基于STM32的按摩椅控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)*

劉燦華，楊 廉，何紹健

（寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源與智能制造學(xué)院，福建福安 355000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們?cè)絹碓疥P(guān)注健康話題。而隨著人們工作壓力增加，自由活動(dòng)的時(shí)間減少，人們的戶外運(yùn)動(dòng)與鍛煉方式越來越少，居家的健康養(yǎng)生方式越來越得到人們的推崇。同時(shí)，近些年共享模式的興起，電動(dòng)按摩椅作為一種簡(jiǎn)易且健康的養(yǎng)生用具，目前已經(jīng)成為一種流行方式[1-2]。由相關(guān)資料顯示，2019年電動(dòng)按摩椅的搜索指數(shù)達(dá)到了1941，排在保健類電器搜索指數(shù)的第2位。2020年上半年線上的銷售額同比增長(zhǎng)了68%，達(dá)到了27.7億元[3]。足以說明疫情籠罩之下，人們對(duì)電動(dòng)按摩椅的需求攀升。

目前國內(nèi)外市面上常見的電動(dòng)按摩椅多是圍繞相對(duì)簡(jiǎn)單的8位微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能相對(duì)單一，同時(shí)，8位微處理器所能提供的輸入輸出引腳相對(duì)較少，逐漸難以滿足整個(gè)電動(dòng)按摩椅的功能需求。因此，現(xiàn)有的電動(dòng)按摩椅控制系統(tǒng)多采用多個(gè)8位微處理器進(jìn)行組合控制，這也造成了微處理器之間通訊困難、控制命令傳遞延遲等問題，對(duì)電動(dòng)按摩椅使用過程中的舒適性造成一定的影響[4-5]。目前，電動(dòng)按摩椅的各種附加功能不斷增加，但制約電動(dòng)按摩椅發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸為其舒適性無法提升的問題，而影響電動(dòng)按摩椅舒適性的一個(gè)關(guān)鍵因素即是按摩過程的指令延遲時(shí)間。STM32微處理器擁有功能豐富、存儲(chǔ)容量大、引腳數(shù)量多等優(yōu)良特性，能夠滿足愈來愈豐富的電動(dòng)按摩椅的功能需求[6-7]。因此，本文以STM32微處理器為處理核心，結(jié)合電動(dòng)按摩椅的基本功能設(shè)計(jì)硬件電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)按摩椅的各種基本動(dòng)作需求。同時(shí)，通過STM32微處理器快速的指令處理速度與取消傳統(tǒng)分離式控制的方案，實(shí)現(xiàn)控制指令實(shí)時(shí)傳遞到相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)，降低延遲時(shí)間，提升電動(dòng)按摩椅的舒適性。

1 系統(tǒng)整體方案

目前市面上的電動(dòng)按摩椅功能各不相同，歸納總結(jié)市場(chǎng)上高、中、低端各個(gè)層次的的電動(dòng)按摩椅，其基本特征均是具備揉捏、捶打、行走、推桿、氣囊。故本文依據(jù)STM32微處理器設(shè)計(jì)的電動(dòng)按摩椅應(yīng)具備以上這些功能的同時(shí)預(yù)留資源用于后續(xù)升級(jí)，所設(shè)計(jì)的電動(dòng)按摩椅電路系統(tǒng)整體控制方案如圖1所示。其中，電源模塊的輸入為由開關(guān)電源提供的24 V直流電，因所使用到的STM32微處理器、手控器及氣泵等期間需要的電源分別為3.3 V、5 V及12 V的電壓，因此電源模塊的人物是將輸入的24 V電壓轉(zhuǎn)化為以上3種電壓輸出。

圖1 電動(dòng)按摩椅電路系統(tǒng)整體方案

手控器任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是采集按鍵狀態(tài)，并將所得到的操作發(fā)送為微處理器。部分電動(dòng)按摩椅具有顯示功能，因此需要將微處理器處理的結(jié)果反饋給手控器進(jìn)行顯示。藍(lán)牙功能主要用于音樂播放，目前的藍(lán)牙模塊相對(duì)成熟且價(jià)格低廉，因此此處選取典型的藍(lán)牙模塊進(jìn)行使用即可。機(jī)芯部分是整個(gè)電動(dòng)按摩椅的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)[8]，機(jī)芯的驅(qū)動(dòng)電路主要是通過驅(qū)動(dòng)3個(gè)有刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)按摩椅的揉捏、捶打及行走功能[9-11]，同時(shí)，配合一些行程開關(guān)即可將各個(gè)電機(jī)運(yùn)行過程的位置信息傳遞給STM32微處理器模塊。推桿驅(qū)動(dòng)電路包括背部驅(qū)動(dòng)以及腿部驅(qū)動(dòng)，所使用到的電機(jī)也是直流有刷電機(jī)。由于推桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行到極限位置時(shí)，電機(jī)電流較大，因此此處一般不添加行程開關(guān)，而是通過檢測(cè)電流的大小來判斷是否到達(dá)極限位置。氣囊驅(qū)動(dòng)電路主要是按照STM32微處理器的指令要求，通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)氣泵并結(jié)合一些開關(guān)實(shí)現(xiàn)肩部、手臂、腿部等部位的氣囊按摩[12]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)芯電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

機(jī)芯驅(qū)動(dòng)電路主要包含揉捏、捶打與行走3個(gè)部分，其中揉捏與捶打功能類似，主要按照STM32的指令要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)行速度可調(diào)的單向運(yùn)動(dòng)即可，功能相對(duì)單一。因此，此處僅以揉捏部分進(jìn)行說明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，其中J1接口連接一個(gè)直流有刷電機(jī)，J1的3號(hào)引腳直接接入24 V電源，另一端通過通過PWM3信號(hào)驅(qū)動(dòng)Q1 MOS管實(shí)現(xiàn)通斷及電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。直流有刷電機(jī)的速度可用公式表示為：v=vmax×D（其中，vmax為電機(jī)的最大速度，D為PWM3處施加的占空比）。

圖2 機(jī)芯揉捏驅(qū)動(dòng)電路

2.2 行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

行走部分雖然使用的也是直流有刷電機(jī)，但與揉捏捶打部分不同的是需要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)以及機(jī)芯部分的上下行走功能，因此電路部分有所不同，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 機(jī)芯行走驅(qū)動(dòng)電路

STM32微處理器輸出的高電平電壓僅為3.3 V，無法直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)24 V電機(jī)或者繼電器，本文先將微處理器輸出的信號(hào)引入一個(gè)公共端連接12 V電平的達(dá)林頓管輸入引腳，從而實(shí)現(xiàn)12 V電平的輸出與否。而輸出引腳接入到K5繼電器中，當(dāng)管腳16輸出為0 V時(shí)，繼電器接通，J13的1號(hào)引腳輸出24 V。當(dāng)管腳16輸出為12 V時(shí)，繼電器斷開，J13的1號(hào)引腳輸出為0 V。因此，通過此設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)微處理器的高低電平輸出控制直流有刷電平的24 V電平輸入與否。

在實(shí)現(xiàn)了WALK1與WALK2引腳控制電機(jī)輸入端24 V與0 V輸入后，只需合理配置WALK1與WALK2即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，具體如表1所示。而電機(jī)的速度控制原理也與前文揉捏與捶打電機(jī)速度控制相同，只需要在輸入端控制好占空比即可實(shí)現(xiàn)速度控制。

表1 輸入信號(hào)與行走電機(jī)工作情況表

2.3 推桿驅(qū)動(dòng)電路

推桿驅(qū)動(dòng)部分主要包含腿部推桿與背部推桿，其所使用的電機(jī)也主要是有刷直流電機(jī)。并且因推桿工作過程需要完成伸出與收回的功能，故需能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能，因此驅(qū)動(dòng)部分與行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路類似。

與行走電機(jī)不同的是，推桿電機(jī)的極限位置檢測(cè)不是通過限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)，而是通過檢測(cè)電流大小實(shí)現(xiàn)。具體原因是當(dāng)推桿在伸出或者縮回過程電流相對(duì)較小，而到達(dá)極限位置時(shí)，電機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的電流快速增大。故可設(shè)計(jì)一塊電流大小檢測(cè)電路，將電機(jī)運(yùn)行過程的電流值反饋到微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)化引腳，進(jìn)而判定是否到達(dá)極限位置。如圖4所示，無論推桿電機(jī)處于伸出或者收回狀態(tài)，其實(shí)時(shí)電流均通過采樣電阻R22流入GND，但此處獲取的電壓值相對(duì)較小，若直接輸入到微處理器的模數(shù)引腳，將導(dǎo)致所獲取的轉(zhuǎn)化值較低。因此在此處添加一個(gè)放大電路，放大倍數(shù)為1+R38/R21，R38與R21的電阻值可依據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。

圖4 推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.4 氣囊驅(qū)動(dòng)電路

氣囊驅(qū)動(dòng)電路的功能主要是通過控制氣泵的工作與否實(shí)現(xiàn)氣囊的充氣與放氣。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。氣泵的一端已與GND連接，另一端連J17的3號(hào)引腳，J17的1號(hào)引腳連接24 V。PUMP1信號(hào)通過一個(gè)三極管Q33控制繼電器K8吸合與否，當(dāng)K8吸合，對(duì)應(yīng)24的J17-1號(hào)引腳與J17-3號(hào)引腳接通，氣泵開始工作。相反，繼電器斷開時(shí)，J17-1與J17-3引腳斷開，氣泵停止工作。

圖5 氣囊驅(qū)動(dòng)電路

2.5 通訊電路

電動(dòng)按摩椅中通訊電路主要包含STM32微處理器與手控器通訊及STM32微處理器通過藍(lán)牙與手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行的通訊。這兩種通訊均是通過串口進(jìn)行通訊，原理基本類似，故本文取微處理器與手控器之間的通訊電路進(jìn)行說明，具體電路如圖6所示。其中，J21端口用于與手控器相連接，手控器可以將接收來自微處理器的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時(shí)可將接收的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給微處理器。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)，因此，對(duì)于手控器與微處理器兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，在兩端設(shè)置相同的參數(shù)即可進(jìn)行按鍵、限位信息、按摩手法等信息的交互。

圖6 串口通訊電路

2.6 STM32微處理器模塊

STM32微處理器模塊是整個(gè)電動(dòng)按摩椅控制系統(tǒng)的核心，所有的控制命令均通過其發(fā)出，同時(shí)也需要接收所有的反饋信號(hào)。具體的模塊如圖7所示。其中，J4為程序下載與調(diào)試端口，Y1、C15與C17組成了晶振模塊，R27、C20與NRST引腳構(gòu)成了上復(fù)位電路。其余引腳用于發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)、接收位置信號(hào)、串口通訊、A/D采樣等功能。

圖7 微處理器模塊電路

2.7 電源模塊電路

電源模塊是整個(gè)電動(dòng)按摩椅控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。由于整個(gè)控制系統(tǒng)包含的器件眾多，而各器件工作所需要的電源類型各不相同，比如氣泵工作電壓為24 V，繼電器工作電壓為12 V，運(yùn)算放大器工作電壓為5 V，STM32未處理器為3.3 V，因此需要對(duì)開關(guān)電源輸出的24 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具體如圖8所示。J22接開關(guān)電源的24 V輸出，此電壓主要用于氣泵工作。24 V電壓經(jīng)過7812芯片轉(zhuǎn)化為12 V電壓，主要用于繼電器工作。12 V電壓經(jīng)過7805芯片轉(zhuǎn)化為5 V電壓，主要用于LM358及74LS07等芯片供電。最后，5 V電壓經(jīng)過一個(gè)AMS1117芯片轉(zhuǎn)為為3.3 V電壓，主要用于STM32微處理器的供電與模數(shù)轉(zhuǎn)化的參考電壓。

圖8 電源模塊電路

3 測(cè)試驗(yàn)證

依據(jù)電路原理圖，選擇合適的電子元器件設(shè)計(jì)PCB，如圖9所示。并將其安裝到某電動(dòng)按摩椅公司生產(chǎn)的按摩椅中進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)電動(dòng)按摩椅的基本要求，進(jìn)行揉捏電機(jī)測(cè)試、捶打電機(jī)測(cè)試、行走電機(jī)上下運(yùn)行測(cè)試、氣泵運(yùn)行測(cè)試、串口通訊測(cè)試、電源模塊電壓測(cè)試等項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果表明各模塊均表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖9 電動(dòng)按摩椅系統(tǒng)硬件電路PCB圖

在功能實(shí)現(xiàn)的前提條件下，需要控制指令的延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)試與比較。因此，本文選取傳統(tǒng)主板與機(jī)芯板分離式控制的電路板與本研究設(shè)計(jì)的電路板進(jìn)行比較。主要測(cè)試項(xiàng)目為機(jī)芯上的揉捏、捶打及行走電機(jī)從控制指令發(fā)出到相應(yīng)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的延遲時(shí)間進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)本方案在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電動(dòng)按摩椅功能的同時(shí)，指令延遲時(shí)間減少了50%左右。

表2 控制指令延遲時(shí)間對(duì)比s

4 結(jié)束語

本文基于目前市面上電動(dòng)按摩椅的要求，結(jié)合STM32微處理器設(shè)計(jì)了電動(dòng)按摩椅的硬件控制電路系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的IO引腳少、數(shù)據(jù)處理能力差、功能拓展性低的8位微處理器為核心的分離式控制方案相比，本文在保留了傳統(tǒng)電動(dòng)按摩椅方案揉捏、捶打、行走、氣泵推桿等的基礎(chǔ)上，通過一體式的電路板設(shè)計(jì)，將決定電動(dòng)按摩椅舒適性的機(jī)芯控制集中到主控板上。經(jīng)過測(cè)試，所采用的方案降低了機(jī)芯揉捏、捶打與行走機(jī)構(gòu)的控制指令傳遞延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了按摩過程的舒適性提升。并且預(yù)留了Wi Fi、語音、觸摸等功能，若后續(xù)有連接入智能家居系統(tǒng)需求，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。