STM32 輔助輪椅電控系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

張 雁， 于政寬， 李德世， 張國強

（長春大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院， 吉林 長春 130022）

0 引言

傳統(tǒng)的手動輪椅已經(jīng)無法滿足用戶的需求， 而電控系統(tǒng)的引入可以為用戶提供更大的便利和舒適性。其中，STM32 作為一種高性能的微控制器， 具有強大的處理能力和豐富的外設(shè)接口， 為輔助輪椅電控系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計提供了廣闊的空間。 本文將重點探討如何利用STM32 的特性和功能，設(shè)計出更智能、更安全、更舒適的輔助輪椅電控系統(tǒng)，以提升用戶的生活質(zhì)量和獨立性。

1 整體設(shè)計

本產(chǎn)品由STM 模塊與輪椅部分組成，STM 模塊主要是由STM32F103 作為主控板，速度監(jiān)測控制，ECG（Electrocardiogram）心電檢測傳感器，角度傳感器。 可以實現(xiàn)對老人以及輪椅的狀態(tài)監(jiān)控并自動觸發(fā)報警， 通過GPRS的蜂窩移動介入與監(jiān)護人的上位端APP 及時聯(lián)系，可以及時得到救助。為了方便移動、固定可以在輪椅部分在座椅下方可以加上輪子與固定裝置，輪子采用橡膠材質(zhì)，可以實現(xiàn)靜音、減震的作用，總體系統(tǒng)流程圖如圖1 所示。

圖1 總體系統(tǒng)流程圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的控制部分采用了STM32 系列C8T6 單片機，其最高工作頻率可達72MHz；總的來說，通過輪椅扶手處搖桿將控制信號傳遞給MCU，MCU 通過ADC 等外部模塊持續(xù)收集電機的工作狀態(tài)信息，實現(xiàn)了矢量控制。 根據(jù)矢量控制的驅(qū)動原則， 控制電路必須對霍爾傳感器所輸出的三相霍爾信號進行采集， 從而獲得電動機的旋轉(zhuǎn)情況，然后由MCU 將切換信號輸入到驅(qū)動芯片中，除此之外，一些外部電路來實現(xiàn)電流的測量和電壓的穩(wěn)定化。

2.1 STM32F103 主板

STM32 單片機收集電流收集部分使用運放， 將收集到的相位電流經(jīng)過放大后傳送給單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)單片機計算得到真實的電流值。 電動機V 相位的電流， 通過取樣電阻器得到。 在此基礎(chǔ)上，利用單片機對測量到的相電流進行處理，并將其作為閉環(huán)控制的依據(jù)。在相位電流到達最大時，程序會自動切斷全部開關(guān)，使系統(tǒng)不能正常工作。 在運行階段，STM32 單片機響應(yīng)外部事件，中斷、定時器、ADC 采樣等，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后，STM32 單片機會返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。運行流程是循環(huán)執(zhí)行的，主程序會不斷地循環(huán)執(zhí)行，直到復(fù)位或者停止運行。 因此，在應(yīng)用程序設(shè)計時，需要注意循環(huán)的設(shè)計，保證程序的正確性和穩(wěn)定性。STM32 支持多種接口，包括UART、I2C、SPI 等，可以與各種傳感器、執(zhí)行器等進行通信[1]，從而實現(xiàn)多種輔助功能，如傾斜傳感器、 加速度傳感器、ECG 心電圖傳感器等，如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6 電路圖

2.2 傾角傳感器模塊

本設(shè)計采用SCA100T 芯片作為傾角傳感器來檢測輪椅的姿態(tài)狀態(tài)，實現(xiàn)輪椅翻倒警報功能，SCA100T 芯片是一種高精度的傾角傳感器， 能夠?qū)崟r測量輪椅的傾斜角度，并精確反饋給控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更為準確的輪椅控制。傾角傳感器一般指的是水平傳感器，該儀器的工作原理是利用兩軸傾角傳感器SCA100T 來實現(xiàn)的，SCA100T是雙軸傾角傳感器，原理如圖3 所示為固體擺式示意圖，它是由擺錘、 擺線和支架組成的[1]屬于固擺式傾角傳感器， 姿態(tài)處理模組電路見圖4 該種類型的傳感器主要是把測量到的靜態(tài)重力加速度的變化量轉(zhuǎn)換為傾角信息量的變化[2]。

圖3 固體擺式原理示意圖

圖4 姿態(tài)處理模組電路圖

受重力G 和拉力T 的作用下，根據(jù)平行四邊形法則，合外力F 為：

在對測量結(jié)果進行運算后，使用SPI 來與LCD 顯示屏的顯示模塊進行通訊， 使用I2C 協(xié)議來讀出姿態(tài)傳感器SCA100T 的數(shù)據(jù)，使用串口通信的模式來接收藍牙模塊的數(shù)據(jù)， 并且通過PWM 波形來對電動機和舵機進行控制。 姿態(tài)處理模組電路如圖4 所示。

誤差修正放大器的主要負責(zé)：消除零點誤差，根據(jù)電路的電源電壓，適當?shù)胤糯髠鞲衅鞯撵`敏度，使電路的抗干擾能力最大化[3]。 A/D 轉(zhuǎn)換和信號處理電路，其主要功能是對從誤差放大器中輸出的DC 信號進行A/D 轉(zhuǎn)換，并對其進行角度計算，并輸出角度數(shù)據(jù)。

2.3 速度檢測控制

通過使用單片機STM32F103ZET6 接收按鍵模塊產(chǎn)生的信號，PWM 信號輸出和控制信號輸出分別通過計算相應(yīng)的占空比得到。 產(chǎn)生的PWM 信號驅(qū)動L298 的使能和方向，控制電機的轉(zhuǎn)動。在STM32 中，PWM 輸出的方式一般采用定時器的方式，通過控制定時器的計數(shù)值、時鐘源等參數(shù)， 可以實現(xiàn)PWM 輸出的占空比和頻率的調(diào)整。使用STM32 的PWM 進行調(diào)速的基本步驟和公式：

（1）初始化TIM 選擇適當TIM，根據(jù)需要設(shè)置其時鐘源、計數(shù)器分頻器和計數(shù)器模式等?？梢詫IM2 配置為向上計數(shù)模式，并使用系統(tǒng)時鐘作為時鐘源。其中自動重載寄存器的值應(yīng)該根據(jù)所需PWM 頻率和時鐘頻率計算得出。

ARR=（F_TIMERCLK/（F_PWM*PWM_RESOLUTION））-1（2）

ARR 為自動重載寄存器的值，F(xiàn)_TIMERCLK 為TIM的時鐘頻率，F(xiàn)_PWM 為所需的PWM 頻率，PWM_RESOLUTION 為PWM 的分辨率（通常為1000 或者4096）。 配置輸出比較通道（OC）選擇一個或多個OC 通道，設(shè)置其模式和參數(shù)， 輸出比較模式、 預(yù)裝載和極性等。 可以將OC1 通道配置為PWM 模式， 設(shè)置占空比為50%。 啟動TIM 將TIM 使能，開始計數(shù)。

Duty Cycle = （CCR / ARR）*50% （3）

（2）CCR 為捕獲比較寄存器的值，ARR 為自動重載寄存器的值。 CCR 的值應(yīng)該根據(jù)所需占空比計算得出。

（3）啟動定時器（TIM）TIM 開始計數(shù)，通過設(shè)置TIM的CR1 寄存器的CEN 位來實現(xiàn)。

（4） 改變占空比使用STM32 的庫函數(shù)來更改OC 通道的值，改變PWM 輸出的占空比。 可以使用以下庫函數(shù)將OC1 通道的值更改為75%：TIM_SetCompare1（TIM2，（uint16_t）（ARR*0.75））。

（5）調(diào)整占空比使用外部信號（例如電位器、編碼器或傳感器）來調(diào)整PWM 輸出的占空比，使用ADC 模塊讀取電位器的值，并將其轉(zhuǎn)換為占空比。

（6）調(diào)整占空比：可以使用外部信號（例如電位器、編碼器或傳感器） 來調(diào)整PWM 輸出的占空比。 可以使用ADC 模塊讀取電位器的值，并將其轉(zhuǎn)換為占空比。

3 高速過流檢測電路

采用高速過流檢測電路可以實現(xiàn)實時監(jiān)測電機過流情況、快速響應(yīng)電路故障、增強設(shè)備穩(wěn)定性和保護電池電路等優(yōu)點，老年人輔助輪椅電機在運行時，可能會因為各種原因出現(xiàn)過載或者堵轉(zhuǎn)等異常情況， 如果不及時發(fā)現(xiàn)并處理，就會對老年人的使用安全造成嚴重的威脅。采用高速過流檢測電路能夠?qū)崟r監(jiān)測電機的過流情況， 及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，保證老年人的使用安全。

該高速地測過流檢測解決方案采用單個零漂移快速建立放大器（OPA388）和一個高速比較器（TLV3201）加以實現(xiàn)。該電路轉(zhuǎn)為檢測快速電流信號和過流時間（如電機和電源） 的應(yīng)用設(shè)計。 高速過流檢測電路如圖5 所示。OPA388 具有最寬的寬帶以及超低漂移和快速壓擺率，選擇該器件。 TLV3201 具有快速響應(yīng)功能（因為其40ns 的小傳播延遲和4.8ns 的上升事件）， 因此選擇了該器件。這使比較器能夠直接連接微控制器的邏輯電平。TLV3201 還具有低功耗和40μA 的靜態(tài)電流。 通常，對于低測電流檢測檢測電阻器上的放大器可用于同相配置。不過， 所示的應(yīng)用電路使用OPA388 作為檢測電阻器上的差分放大器。 這在分流電阻器上提供了真正的差分測量，并且在電源接地和負載接地不一定相同的情況下可能是有利的[4]。

圖5 高速過流檢測電路

圖6 設(shè)計仿真

圖7 瞬態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果

（1）確定傳遞方程，其中R1=R2并且R2=R4。

（2）選擇檢測電阻器值（假設(shè)最大壓降為10Ma，負載電流為1A），以最大限度地降低電阻器上的壓降。

（3）選擇放大器增益，是COMP_IN 在負載電流達到臨界閾值1A 時達到2V。

設(shè)置：R1=R2=1kΩ，R2=R4=200kΩ

（4）計算放大器的跨足增益

4 直流無刷電機模塊

直流無刷電機可以通過精確的電流控制實現(xiàn)高精度的速度和位置控制， 可以保證老年人輔助輪椅的行駛穩(wěn)定性和安全性，同時提供更好的使用體驗。直流無刷電機運轉(zhuǎn)時噪音較低，能夠減少對老年人的干擾和影響，提高老年人的使用舒適度[5]。

本設(shè)計采用ATK-PD6010 作為電機驅(qū)動板支持DC12～60V 寬范圍供電，最大輸出電流10A，最大驅(qū)動功率600W；支持霍爾傳感器檢測，編碼器檢測，過零檢測；支持3 相電流采集，相反向電動勢采集，溫度采集，驅(qū)動板電源電壓采集。 由于三相U/V/W 的驅(qū)動器是一樣的，所以通過U/V/W 的驅(qū)動器為例進行分析：U 相高、 低側(cè)PWM 訊PWM_UH 及PWM_UL，經(jīng)由圖騰輸出型光耦合，分別進入門驅(qū)動邏輯控制輸入端子HIN 及LIN， 當控制訊號SD_IN=0 時， HIN 訊號經(jīng)由HO，而HIN 為1 時，Q1為ON，HIN 為0 時，Q1 為OFF，Q1 為OFF；然后，LIN 信號經(jīng)由LO 來控制下部管Q2 的接通和斷開。Q1、Q2 的輸出Motor_U 與馬達的U 相連接。 圖騰的輸出與推挽輸出相似，不需要上下拉電阻，具有很好的輸出能力，而且輸出信號會隨著輸入信號而變化， 在光耦輸入端懸浮的時候，默認輸出是低電平。 采用了圖騰式的輸出光耦合，在輸入懸空時，上、下管同時關(guān)閉。 無刷直流電機的機械特性為：n=Ud/（2Keφ）-2Tem/（KTφ）， 因此可以通過調(diào)節(jié)端電壓Ud或定子電流Id來實現(xiàn)調(diào)速[6]。 驅(qū)動板3 相H 橋電路，如圖8 所示。

圖8 驅(qū)動板3 相H 橋電路

4.1 直流無刷電機

根據(jù)電機驅(qū)動板支持DC12～60V 寬范圍供電， 最大輸出電流10A，最大驅(qū)動功率600W 的條件下選用MY1016Z直流無刷電機。這款電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)矩能夠滿足電機控制板的最大輸出電流和輸出功率的要求， 同時電機的外形尺寸也比較緊湊，適合安裝在電動輪椅上。MY1016Z電機的額定功率為350W，能夠提供足夠的功率驅(qū)動輪椅運動。電機的額定轉(zhuǎn)速為3200rpm，轉(zhuǎn)矩1.6Nm，這樣的參數(shù)可以提供適度的動力， 使老年人在使用輪椅時更加舒適和安全MY1016Z 電機運行平穩(wěn)，噪音更少，比傳統(tǒng)的有刷電機更加適合老年人電動輪椅使用。 這可以提供更加安靜、舒適的使用體驗，不會對老年人的健康造成負面影響。 尺寸緊湊，相對于傳統(tǒng)的有刷電機來說體積更小，適合安裝在輪椅上。

4.2 電壓電流采集電路

3 個U4、U5、U6 雙A B 運放TP2412，TP2412 為高帶寬低噪低失調(diào)電壓運放，性能優(yōu)異，非常適合用于電壓和電流的放大。 U 相經(jīng)過過壓的電壓信號DIV_U 被連接到U4B 的同相端子上， 由于R12、R24 未被焊上，U4B 運算放大器被用作一個電壓跟蹤器， 其7 個引腳的輸出信號的幅值與輸入值一致。 盡管輸入輸出信號的幅度是一樣的，但在一定程度上，輸出信號與輸入信號被隔離開來。與此同時，由于控制板和驅(qū)動板之間是由排線連接，所以信號路徑較長，衰減較大。 在7 腳輸出之后，加上了RC低通濾波，以消除信號線上的高頻干擾，最后得到了用于控制板ADC 采集用的信號BEMF_U （BEMF 為反向電動勢縮寫）。此外， ESD 二極管VD2 還起到了消除靜電的作用，因此對IO 起到了保護作用。

U 相位的電流放大，將取樣電阻器（電流I）上的信號I-V_U 通過差分的方法，通過對U4A 運算放大器（運算放大器）進行差分，差分參考電壓VCC1.2。

基準電壓Vref 是1.25V。因此，在放大后，輸出為Iout=6×0.02×1+1.25V

通過對Iout輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行處理，即可得到相電流I 值。 可見，運算放大器的輸出也是經(jīng)過了RC 的低通濾波器和ESD 的保護.其中，AMP_IU 即為模數(shù)轉(zhuǎn)換器所使用的電流訊號。 ATK-PD6010B 驅(qū)動板板載的電壓電流采集電路，如圖9 所示。

圖9 電壓電流采集電路

5 ECG（Electrocardiogram）心電檢測傳感器

ECG（ElectroCardiogram）是一種用來記錄心電信號的非侵入性檢查方法。它可以檢測心臟的電活動，并以圖形的形式呈現(xiàn)出來。 ECG 的原理是利用電極在皮膚表面記錄心臟產(chǎn)生的電信號， 然后將這些信號放大并記錄在紙上或顯示屏上。 當心臟肌肉收縮時，它會產(chǎn)生一系列電信號，稱為心電圖波形。 這些波形可以分為P 波、QRS 波和T 波，它們分別代表心房收縮、心室收縮和心室復(fù)極。ECG 設(shè)備可以測量這些波形的幅度、 持續(xù)時間和形狀，以檢測心臟的功能和異常。 在進行ECG 檢查時，通常會在身體的四肢和胸部放置電極。 這些電極可以記錄心臟電信號在身體不同位置的變化，然后將這些信號轉(zhuǎn)換為圖形[7]。

此設(shè)計采用了電容耦合電測量方法， 對老年人生命信進行了測量， 它的方法是將心電信號通過電容耦合的方式進行數(shù)據(jù)采集， 采集的信號在經(jīng)過濾波、 放大、A/D轉(zhuǎn)換后，再送到單片機中進行數(shù)據(jù)分析與處理[8]。 其系統(tǒng)流框圖具體如圖11 所示。

圖11 MAX30102 心率模塊系統(tǒng)流程圖

工作原理是建立在血紅素吸收光線的性質(zhì)上。 在氧化血紅蛋白上，紅外線的強度大于紅光，而在氧化血紅蛋白上，紅外線的強度大于紅光。 在測量過程中，基于動脈血液流動的脈動特征， 脈動速度和脈動強度也被確定并顯示出來[9]。 光源使用具有特定波長的LED，所述LED 對動脈血液中的血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）具有特異性；透光率轉(zhuǎn)換為電信號：由于動脈搏動充血的溶劑發(fā)生了變化，從而使這束光的透光率發(fā)生了變化，這時，通過光電變換接收通過人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)化為電信號，并將其放大輸出。 光容積法：是利用人的身體組織在脈搏跳動時所產(chǎn)生的光線的差異，來測量血液中的氧氣含量。

模擬電路：傳感器輸出的電信號非常微弱，需要通過模擬電路進行放大和濾波。模擬電路通常由放大器、濾波器和采樣電路組成。放大器用于放大信號，使得信號的幅度足夠大以便于后續(xù)的處理，模擬電路如圖12 所示。

圖12 MAX30102 電路圖

6 結(jié)束語

此設(shè)計設(shè)計為了解決老年人在日常生活中行動不便問題， 也是本產(chǎn)品設(shè)計的起點， 在現(xiàn)如今的時代，國內(nèi)的老齡化的趨勢，老年人行動不便是老齡化問題其中之一，老年人對輔助產(chǎn)品的需求也接踵而至，在十九大提出了《國家積極應(yīng)對人口老齡化中長期規(guī)劃》鼓勵運用現(xiàn)代科技對老年人輔助產(chǎn)品進行研發(fā)設(shè)計。 老年人輔助產(chǎn)品對人機交互性能要求嚴格， 所以對老年人輔助輪椅有巨大的需求。 這項技術(shù)有可能極大地改善依靠輪椅行動的老年人的生活質(zhì)量， 并為他們的親人和看護人提供安心。隨著進一步的開發(fā)和完善，該系統(tǒng)可能成為輪椅和其他助行器設(shè)計中廣泛采用的安全功能。