基于單片機的輔助站立輪椅的設計*

魏象鋒 陳棣之 張華臣 徐江陵

(武漢科技大學城市學院,湖北武漢 430083)

0 引言

中國第七次人口普查已經進入籌備階段。根據國家人口統計局發布的人口數據,老齡人口總數由16714萬增長至25388萬,增加了8674萬老年人口[1]。另外,隨著交通的擁擠,意外事故頻繁發生,殘疾人數量也在急劇增加。行動有障礙卻無人照顧的問題日益嚴重,而一個功能豐富、價格適中的智能輪椅,則會成為老年人、殘疾人優秀的代步工具,具有重要意義并將產生巨大的社會效益[2]。因此,本文設計并研發了基于STM32F103單片機控制的輔助站立輪椅。該輪椅以STM32F103單片機為核心,使用者可以用右扶手的手柄操控輪椅移動,實現電機驅動的功能。利用電動推桿推動座椅靠背和座椅底板的方式,使座椅靠背與座椅底板同步上升,實現輪椅輔助站立功能。

1 總體方案設計

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 System hardware structure diagram

本產品由STM32F103單片機、速度傳感器、紅外避障模塊電機驅動模塊以及推桿行程傳感器組成[3]。硬件系統結構圖如圖1所示:

輪椅輔助站立的方式為:老人先按下站立按鈕,然后推桿開始伸長,以推動座椅靠背和座椅底板的方式,使座椅底板與座椅靠背同步上升,在到達合適位置時使用者可以自行選擇停止或者到達最高處時推桿會自行停止,可以毫不費勁地讓使用者站起來。輪椅模型渲染圖2所示:

2 系統硬件設計

2.1 速度傳感器

首先設計了信號處理電路,該速度傳感器VCC端接電源正極,GND端接地,VO端為輸出端。傳感器輸出的轉速信號為方波脈沖信號,它的高電平為15V,而低電平接近0。由于該脈沖信號的電壓幅值大于5V,與單片機接口不匹配,因此該電路又選用了一個由三極管(Q18050)組成的整形電路處理轉速信號使其滿足單片機的接收要求。轉速信號處理電路已設計完畢,經處理后的方波脈沖信號滿足單片機的接收要求[4]。

圖2 輪椅模型渲染圖Fig.2 Rendering of a wheelchair model

2.2 推桿行程傳感器

首先接一個晶振電路,提供單片機所必須的時鐘脈沖,其中由高、中、低三個位置安裝的光電開關對推桿進行位置檢測,使推桿能夠進行準確定位。PB0、PB1、PB2分別接入三個光電位置傳感器,用于檢測運轉過程中推桿的實時位置。當PB0為高電壓時,那么此時推桿正處于最小行程,也就是輪椅的坐立狀態,當PB1為高電壓時,此時推桿處于工作狀態,輪椅正在輔助站立過程中,當PB2為高電壓時,推桿處于最大行程,也就是輪椅完全輔助站立之后的狀態。PC9接推桿步進電機,控制推桿伸縮,用一個三極管Q1來控制電機和充當電壓轉換器,實現低電壓控制高電壓。

2.3 單片機的選擇

在本設計中,單片機的選擇有兩種方案[5]:方案一:采用傳統的AT89C51單片機芯片,AT89C51是由Atmel公司開發的,它是一種自帶4K字節(FPEROM-Flash Programmable Erasable Read Only Memory),即可擦可編程只讀存儲器,能保證在各種意外和突發事故造成的掉電情況下,用戶用電數據的不消失和長期存儲。且它能夠與MCS-51兼容。但是其存儲空間較小,而且保護能力很差,很容易燒壞芯片。方案二:選擇STM系列的單片機由ST廠商推出的STM32系列單片機,這是一款性價比超高的系列單片機,STM32的運算速度大約是51單片機的幾十倍,而且外圍接口功能比51強大太多。STM系列MCU有片內安全功能,能檢測到由電磁干擾或靜電所引起的誤操作,使系統更加安全和可靠。

經過考慮,STM系列STM32F103單片機被選定為核心控制芯片,在本次設計中由于需要我們編寫的代碼多,為防止4K字節的存儲器的存儲空間不夠,所以我們選擇STM系列STM32F103單片機。

2.4 電機驅動部分

對步進電機的保持轉矩進行簡單的計算:假設老人重量為75kg,輪椅及電機重10kg,摩擦系數為0.05,電機效率為85%。則驅動輪椅需要的牽引力為:

表1 L298的邏輯功能圖Tab.1 Logic function diagram of L298

則電機需要做功為:

保持轉矩計算:提升速度為100mm/s,即步進電機齒輪線速度為0.1m/s,電機齒輪直徑30mm,則電機轉速約為100r/min,若電機軸直接帶齒輪,則保持轉矩為:

因為一般應選用力矩比實際需要大10%到15%的步進電機,所以本設計采用規格型號為42BYG250A-0151的2相永磁式步進電機,將兩個步進電機安裝在輪椅的兩側,分別驅動左右兩邊的輪子,再加上后方的兩個萬向輪構成了驅動部分。

電機驅動選用專門的L298芯片,L298N為SGSTHOMSONMicroelectronics所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片(DualFull-BridgeDriver),本設計中STM32F103單片機直接控制L298芯片,通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平進行設定,就可為電機進行正轉反轉驅動。輸入端IN1接PC7,IN2接PC8,IN3接PC9,IN4接PC10。ENA、ENB使能端接電源。輸出端OUT1、OUT2分別接驅動電機的a+、a-端。L298的邏輯功能見表1。

從表1的邏輯功能圖分析得出結論:L298N的控制邏輯功能為:控制使能端為低電平時,輸入電平對輪椅控制不起作用,當控制使能端為高電平,輸入電平為一高一低,輪椅前行或后退。輸入電平同為低電平輪椅停止,同為高電平輪椅停止。

3 軟件分析

3.1 軟件流程圖

紅外避障軟件流程圖3所示,紅外避障程序啟動后首先系統初始化,然后驅動電機開始運轉,開始前進,此時發射管一直往前方、左方、右方三個方向發射紅外光,當前面的障礙物越近,反射回來的紅外光越強,紅外接收管的EC電壓越接近0V。當沒有檢測到障礙物時,程序返回到輪椅前進這一步。當電壓小于某一個程度時,檢測到路面有障礙,避障程序開始啟動。此時程序根據實際情況執行前方避障程序或者左右避障程序。避障成功之后沒有檢測到障礙物,程序返回到輪椅前進這一步。

3.2 核心代碼程序

本步進電機步進角為7.5度,一圈360度,需要48個脈沖完成。

//引腳連接

圖3 紅外避障軟件流程圖Fig.3 Flow chart of infrared obstacle avoidance software

//IN1:PC7、IN2:PC8、IN3:PC9、IN4:PC10

正轉次序:AB組--BC組--CD組--DA組(即一個脈沖,正轉7.5度)

所以執行步進電機前進的代碼如下所示:

void Motorcw(void)

{

GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_0);

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_2);

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);

delay_ms(10);……

}

4 系統仿真及調試

4.1 系統調試

圖4 實物模型圖Fig.4 Physical model diagram

使用C語言對主控制器已經電機驅動模塊用Keilu Vision4軟件進行調試,查看工程文件能否正常運行,如果出現問題對錯誤和BUG必須進行一次次的修改和檢驗。

4.2 模型制作

為了檢驗輪椅的功能及性能,團隊購買了所需的電子器件,試制了實物樣機,圖4為組裝完成的輪椅實物。

5 結語

針對助老輪椅的需求,本文完成了以STM32F103單片機為核心的輔助站立輪椅的設計和測試,并通過proteus軟件分析了紅外線傳感器的避障效果。仿真結果表明紅外線傳感器能較好地進行避障工作,驗證了本設計的可行性。該輪椅具有輔助站立、電機驅動及紅外避障等功能,對比市面上的普通電動輪椅具有明顯的優勢。