觸控屏智能按摩椅方案開(kāi)發(fā)

隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越重視自身的健康，按摩椅作為家庭保健的主要器械，越來(lái)越受到人們的歡迎。按摩椅是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，正在向智能化發(fā)展。人們?cè)谑褂冒茨σ蔚耐瑫r(shí)，也對(duì)其智能化和多功能化提出了更高的要求。

針對(duì)傳統(tǒng)按摩椅在人機(jī)交互界面、智能化和娛樂(lè)功能等方面的不足，并結(jié)合實(shí)際健身的需要，本文將嵌入式技術(shù)運(yùn)用于按摩椅控制系統(tǒng)，實(shí)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(jī)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(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行模式，手動(dòng)運(yùn)行能夠?qū)Π茨σ蔚乃俣群湍Ｊ竭M(jìn)行控制，自動(dòng)運(yùn)行則可以針對(duì)不同人群實(shí)現(xiàn)各種程控鍛煉模式。人機(jī)交互系統(tǒng)有觸摸屏控制和紅外控制兩種，在實(shí)現(xiàn)觸摸控制時(shí)伴隨有語(yǔ)音提示，能實(shí)時(shí)監(jiān)控按摩椅運(yùn)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(yùn)算速度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，選擇它作為該系統(tǒng)的控制器，但其不具備友好的人機(jī)交互功能，在控制參數(shù)較多、需要人機(jī)交互時(shí)使用不方便。在這種情況下，使用觸摸屏就是一個(gè)很好的選擇。對(duì)于按摩椅安全保護(hù)方面，通過(guò)傳感器的輸出信號(hào)，送至控制器用以調(diào)節(jié)控制。

二、智能按摩椅硬件設(shè)計(jì)

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(jī)交互系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dú)立性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.1人機(jī)交互系統(tǒng)

（1）觸摸屏控制：觸摸屏通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信接口控制按摩椅的各項(xiàng)動(dòng)作，實(shí)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(jī)控制系統(tǒng)建立串口連接。智能按摩椅的下位機(jī)接收觸摸屏的指令和數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式電機(jī)和速度電機(jī)執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。觸摸屏、STM32和ISD1760語(yǔ)音芯片構(gòu)成語(yǔ)音提示模塊，通過(guò)對(duì)觸摸屏上關(guān)于按摩椅參數(shù)的設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)控按摩椅的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)上、下極限位置時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，保證按摩椅的安全運(yùn)行。

（2）紅外控制：紅外通信是對(duì)二進(jìn)制的數(shù)字進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，利用紅外信道進(jìn)行傳輸，其接口是針對(duì)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(gè)引腳，而沒(méi)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(shí)受到紅外信號(hào)的干擾。

該系統(tǒng)發(fā)送部分采用STM32定時(shí)器，載波頻率38 kHz，位時(shí)間1.125 ms，時(shí)鐘頻率設(shè)置11.0592 MHZ。進(jìn)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(xiě)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(guò)計(jì)算機(jī)程序可以改變按摩部位、按摩時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)

下位機(jī)控制系統(tǒng)主要由嵌入式微處理板構(gòu)成，承擔(dān)控制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)計(jì)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(gè)串口，串行外圍設(shè)備接口可以運(yùn)用于觸摸屏控制模塊、紅外控制模塊；2個(gè)SPI，SPI通信可用于語(yǔ)音提示模塊和MP3播放模塊；7個(gè)TIM，最多可以產(chǎn)生28個(gè)精確的PWM信號(hào)，方便用于步進(jìn)電機(jī)的控制和紅外控制中發(fā)送的載波頻率；2個(gè)12位的ADC（16通道），可用以對(duì)壓力傳感器和心率傳感器輸出模擬信號(hào)的采集，保證信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性；51個(gè)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(yùn)行速度更快，且價(jià)格較低。

此外，下位機(jī)根據(jù)位置檢測(cè)裝置來(lái)進(jìn)行速度反饋。下位機(jī)還有一個(gè)MP3播放模塊，通過(guò)觸摸屏、STM32和MP3模塊組成了一個(gè)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?cè)诎茨^(guò)程能夠聽(tīng)音樂(lè)，愉悅身心。

2.3壓力傳感器

壓力傳感器選用小量程測(cè)力傳感器，彈性體為三片梁，復(fù)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(hào)為電壓信號(hào)，這樣后續(xù)的處理比較容易。本設(shè)計(jì)采用全橋測(cè)量原理，使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差更小、輸出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。運(yùn)算放大電路是將傳感器輸出的微弱模擬信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理的要求。STM32有兩個(gè)ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間1μs，利用STM32的ADC1通道0來(lái)采樣輸出的電壓值，通過(guò)EFPROM讀取采樣值，反饋到STM32，如果步進(jìn)電機(jī)到達(dá)上、下極限位置，按摩椅就會(huì)自動(dòng)調(diào)整其位置，以保證按摩椅的安全、正常運(yùn)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(cè)模塊

心率傳感器采用人體體表生物電檢測(cè)的方式檢測(cè)心臟搏動(dòng)產(chǎn)生的心電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、A/D、數(shù)字信號(hào)處理、比較電路輸出同步于心臟搏動(dòng)的脈沖信號(hào)，有效解決了在動(dòng)態(tài)情況下檢測(cè)心率有效性和準(zhǔn)確性問(wèn)題。而且增加了檢測(cè)握手信號(hào)，在輸出與心臟搏動(dòng)同步的脈沖信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)手是否握住電極，輸出高、低電平表示已握住和沒(méi)有握住，檢測(cè)出使用者在按摩過(guò)程中的心率?？刂葡到y(tǒng)將會(huì)根據(jù)使用者的心率狀況自動(dòng)給出科學(xué)的運(yùn)動(dòng)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(jì)

智能按摩椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下位機(jī)控制系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)軟件，將語(yǔ)音提示、通信、傳感器檢測(cè)、MP3播放設(shè)計(jì)成互相分離的獨(dú)立程序模塊，各模塊之間以函數(shù)的形式進(jìn)行獨(dú)立編寫(xiě)和封裝，模塊之間的交互是通過(guò)各模塊之間的輸入、輸出標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，微處理器控制程序用來(lái)管理和安排對(duì)各子模塊的調(diào)用。采用模塊化設(shè)計(jì)以后，后續(xù)的開(kāi)發(fā)人員可以在任意模塊上做后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作，從而保證軟件的可讀性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，以便持續(xù)開(kāi)發(fā)。下位機(jī)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(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(lái)豐富按摩椅的智能性、安全性和娛樂(lè)性，有利于按摩椅向高端產(chǎn)品定位，減少按摩椅相對(duì)獨(dú)立、工作過(guò)程枯燥、缺乏交互性等缺點(diǎn)，給使用者帶來(lái)全新的按摩體驗(yàn)。

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