基于ATxmega64單片機的電動輪椅控制系統設計

盧茹

（廣東省機械技師學院，廣東廣州，510450）

0 引言

電動輪椅是一種以蓄電池為能源、通過電子控制系統驅動直流電機運動，使用者可通過控制裝置自行驅動電動輪椅運動，適用于下肢功能障礙的傷殘人事使用，是一種比較理想的代步工具。

1 電動輪椅控制系統硬件設計

電動輪椅控制系統硬件部分由電源模塊、電量檢測模塊、基準電壓模塊、OLED顯示模塊、按鍵及搖桿模塊和電機驅動模塊組成，電動輪椅控制系統硬件框圖，如圖1所示。

圖1 電動輪椅控制系統硬件框圖

■1.1 電源模塊

電源模塊采用LM2596穩壓電路，由24V鉛酸蓄電池提供輸入電源，電源有S1開關控制，24V電源通過LM2596-12.0穩壓電路，穩壓輸出12V電源，再通過LM2596-3.3V穩壓電路輸出3.3V電源，為ATxmega64A3單片機提供工作電源，該穩壓電路可輸出最大電流為3A，輸入最高電壓為40V。由D1發光二極管顯示3.3V電源狀態。電源模塊電路圖，如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

圖3 OLED顯示模塊電路圖

■1.2 OLED顯示模塊

顯示模塊采用1.3寸OLED顯示屏，分辨率為128×64，OLED顯示屏超低功耗，正常顯示時只有0.04W，控制簡單，可通過SPI或I2C控制，該顯示模塊采用SPI控制， 與ATxmega64A3單片機連接只需5個I/O口，亮度和對比度可通過程序指令控制。使用壽命長，不少于16000小時。

顯示模塊用于顯示電動輪椅的工作狀態，包含電池電量狀態、輪椅行進的速度選擇高速或低速狀態、輪椅行進的方向信息前進或倒退狀態等。同時各參數設置的信息，用于人機交互顯示，包含屏幕亮度和對比度設置信息、電量低報警值設置等。

■1.3 電量檢測模塊

鉛酸蓄電池的開路電壓和荷電量是有對應關系是線性，因此可通過檢測蓄電池開路電壓來檢測蓄電池電量，電量檢測采用ATxmega64A3單片機自帶AD轉換器，檢測蓄電池的電壓，由于蓄電池的電壓為24V，而AD轉換器輸入最大電壓為3.3V，采用R11和R12高精度電阻，對蓄電池電壓進行分壓，再通過AD轉換器檢測蓄電池電壓，為保證AD轉換器的轉換精度，采用TL431為AD轉換器提供基準電壓，電量檢測的結果通過OLED顯示屏顯示蓄電池電量，當電量低于設置的報警值時，報警顯示“電量低，請充電！”，提示用戶盡快充電。電量檢測電路，如圖4所示。

圖4 電量檢測電路圖

■1.4 按鍵及搖桿模塊

控制系統由1個急停開關、7個按鍵和1個十字搖桿組成電動輪椅運動控制和系統設置。S2為急停開關，用于緊急情況下停止，系統上電或急停后需按下S3啟動按鍵，啟動控制系統電動輪椅才可以正常工作，同時OLED顯示屏顯示“正常運行”。

控制系統啟動后，可通過S5高速或S6低速按鍵，選擇電動輪椅的行進速度，默認為低速狀態，只有按下S4使能按鍵，推動十字搖桿可控制電動輪椅的前進、后退、左轉、右轉，當松開S4使能按鍵，電動輪椅自動停止，當電動輪椅在高速前進時，切換為后退時，系統自動切換為低速模式。十字搖桿X軸和Y軸分別連接2個10k電位器，通過推動十字搖桿，來改變電位器位置，同時改變ADC1和ADC2輸出的電壓值，通過ATxmega64A3單片機進行AD轉換，計算搖桿的狀態，從而控制電機的運行方向和速度。按鍵及搖桿模塊電路圖，如圖5所示。

圖5 按鍵及搖桿模塊電路圖

■1.5 電機驅動模塊

BTN8982是一個完全集成的大電流的半橋電機驅動芯片，采用兩個BTN8982芯片組成全橋電機驅動電路，實現電機的正反轉及調速。

電機驅動模塊采用四個BTN8982芯片組成兩個全橋驅動電路，分別控制輪椅的左右電機，實現輪椅的前進、后退、左轉和右轉控制。ATxmega64A3單片機通過6個控制信號通過74HC244對8982進行控制，M1+和M1-用于控制左電機正反轉，M1_PWM用于控制左電機的轉速，M2+和M2-用于控制右電機正反轉，M2_PWM用于控制右電機的轉速，實現左右電機的正反轉控制和無級調速。其中74HC244起隔離作用，用于隔離驅動電路和控制電路。電機驅動模塊電路圖，如圖6所示。

圖6 電機驅動模塊電路圖

2 系統軟件設計

電動輪椅控制系統采用模塊化程序設計，軟件設計主要包括電動輪椅運動控制程序、按鍵及搖桿程序和OLED顯示程序。

電動輪椅運動控制程序：系統上電后，急停復位狀態，按下啟動按鍵，系統啟動，此時可根據需求選高速或低速運行狀態，按下使能按鍵，推動搖桿，電動輪椅搖桿控制運動，松開使能按鍵或按下急停開關，電動輪椅自動停止。

OLED顯示程序：系統上電后，顯示電池電量，同時根據系統的各運行狀態顯示相應信息，同時輪椅在停止狀態時，可根據按鍵操作，設置系統的相應信息。電動輪椅控制系統程序流程圖，如圖7所示。

圖7 綠基色信號波形

3 結束語

本文以電動輪椅的運動控制為背景，根據控制系統的硬件設計和軟件設計，經調試和試運行，技術達到預期要求。本文論述了整個系統的工作原理以及硬件和軟件的設計方法。在實際應用中，基于BTN8982的特點，使輪椅的運動控制更加穩定和靈活。給殘疾人的生活帶來方便。