藍牙遙控行走輪椅設(shè)計

袁 婧 吳 宇

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，贛州 341000）

現(xiàn)代信息社會迅速發(fā)展，促使出現(xiàn)了越來越多的科技設(shè)備，使得人們的生活越來越方便。世衛(wèi)組織報告顯示，當今世界超過10 億人身患某種疾病（占全世界人口的15%左右），同時伴隨著人口老齡化和慢性疾病的加劇，人們對智能產(chǎn)品的需求越來越大[1]。輪椅作為最佳的輔助移動器具，使得相關(guān)群體獲得了更有尊嚴的行動能力和良好的身體姿態(tài)保持，具有重要的研究價值和社會意義。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計

設(shè)計的總體思路是將以STC8a8k64s4a12 芯片作為輪椅的主控制器，搭建手機App，發(fā)送無線信號到HC-05，通過藍牙模塊串口將信息傳遞給單片機，調(diào)用單片機內(nèi)編譯好的程序啟動電機，從而達到驅(qū)動輪椅的目的。這里的單片機利用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)，從而實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)驅(qū)動[2]。

基本的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。藍牙模塊負責通過無線信號與手機通信，接收手機下發(fā)的指令并傳達給單片機。單片機作為輪椅的主要控制器，根據(jù)藍牙模塊接收到的手機指令操作電機控制輪椅執(zhí)行如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作。因為單片機的IO 口驅(qū)動能力有限（電流被限制），所以要外加電機驅(qū)動使電機轉(zhuǎn)動。可見，電機驅(qū)動的作用是接收單片機的指令以控制電機的動作。

1.1 傳輸方式的選擇

在眾多傳輸方式中選擇無線控制，目的是實現(xiàn)對藍牙智能輪椅的遠程遙控，代替實驗人完成一些具有危險性的項目，并且最大限度方便后續(xù)的操作，大大縮減成本。

設(shè)計中，經(jīng)過各項參數(shù)性能比對，最終選擇藍牙傳輸技術(shù)，如表1 所示[3]。可見，在短距離通信領(lǐng)域，藍牙技術(shù)、紅外技術(shù)和WiFi 技術(shù)可以提供可靠的通信服務(wù)。其中：紅外線技術(shù)的通信距離較短；WiFi技術(shù)的通信距離足夠，但是開發(fā)存在一定的難度且成本高。因此，最終證明了藍牙傳輸技術(shù)在此實驗中具有可行性。

表1 無線技術(shù)的對比

1.2 藍牙模塊

藍牙技術(shù)是一種無線電通信技術(shù)，可以支持設(shè)備之間的短距離通信，可同時支持多個設(shè)備端（如手機、無線耳機等）、筆記本計算機以及相關(guān)的遠程設(shè)備。藍牙設(shè)備可以在主設(shè)備和從設(shè)備之間切換，通常在從設(shè)備模式下工作，并等待其他主機設(shè)備連接。如果需要可以將其轉(zhuǎn)換為主設(shè)備模式，并在其他設(shè)備上發(fā)起請求[4]。

在AI2中，支持藍牙通信的控件存在藍牙客戶端和藍牙服務(wù)端兩種方式，都是非可視化控件。藍牙客戶端用來發(fā)起通信連接請求，而藍牙服務(wù)端負責接收通信連接請求。藍牙服務(wù)端的專有方法是AcceptConnection 和StopAccepting。其中：AcceptConnection 方法用來接收外部藍牙連接；StopAccepting 方法表示不再接收外部連接請求[5]。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計框架如圖2 所示。對STC8a8k64s4a12芯片進行最小系統(tǒng)設(shè)計，了解復(fù)位，中斷時鐘等電路；對電機進行調(diào)速設(shè)計，通過調(diào)整PWM 占空比，從而改變兩個電機速度，使得小車實現(xiàn)不同方向的改變；對藍牙控制模塊進行設(shè)計，從而達到連接單片機控制的目的[6]。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

對單片機進行最小系統(tǒng)設(shè)計，選用宏晶公司開發(fā)的STC8a8k64s4a12 微控制器作為主控制芯片。它的主要優(yōu)點是可以通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）直接在線下載，下載速度快，價格優(yōu)惠。

2.1.1 工作電壓選擇和復(fù)位功能

該設(shè)計采用的STC 系列單片機為高電平復(fù)位。按鍵復(fù)位是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當開關(guān)按下時，電容被放電，RST 被拉到高電平。由于電容充電，因此系統(tǒng)會保持一段時間的高電平使單片機復(fù)位。

2.1.2 中斷電路

外部中斷直接設(shè)置觸發(fā)方式ITx=0/1 低電平觸發(fā)或下降沿觸發(fā)后，開啟外部中斷，EXx=1 后，編寫相應(yīng)中斷函數(shù)即可。在該設(shè)計的中斷操作中，循環(huán)操作的PWM 值函數(shù)，即定時器一直執(zhí)行。

2.1.3 單片機電源和時鐘電路

一般情況下，藍牙不能正常工作的原因多在于電源可能比較小。大多數(shù)藍牙模塊電壓范圍比較大，如HC-05 藍牙模塊一般在3.3 ～6.0 V，單片機電源在2.0 ～5.5 V。由于外接電源電池為5 V，最終在這個范圍內(nèi)選擇工作電壓為5 V。

單片機系統(tǒng)時鐘控制器為所有中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、 微 控 制 單 元（Microcontroller Unit，MCU）和外圍系統(tǒng)提供時鐘源。系統(tǒng)時鐘共有3 種來源可供選擇，分別為24 MHz 高精度內(nèi)部IRC、32 kHz IRC（高精度）以及外部晶振（或外部時鐘）。本文設(shè)計選擇24 MHz 晶體振蕩器。

2.2 電機調(diào)速

設(shè)計通過PWM 調(diào)速來實現(xiàn)對直流電動機L298N速度的控制。STC8a8k64s4a12 單片機控制L298N 可以實現(xiàn)不同的效果，編寫C 語言程序，然后在成功仿真后燒錄進單片機實現(xiàn)對電機的控制[7]。

使用單片機STC8a8k64s4a12 和L298N 電機進行芯片的驅(qū)動。驅(qū)動模塊由L298N 芯片組成，通過電源直接調(diào)節(jié)輸出電壓。直流電動機的電樞通過使用單片機的IO 端口直接更改電壓“占空比”來改變平均電壓，從而達到控制電動機速度的目的[8]。

占空比D表示在一個周期里開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為V=Vmax×D，Vmax為電機在全通電時的最大速度。因此，改變占空比D可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是PWM 調(diào)速原理。

藍牙發(fā)送控制指令，單片機收到指令后響應(yīng)，通過系統(tǒng)時鐘輸出PWM 波控制小車兩個輪子不同的速度，從而達到控制方向的目的。占空比越大，高電平出現(xiàn)頻率越高，電機轉(zhuǎn)動速度更快。一邊的速度大于另一邊時，小車出現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

設(shè)置定時器定時500 ms 執(zhí)行一次指令，將當前的左右輪速度值發(fā)送到手機，將手機App 端定時器設(shè)置同樣的值，解析后即可收到當前的速度值并進行指令操作。

3 結(jié)語

本設(shè)計主要針對輪椅模塊化控制展開研究，在對國內(nèi)外智能輪椅研究現(xiàn)狀進行分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，基于模塊化設(shè)計的思想，制定了智能輪椅的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架和各模塊的具體技術(shù)方案，實現(xiàn)了智能輪椅的研究和輪椅系統(tǒng)的構(gòu)建。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，智能輪椅的功能越來越完善和可靠，但目前仍存在很多問題等待解決。人機交互的方式有很多，不論是觸摸屏控制、語音控制還是頭部控制，流程并不自然。優(yōu)化人機交互方式自然化，可以極大地提高準確性和便捷性。