C25接近飽和狀態(tài)，電流流量減小，使AR12同向端電壓低于反向端電壓，于是AR