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基于單片機(jī)PIC16F74的電動(dòng)按摩椅的研制

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作者: 時(shí)間:2007-12-14 來源: 收藏

  本文介紹了一款采用作為微處理芯片的控制系統(tǒng),具體包括有系統(tǒng)的組成和功能介紹、硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件功能實(shí)現(xiàn)以及抗干擾措施。

  1:引言

  隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,按摩椅等保健產(chǎn)品越來越受到歡迎。目前,在市場上,進(jìn)口、合資以及國產(chǎn)產(chǎn)品并存。相對而言,進(jìn)口產(chǎn)品功能強(qiáng)大、按摩方式豐富、外觀優(yōu)美,但同時(shí)其價(jià)格也非常昂貴。而國內(nèi)產(chǎn)品功能較簡單,產(chǎn)品知名度也相對較低,但是其價(jià)格比較低廉。本文主要介紹了一款自主研發(fā)的中檔。該產(chǎn)品既有功能比較強(qiáng)大、按摩方式比較豐富、結(jié)構(gòu)簡單、外觀優(yōu)美、控制方式簡單靈活,產(chǎn)品容易升級(jí)的特點(diǎn),同時(shí)其價(jià)格卻只有國外同等產(chǎn)品的一半。

  2:按摩椅系統(tǒng)的組成、工作原理及其功能實(shí)現(xiàn)

  2.1:系統(tǒng)組成

  整個(gè)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分,即背部按摩區(qū)域和臀部、下肢按摩區(qū)域。

  背部按摩區(qū)域的機(jī)構(gòu)主要有:系統(tǒng)控制電路板、電動(dòng)機(jī)、絲桿及其潤滑裝置、S形滑動(dòng)槽、按摩頭功能盒等。同時(shí)根據(jù)人體結(jié)構(gòu)又將背部整個(gè)區(qū)域劃分為頸部、中部、腰部以及尾椎四個(gè)按摩區(qū)間。而臀部、下肢按摩區(qū)域的機(jī)構(gòu)主要有12個(gè)按摩氣囊及其實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。此外系統(tǒng)主要還有手控面板,紅外線探測系統(tǒng),靠背、小腿架處的電動(dòng)推桿等。

  2.2:系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)

  由于PIC具有成本低,功能豐富,控制方式簡單等優(yōu)勢,因此系統(tǒng)采用作為系統(tǒng)的控制芯片。

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行模式。在自動(dòng)模式下,按摩模式主要有:快速消除疲勞模式、休閑模式、睡眠模式以及適合于老人使用的輕柔模式等。而在手動(dòng)方式下,可以啟停任意電機(jī)和按摩氣囊。并可根據(jù)實(shí)際情況,選擇需要的按摩力度、寬窄和氣囊按摩壓力。系統(tǒng)所有的按摩功能均具有三檔速度調(diào)節(jié)。

  背部機(jī)構(gòu)根據(jù)人體的背部生理曲線科學(xué)地設(shè)計(jì)為S形結(jié)構(gòu)。其背部機(jī)構(gòu)的主要功能有:推拿、揉捏、捶打及指壓。其中推拿、揉捏、捶打及指壓功能分別由三臺(tái)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。按摩頭功能盒可以上下運(yùn)行,并可選擇全程、局部以及定點(diǎn)進(jìn)行按摩。而在臀部和下肢區(qū)域,可以通過控制氣囊的收放起伏律動(dòng)以及氣囊的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)按摩。

  此外還可以根據(jù)個(gè)人的喜好控制靠背、小腿架的電動(dòng)推桿,調(diào)整靠背和小腿架的傾斜角度,從而提高按摩舒適度。

  2.3:系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

  2.3.1:硬件實(shí)現(xiàn)

  該按摩椅控制系統(tǒng)中的主要硬件為。供電電源為+5V,輸入和輸出可以是模擬(量)信號(hào),也可以是開關(guān)(量)信號(hào)。本控制系統(tǒng)采用的是PIC16F74開關(guān)量的輸入和輸出來進(jìn)行控制的。

  系統(tǒng)首先通過紅外線探測裝置獲得按摩對象的身高和形體參數(shù),并將相關(guān)參數(shù)傳遞給系統(tǒng)主程序,然后根據(jù)人體穴位的分布原理,驅(qū)動(dòng)按摩機(jī)構(gòu)進(jìn)行按摩。

  系統(tǒng)中的背部行程及揉捏電機(jī)在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常需要換向,其正反轉(zhuǎn)功能采用互鎖電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繼電器交替工作來實(shí)現(xiàn),并且電路在任何時(shí)候最多只有一只繼電器工作,這樣可以十分有效的避免同一繼電器在較長時(shí)間使用后,由于其換向后接觸不良而導(dǎo)致的電路短路情況,從而可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,顯著地延長產(chǎn)品的使用壽命。

  2.3.2:系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

  為了充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能,實(shí)現(xiàn)按摩方式、力度及其寬窄的合理組合,本系統(tǒng)軟件共設(shè)計(jì)為三層:電機(jī)驅(qū)動(dòng)層,功能驅(qū)動(dòng)層,用戶界面。其中:電機(jī)驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)對硬件的驅(qū)動(dòng),即起停、強(qiáng)弱以及寬窄的驅(qū)動(dòng);功能驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)對所有功能的按優(yōu)先級(jí)仲裁,對低級(jí)功能進(jìn)行保護(hù)或清除,并與其他模塊的功能層交互等;而用戶界面則負(fù)責(zé)接收用戶的按鍵輸入。其原理如圖1所示。

  

軟件實(shí)現(xiàn)
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  系統(tǒng)的控制程序流程圖如圖2所示

  

系統(tǒng)的控制程序流程圖

  系統(tǒng)上電后,CPU開始對整個(gè)鍵盤進(jìn)行掃描,當(dāng)掃描到某鍵按下后進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)消抖,再次確認(rèn)按鍵有效后即啟動(dòng)相應(yīng)按鍵的服務(wù)子程序,然后進(jìn)行過零檢測,通過控制可控硅來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制。同時(shí)將電機(jī)的速度狀態(tài)顯示于LCD中。

  本系統(tǒng)軟件主要解決了以下幾個(gè)重要的問題:

  2.3.2.1:過零檢測

  系統(tǒng)利用特定的硬件電路對市電進(jìn)行整流后得到半波信號(hào),然后從RA4引腳輸入同步信號(hào)。系統(tǒng)巧妙的利用了硬件的特性,當(dāng)對T0進(jìn)行初始值設(shè)定后,然后通過外部信號(hào)來觸發(fā)定時(shí)器T0的翻轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)精確的過零檢測。然后根據(jù)過零檢測可以控制可控硅來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電壓的準(zhǔn)確控制。這樣可以十分有效地避免通過軟件進(jìn)行過零檢測時(shí)帶來的誤差,并由此引起的電機(jī)電壓控制不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定以及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的不可靠。

  2.3.2.2:按摩區(qū)間劃分

  當(dāng)紅外線探測裝置探測到按摩對象的相應(yīng)參數(shù)后,程序根據(jù)此結(jié)果將整個(gè)按摩區(qū)域劃分為頸部、中部、腰部以及尾椎四個(gè)區(qū)間。并按人體生理原理對各個(gè)區(qū)間采用不同的按摩方式及其按摩力度和寬窄的變化組合,從而提高按摩舒適度。

  2.3.2.3:脈沖計(jì)數(shù)

  程序采用CCP模塊(即捕獲、比較、脈沖寬度調(diào)制模塊)中的捕獲功能來實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)按摩頭功能盒在區(qū)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)值偶爾會(huì)存在誤差。通過采取以下改進(jìn)措施后:即當(dāng)CCP捕捉到第一個(gè)脈沖后便立即關(guān)閉CCP,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器并延時(shí)一定的時(shí)間后再重新啟動(dòng)CCP繼續(xù)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。經(jīng)過較長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測定以及用戶反饋的情況,確定采用CCP實(shí)現(xiàn)的脈沖計(jì)數(shù)已經(jīng)十分準(zhǔn)確,完全達(dá)到了系統(tǒng)的控制精度要求。

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  2.3.2.4:行程控制

  行程電機(jī)具有硬件保護(hù)電路,在行程的首尾安裝有限位開關(guān),當(dāng)功能盒碰到限位開關(guān)后,由行程開關(guān)切斷行程電機(jī)的供電,并且引起引腳RB5和RB4的電平變化。因此程序可以通過檢測引腳RB5和RB4的電平變化來控制電機(jī)的換向。但由于行程開關(guān)在使用較長時(shí)間后可能會(huì)出現(xiàn)功能失效的情況,這時(shí)即使功能盒觸碰上下行程開關(guān),也不會(huì)引起引腳RB5或RB4的電平變化,當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí),程序由于沒有檢測到換向信號(hào)而控制電機(jī)繼續(xù)向同一方向運(yùn)行,直到頂死在絲桿的極限位置。

  為了避免產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)這種情況,在控制行程電機(jī)換向的程序中,增加了按行程計(jì)數(shù)值來控制電機(jī)換向的功能:選定下行程極限位作為計(jì)數(shù)基點(diǎn),行程電機(jī)啟動(dòng)后便開始進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù),并在上下行方向分別采用增減計(jì)數(shù)值的方法,當(dāng)行程計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定的極限值時(shí)便進(jìn)行換向,而當(dāng)功能盒每次重新到達(dá)計(jì)數(shù)基點(diǎn)時(shí)再對計(jì)數(shù)值進(jìn)行清零。

  通過采用根據(jù)行程計(jì)數(shù)值來控制電機(jī)換向后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及用戶反饋的情況來看,采取以上措施后,可以顯著的提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量,延長了產(chǎn)品的使用壽命。

  3:系統(tǒng)抗干擾措施

  為了保證系統(tǒng)的正常工作,在設(shè)計(jì)時(shí)采用了以下一些抗干擾措施:在硬件方面,由于系統(tǒng)對電源要求較高,因此在設(shè)計(jì)電源時(shí)采用了多級(jí)穩(wěn)壓性能較好的7805模塊;又由于本系統(tǒng)中單片機(jī)的輸入信號(hào)是開關(guān)量,因此在每一極輸入電路的輸入端增加了一極阻容濾波以防止干擾;而且系統(tǒng)采用了復(fù)位功能以防止程序進(jìn)入死循環(huán)。此外在軟件方面也采取了一些抗干擾措施,比如在電機(jī)換向時(shí)采用了一定的延時(shí)以保護(hù)電機(jī),當(dāng)CCP捕捉到有效脈沖信號(hào)后,關(guān)閉CCP并延時(shí)一定的時(shí)間后再重新啟動(dòng)CCP,以減少捕捉誤脈沖等等。

  4:結(jié) 論

  系統(tǒng)采用PIC16F74單片機(jī)作為微處理芯片,實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)按摩椅的控制。通過在硬件電路中增加必要的互鎖電路,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,并利用系統(tǒng)硬件特性實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的過零檢測,從而為電機(jī)電壓的準(zhǔn)確控制和穩(wěn)定調(diào)整提供了良好的前提條件;在軟件中,增加了按行程計(jì)數(shù)值進(jìn)行換向控制,以及采用中斷方式實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制等。通過采用以上一些措施后,不但降低了控制部分的制造成本,而且縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

  參 考 文 獻(xiàn)

  [1]:譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M], 清華大學(xué)出版社,2000

  [2]:武 鋒.PIC單片機(jī)C語言開發(fā)入門[M],北京航空航天大學(xué)出版社,2005

  [3]:劉篤仁.PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M], 電子工業(yè)出版社, 2005

  [4]:劉和平.PIC16F87X單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù)-C語言及其應(yīng)用[M],北京航空航天大學(xué)出版社,2002



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