個人消費類電子
觸控屏智能按摩椅方案開發(fā)
隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視自身的健康，按摩椅作為家庭保健的主要器械，越來越受到人們的歡迎。按摩椅是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，正在向智能化發(fā)展。人們在使用按摩椅的同時，也對其智能化和多功能化提出了更高的要求。
針對傳統(tǒng)按摩椅在人機交互界面、智能化和娛樂功能等方面的不足，并結(jié)合實際健身的需要，本文將嵌入式技術(shù)運用于按摩椅控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了按摩椅控制系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化和美觀人性化的人機交互界面。
一、智能按摩椅控制系統(tǒng)
智能按摩椅控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種運行模式，手動運行能夠?qū)Π茨σ蔚乃俣群湍Ｊ竭M行控制，自動運行則可以針對不同人群實現(xiàn)各種程控鍛煉模式。人機交互系統(tǒng)有觸摸屏控制和紅外控制兩種，在實現(xiàn)觸摸控制時伴隨有語音提示，能實時監(jiān)控按摩椅運行狀態(tài)。該系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)MP3播放功能。
該控制系統(tǒng)選擇STM32作為微處理器。該控制器內(nèi)嵌了豐富的外設(shè)功能模塊，綜合考慮運算速度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性，選擇它作為該系統(tǒng)的控制器，但其不具備友好的人機交互功能，在控制參數(shù)較多、需要人機交互時使用不方便。在這種情況下，使用觸摸屏就是一個很好的選擇。對于按摩椅安全保護方面，通過傳感器的輸出信號，送至控制器用以調(diào)節(jié)控制。
二、智能按摩椅硬件設(shè)計
智能型按摩椅控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有人機交互系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行及電源系統(tǒng)等。這些硬件結(jié)構(gòu)具有集成性高、獨立性強、可擴展性好等優(yōu)點。
2.1人機交互系統(tǒng)
（1）觸摸屏控制：觸摸屏通過標準的RS232通信接口控制按摩椅的各項動作，實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、修改、顯示等功能，能夠更方便、更直觀地了解按摩椅控制系統(tǒng)的階段。在觸摸屏與按摩椅的下位機控制系統(tǒng)建立串口連接。智能按摩椅的下位機接收觸摸屏的指令和數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動模式電機和速度電機執(zhí)行相關(guān)動作。觸摸屏、STM32和ISD1760語音芯片構(gòu)成語音提示模塊，通過對觸摸屏上關(guān)于按摩椅參數(shù)的設(shè)置，實時監(jiān)控按摩椅的運行狀態(tài)，當?shù)竭_上、下極限位置時，會發(fā)出報警提示，保證按摩椅的安全運行。
（2）紅外控制：紅外通信是對二進制的數(shù)字進行調(diào)制和解調(diào)，利用紅外信道進行傳輸，其接口是針對紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。該系統(tǒng)選用的紅外接收傳感器HS0038，其中REMOTE_IN接到P2的第二個引腳，而沒有直接接在MCU的I/O口上，目的是防止I/O口在使用其他功能時受到紅外信號的干擾。
該系統(tǒng)發(fā)送部分采用STM32定時器，載波頻率38 kHz，位時間1.125 ms，時鐘頻率設(shè)置11.0592 MHZ。進行紅外通信前，通信雙方首先要根據(jù)系統(tǒng)功能要求，制定某種特定的協(xié)議，然后編寫程序。本系統(tǒng)中紅外通信的一方是紅外遙控器，另一方是微處理器STM32。通過計算機程序可以改變按摩部位、按摩時間和按摩速度，從而使用戶根據(jù)自身狀況調(diào)節(jié)按摩椅。
2.2下位機控制系統(tǒng)
下位機控制系統(tǒng)主要由嵌入式微處理板構(gòu)成，承擔控制系統(tǒng)運行的實時計算工作。該處理板主控芯片采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列STM32F103RBT6，該芯片非常適合在控制領(lǐng)域的應(yīng)用。該微處理板具有：3個串口，串行外圍設(shè)備接口可以運用于觸摸屏控制模塊、紅外控制模塊；2個SPI，SPI通信可用于語音提示模塊和MP3播放模塊；7個TIM，最多可以產(chǎn)生28個精確的PWM信號，方便用于步進電機的控制和紅外控制中發(fā)送的載波頻率；2個12位的ADC（16通道），可用以對壓力傳感器和心率傳感器輸出模擬信號的采集，保證信號采集的實時性、準確性；51個可用I/O腳，該微處理器內(nèi)嵌豐富的外設(shè)功能模塊，相于ARM系列的其他芯片，STM32芯片運行速度更快，且價格較低。
此外，下位機根據(jù)位置檢測裝置來進行速度反饋。下位機還有一個MP3播放模塊，通過觸摸屏、STM32和MP3模塊組成了一個帶有觸摸功能的MP3，可以用于選擇下一曲和上一曲，還可以用于暫停/播放。從而使人們在按摩過程能夠聽音樂，愉悅身心。
2.3壓力傳感器
壓力傳感器選用小量程測力傳感器，彈性體為三片梁，復合懸臂結(jié)構(gòu)，主要是考慮其使用壽命。由于輸出距離較近，所以選用輸出信號為電壓信號，這樣后續(xù)的處理比較容易。本設(shè)計采用全橋測量原理，使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差更小、輸出的數(shù)據(jù)更準確。運算放大電路是將傳感器輸出的微弱模擬信號進行一定倍數(shù)放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平進行各種轉(zhuǎn)換處理的要求。STM32有兩個ADC，轉(zhuǎn)換時間1μs，利用STM32的ADC1通道0來采樣輸出的電壓值，通過EFPROM讀取采樣值，反饋到STM32，如果步進電機到達上、下極限位置，按摩椅就會自動調(diào)整其位置，以保證按摩椅的安全、正常運行。按摩椅的壓力傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2.4心率監(jiān)測模塊
心率傳感器采用人體體表生物電檢測的方式檢測心臟搏動產(chǎn)生的心電信號，通過信號調(diào)理電路、A/D、數(shù)字信號處理、比較電路輸出同步于心臟搏動的脈沖信號，有效解決了在動態(tài)情況下檢測心率有效性和準確性問題。而且增加了檢測握手信號，在輸出與心臟搏動同步的脈沖信號的同時檢測手是否握住電極，輸出高、低電平表示已握住和沒有握住，檢測出使用者在按摩過程中的心率。控制系統(tǒng)將會根據(jù)使用者的心率狀況自動給出科學的運動方案。按摩椅的心率控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。
三、按摩椅控制程序設(shè)計
智能按摩椅控制系統(tǒng)設(shè)計的下位機控制系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計軟件，將語音提示、通信、傳感器檢測、MP3播放設(shè)計成互相分離的獨立程序模塊，各模塊之間以函數(shù)的形式進行獨立編寫和封裝，模塊之間的交互是通過各模塊之間的輸入、輸出標準來實現(xiàn)的，微處理器控制程序用來管理和安排對各子模塊的調(diào)用。采用模塊化設(shè)計以后，后續(xù)的開發(fā)人員可以在任意模塊上做后續(xù)的開發(fā)工作，從而保證軟件的可讀性、可擴展性和可維護性，以便持續(xù)開發(fā)。下位機控制程序模塊如圖4所示。
總結(jié)
本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化健身器材控制系統(tǒng)中，通過對驅(qū)動電機速度和位置的控制、美觀人性化的交流界面以及各種智能傳感器的應(yīng)用，來豐富按摩椅的智能性、安全性和娛樂性，有利于按摩椅向高端產(chǎn)品定位，減少按摩椅相對獨立、工作過程枯燥、缺乏交互性等缺點，給使用者帶來全新的按摩體驗。
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