基于单片机的电动轮椅用手柄控制器设计.doc

10 毕 业 设 计 论文题目： 学 生： 指导教师： 专 业： 班 级： 2016年 5 月基于单片机的电动轮椅用手柄控制器设计摘 要 随着社会的进步与发展，残障人士的生活质量越来越受到人们的关注，因此用于疾病护理与康复方面的辅助器械就应运而生。电动轮椅是一种理想 的代步工具，在社会上的需求量大，因此具有较高的研究价值。本次设计采用双后轮驱动模式，选用NEC公司生产的78K0系列单片机作为主控芯片。 首先，介绍了电动轮椅操纵杆控制器的研究与发展现状，并概述了电动轮椅操纵杆控制器的相关技术。 其次，介绍了电动轮椅操纵杆控制器的基本原理，并作出相应的设计方案。 第三，分析霍尔效应传感器的特性，本文选择了InSb线性霍尔效应传感器。 并采用恒压控制方式，设计完成了操纵信号采集电路。 然后，以NEC单片机为主控制芯片，完成手柄控制器的硬件电路设计包括 显示、按键、电源转换及主控制器电路等。最后，选择LIN总线协议作为操纵杆控制器系统的通信协议，编写程序实现电路 对蜂鸣器的控制、电池电量的显示、速度档位的显示、以及对电机的控制。 关键词：电动轮椅；手柄控制器；单片机；霍尔效应传感器1Based on single chip microcomputer design of the handle controller of electric wheelchair Abstract With the progress and development of society, the quality of life of people with disabilities more and more peoples attention, so for disease care and rehabilitation assistive devices came into being.Electric wheelchair is an ideal means of transport, the demand in the community is large, and herefore has a high research value.The design uses a dual-rear-wheel drive model, the choice of NEC 78K0 series produced microcontroller as the master chip. Firstly, the status of research and development of electric wheelchair joystick, and an overview of the electric wheelchair joystick related technologies.Secondly, it introduces the basic principles of electric wheelchair joystick,and make the appropriate design.Third, the analysis features Hall effect sensor, the paper chose InSb linear Hall-effect sensors. And constant pressure control mode, designed to complete the manipulation signal acquisition circuitry.Then, NEC microcontroller-based control chip to complete the hardware circuit design handle controller includes a display, keypad, power conversion, and the main controller circuit.Finally, select the LIN bus protocol as the communication protocol joystick system, the preparation of program control circuit buzzer, battery power display, speed gear display, and control of the motor.Key words:Electric wheelchair; handle controller; Single chip microcomputer; Hall effect sensor1目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 电动轮椅控制器的研究与发展现状11.3 电动轮椅操纵杆控制器的介绍22 电动轮椅操纵杆控制器整体方案设计32.1 操纵杆控制器功能介绍32.2 操纵杆控制器应用的基本原理32.2.1 操纵界面原理32.2.2 电动轮椅运动分析82.2.3 差速转向方程的构建112.3 操纵杆控制器整体设计方案122.3.1 整体方案的确定122.3.2 微控制器选型133 操纵信号采集设计153.1 霍尔效应传感器分类及特性153.2 霍尔效应传感器选择164 硬件电路设计184.1 正5V电压源184.2 +1V电压源194.3 操纵信号采集电路194.4 蜂鸣器电路214.5 显示电路214.6 按键电路设计234.7 通信电路设计244.8 驱动电路2615 手柄控制器的通信设计295.1 通信协议选择295.1.1 CAN/LIN总线295.1.2 通信协议选择305.2 软件设计30结 论35致 谢36参考文献37附 录381基于单片机的电动轮椅用手柄控制器设计1 绪论1.1 课题背景及意义 随着文明和科技的进步发展，人们凭借汽车、地铁、飞机等交通运输工具，人们的活动能力和范围已经大大提高。越来越多的残障人士想回归社会，进行日常的学习、工作和生活。 电动轮椅是一种以电池作为能源，通过电动机驱动的代步工具，适合下肢残疾和行走不便的人使用，相比于手动轮椅，活动范围广，适用人群多，功能强大。众所周知我国是世界上人口最多的国家，老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问题，这类特殊群体承受着生活和心理上的巨大压力，在失去了维持正常生活的能力后，他们有许多的问题需要面对。而通过轮椅可以帮助他们恢复行动的能力，在心理和生理上给予他们一定的动力，也给了他们重新开始的机会。然而国内目前生产的电动轮椅产品仍处于初级阶段，其控制器几乎需要从国外进口，导致国内生产的此类产品价格居高不下。操纵杆控制器作为电动轮椅的重要组成部分，是使用者与电动轮椅主体之间的桥梁。使用者通过控制操纵杆控制器，表达操作意图，实现对电动轮椅行驶速度和方向的控制。因此，操纵杆控制器性能的好坏，将直接影响电动轮椅的操作。 综上所述，操纵杆控制器作为电动轮椅的重要组成部分，是使用者与电动轮椅主体之间的桥梁。使用者通过控制操纵杆，表达操作意图，实现对电动轮椅行驶速度和方向的控制。因此，操纵杆控制器性能的好坏，将直接影响电动轮椅的操作。本课题的目的就是要设计出高性能、低成本的电动轮椅操纵杆控制器，填补国内在此项技术的空白，降低电动轮椅价格，满足国内市场需求，提高我国残障人士的生活质量。1.2 电动轮椅控制器的研究与发展现状 手柄控制器是一种常用的人机接口工具，作为控制方式被广泛在做工程机械、交通运输工具、医疗设备、测量机、游戏机等设备中。其中，电动轮椅操纵杆控制器主要应用于对轮椅转向、定位和速度的控制。目前，市场上电动轮椅用控制器主要是由PG Drive Technology(简称PGDT)生产的R-net、VR2、VSI系列控制器。R-net控制器是专门应用于中高档轮椅的一种多模块控制系统 ，其操纵杆控制器部分不仅具有符合人机工学的外型，而且具有高分辨率图形LCD显示、易于操作的按钮、即插即用、遥控开关输入等特点。VR2控制器则能够控制驱动2个座椅，并提供陪护控制，其操纵杆控制器模块具有友好的用户控制面板及经济高效又易于管理的电缆，已经成为电动轮椅操纵杆控制器性能的标准。VSI集成控制器则是专门为可折叠轮椅设计的一种经济高效的电动轮椅控制器，其操纵杆模块具有尺寸小、电缆灵活、工业标准连接、经济高效、可现场更换操纵杆控制器电池和按键等特点。 通过分析以上主流电动轮椅操纵杆控制器的特性，电动轮椅手柄控制器的设计目的就是：准确表达使用者的操纵命令，外型设计时尚且符合人机工程学、尺寸小、成本低、工业接口标准化、维护方便、故障及状态显示、灵活性强、稳定性及舒适度高等。 而我国电动轮椅研究起步较晚，目前国内生产电动轮椅的厂家主要有上海互邦、台湾康杨（德国独资）、江阴海达、金华爱司米（中美合资）等，其中可以自主研发电动轮椅控制器的厂商只有上海互邦，但其口碑较好的产品均采用英国进口控制器，其它厂商则为国外知名品牌的代工生产企业。而且，国内没有生产电动轮椅操纵杆控制器的厂家，全部需要从国外进口。因此，为满足国内市场需求，改变我国中高档电动轮椅控制器依赖于进口的局面，自主研发出高性能、低成本的电动轮椅操纵杆控制器的工作至关重要。1.3 电动轮椅操纵杆控制器的介绍 电动轮椅操纵杆控制器主要是实现完成控制信号的采集、处理及显示。此次设计，电动轮椅的驱动模式我们采用双后轮驱动，选用永磁无刷直流电动机作为驱动电机，通过操纵杆控制器及控制按键实现对无刷直流电动机的调速及转向控制。两个12V蓄电池串联作为电源，经电压转换模块将24V直流电压转换为5V直流电压，提供给单片机及其它控制芯片。电机控制模块是电动轮椅的动力来源，包括PWM脉冲处理电路、功率驱动电路及无刷直流电机。操纵杆控制器模块主要控制电动轮椅的行驶速度和方向、显示电池电量、报警、设置参数、存储数据、串行通信等。电动轮椅控制系统通过以上各个模块的相互作用，实现电动轮椅的各项功能。2 电动轮椅操纵杆控制器整体方案设计2.1 操纵杆控制器功能介绍 电动轮椅操纵杆控制器作为电动轮椅的人机接口，主要实现以下功能： （1）准确表达使用者在速度及方向方面的操作意图，输出驱动电机转速及轮 椅转向控制信号； （2）能够显示电池电量、速度档位信息； （3）操纵杆控制器具有较高的灵敏度，能够实现速度控制和方向控制的功能； （4）实现电动轮椅操纵杆控制器与电机控制器及编程器之间的通信。2.2 操纵杆控制器应用的基本原理电动轮椅操纵杆控制器控制系统主要应用操纵界面原理、稳定性分析标准、差速控制原理等，来完成对使用者操纵信号的处理，进而准确表达使用者前进、后退、左与右的控制命令。2.2.1 操纵界面原理根据霍尔效应原理，利用霍尔效应传感器，检测使用者的操纵命令。霍尔效应原理就是把一个磁场加到一个通有电流、宽度为，厚度为的导体上，在导体的两侧会产生一个电压，这就是霍尔效应，电势差称为霍尔电压，如图2.1所示。霍尔效应是由于通电导体的电荷在磁场的作用下发生偏移引起的，霍尔电势差的大小与磁感应强度的大小和电流成正比，与金属片的厚度成反比，即 （2-1）式中仅与导体材料有关，称为霍尔系数，通常表示电流为，磁场为1kG时的输出电压，单位为mV/mA/KG；为所加磁场与磁敏面垂直方向的夹角；为垂直于导体平面的磁场强度。图2.1 霍尔效应原理图 由操纵杆控制器的机械结构可知，在一定的磁场范围内，控制杆一端点距中心点的位移与霍尔传感器周围磁场的分布成比例关系： （2-2） 因此，通过霍尔效应传感器测量出垂直方向的磁场强度，就可以推导出控制杆端点距中心点的位移，将式（2-1）代入式（2-2）得： （2-3）并将式（2-3）积分后得到： （2-4） 从公式（2-4）可以看出，霍尔电压与控制杆的摆动位移成正比关系。此时，假设控制杆端点的运动轨迹在一个半球面上，应用空间直角坐标系表示如图2-2所示。已知控制杆的长度为，则端点的运动轨迹将位于一个以点为球心，半径为的半球面上，该点在平面上的投影点为，其坐标为；为控制杆与OZ轴之间的夹角，取值范围是；为点与y轴正向夹角，取值范围。则投影点在平面的投影区域为： （2-5）图2.2 操纵杆控制器实体图图2.3 操纵界面原理图 假设按键设定速度的调节范围为，同时根据霍尔效应传感器输出的电压值，确定速度取值与最大值的比例。当控制杆位于中心位置时，霍尔效应传感器输出的电压值为；当控制杆在方向，摆动到极限点时，霍尔传感器输出电压值为。则由公式（4）得两组正交分布的霍尔效应传感器的输出电压值，分别表示为： （2-6） （2-7） 假设电动轮椅左右电机的转速与控制杆输入的电压成正比，并根据霍尔电压的数值，对应于四象限平面坐标系的一点 Z，坐标为，如图所示Z图2.4 左右轮线速度四象限坐标系则点Z对应的左、右轮子的线速度值为： （2-8） （2-9） 其中，代表右轮子的转速，代表左轮子的转速，代表左右轮子的差速度。根据控制杆运动的位置，得到两个后驱动轮子的线速度。电动轮椅车的车体由两个驱动轮和两个从动轮支撑。驱动轮由24V的无刷直流电机驱动，两个12V的铅酸电池串联作为电源。图2.5是一个电动轮椅的简化模型，假设是轮椅运动的线速度，是其运动的角速度，两个驱动轮的转速分别是，是驱动轮的半径，是两驱动轮的轮距，是运动距离且满足：。所以可得出： （2-10）图2.5 电动轮椅车简化模型线速度和角速度分别为： （2-11） （2-12）设分别是电动轮椅车的左、右轮转距，则可以表达成车体平动的转距和转动的转距的线性叠加。如果，则，那么轮椅车沿直线运动，设质心所受的力为。因此有： （2-13） （2-14） 其中，是电动轮椅车的整车质量，是电动轮椅车的线性加速度。综合公式（2.5）、（2.2）则可以得出： （2-15） （2-16）如果、，轮椅做原地回转运动， ，则有： （2-17） 其中，是轮椅绕两驱动轮轴线中点垂线的转动惯量，为角加速度，把公式（2-12）代入公式（2-17）则有： （2-18）任意状态的和可由和表达如下： （2-19） （2-20）联立方程式得： （2-21） （2-22）令,公式(2-21)和(2-22)则可化为： （2-23） （2-24）理想状态下轮椅车的质量平均作用在两驱动轮上，则电动轮椅车的转动惯量： （2-25）所以： （2-26）左右驱动轮的转矩可以写成： （2-27）2.2.2 电动轮椅运动分析图2.6是电动轮椅运动分析的俯视图，A、B表示两驱动轮，C、D表示两从动轮。电动轮椅的运动轨迹可认为是一段圆弧，轮椅车通过两个驱动轮角速度的速差实现转向。假设图2.6中轮椅车左右驱动轮的角速度分别为，且，改变和的比值，轮椅的转弯半径可从0变化到。图2.6 电动轮椅运动分析俯视图加企鹅：一零三七七七四六五二，高质量CAD图纸（装配图、零件图），开题报告、周志等。整个轮椅车系统（包括驾驶者）的质量用M表示。首先假设质心M与两个驱动轮A和B轴线的中心一致。驱动轮之间的距离为2a，是质心运动的线速度，驱动轮A和B的线速度分别表示为，可以认为是绕着一个固定轴做角速度为的瞬时旋转运动，该固定轴垂直于运动平面并通过瞬心。图2.7 坐标系和原理图设电动轮椅车在水平面内做纯滚动。为右手正交坐标系，其平面固定在电动轮椅车运动平面上，坐标原点与轮椅车的运动瞬心重合，坐标轴垂直于水平面；另一个右手正交坐标系固定在电动轮椅车上，坐标轴穿过两驱动轮A和B的中心 E 和质心M，坐标原点在坐标轴上，坐标轴与运动平面之间的距离为r，即车轮半径。电动轮椅车各点在运动平面上的正交投影如图2.7所示，其中分别表示驱动轮A、B与惰性轮C、D与地面的接触点是和之间的夹角。E点在运动平面上的投影为，是质心在运动平面上的投影，由电动轮椅车结构的几何对称关系可知，和之间的夹角也是。图2.8 电动轮椅车各点在运动平面上的投影当系统运行时，如果外侧轮子所受的向心力力矩正好等于离心力力矩，则系统处于临界稳定状态。假设电动轮椅按图2.8所示方向转弯，则系统处于临界稳定状态时，应满足 （2-28） （2-29） （2-30） （2-31） 其中，表示重力的力矩，代表离心力的力矩，为整个系统的质量，为轮椅的运行的角速度，为轮椅的转动半径。整理得系统临界稳定时应满足 （2-32）因此，当电动轮椅系统稳定时，应满足 （2-33）同时可以计算出轮椅的转动半径，假设轮椅运动时外测的驱动轮角速度是，内侧驱动轮角速度为。 （2-34） 2.2.3 差速转向方程的构建基于对电动轮椅的运动学建模与动力学分析，假定其驱动车轮相对于地面只做纯滚动，即每瞬时与地面接触点的速度都等于零，如图2.8，则有： （2-35）其中：为轮椅车驱动轮半径；为轮椅车左驱动轮线速度和角速度；为轮椅车右驱动轮线速度和角速度。可得轮椅车车体中心的瞬时线速度与横摆角速度为： （2-36） （2-37）其中：为驱动轮的轮距。令电动轮椅的转弯半径为，则有： （2-38）由此，就可以得出： （2-39）图2.9 电动轮椅车转向运动状态由此，电动轮椅的运动具有下面三种情形： 当即左右轮的转速和方向相同，电动轮椅车体质心的线速度，横摆角速度，转弯半径，这时电动轮椅做直线运动； 当即左右轮的转速相同，但是方向相反，电动轮椅车体质心的线速度 ，横摆角速度，转弯半径，这时电动轮椅绕其质心转动，即电动轮椅实现原地转弯； 当时，车体的质心线速度，角速度，转弯半径，这时电动轮椅围绕一固定点做半径为的转动。上面分析可以看出，通过拨动操纵手柄控制电动轮椅左右两个驱动轮的转速，可实现电动轮椅的全方位转向。本文应用差速控制算法对操纵信号进行处理，进而保证操纵杆控制器输出的控制信号的正确性，提高电动轮椅的稳定性。2.3 操纵杆控制器整体设计方案2.3.1 整体方案的确定I/OI/OI/OI/OIIC0UART6电源模块显示模块按键模块EEPROM信号采集模块电源模块驱动模块+5V+24VLIN总线 图2.10 操纵杆控制器控制系统框图 本文以单片机为核心控制芯片，完成电源模块、通信模块、驱动模块、显示模块、按键模块、EEPROM数据存储、信号采集模块等设计，主要用到的I/O端口包括：（1）单片机的ANI0、ANI1、ANI2、ANI3、ANI4接口用于霍尔信号的采集；（2）P00口及P01口输出触发信号，分别控制晶体管，产生+3V电压、蜂鸣器；（3）P15口、UART6串行接口、INTP0外部中断及TI000定时器用于LIN通信；（4）外部中断INTP1用于实现开关功能；INTP2、INTP3用于加/减按键中断；INTP4用于蜂鸣器中断；（5）串行接口IIC0用于实现存储器的写入及读取；（6）P63、P70P73、P11、P12接口输出显示部分触发信号。 2.3.2 微控制器选型 电动轮椅手柄控制器主要采用NEC系列单片机作为主控芯片，随着操纵杆控制器功能的不断增多，如增加了LIN通信、多按键控制，由于达不到需求标准一些单片机被淘汰。另外，国外有些厂家采用DSP作为主控制器，实现电机控制与操纵杆控制器控制的功能，但系统耦合性强，不便于操纵杆控制器自身的故障检测、在线调试和系统升级。因此，知名单片机的生产厂家就综合各种设备上操纵杆控制器的设计要求，生产出专门应用于操纵杆控制器设计的单片机，从根本上提高了操纵杆控制器的性能，所以NEC系列单片机倍受关注。 NEC单片机品种多样，它具有单片化、功能强大、性能可靠、低功耗、电源电压允许波动范围宽（大部分在1.85.5V以上）的特点。主要有78K0、78K0S等8位机系列，K1、K2、K3和K4等16位机系列，V850、V853等32位机系列。其中，8位机系列单片机以其较高的性价比而被大量使用；32位单片机则主要应用于数据处理量大、计算精度高的场合。NEC公司的78K0系列单片机使用原则可参考8051单片机。本文采用系列中的单片机为操纵杆控制器核心控制芯片，其主要优点是：（1） 指令最短执行时间可以在高速(: 高速系统时钟的操作频率是20MHz) 和超低速(: 副系统时钟的操作频率是32.768kHz)之间改变（2）通用寄存器: 8位32个寄存器(8位8个寄存器4组)（3）程序存储器(ROM)32KB；数据存储器（内部高速RAM1K）（4）内置单电源Flash存储器（5）自编程(具有启动交换功能)（6）片上调试功能(仅用于和 )（7）内置上电清零(POC) 电路和低电压检测器(LVI)（8）内置看门狗定时器(使用内置的内部低速振荡时钟进行操作)（9）内置乘法器/除法器(16位16位, 32位16位)（10）内置按键中断功能（11）内置时钟输出控制器（12）I/O 端口： 38 引脚产品: 31 (含N沟开漏: 4) 44 引脚产品: 37 (含N沟开漏: 4) 48 引脚产品: 41 (含N沟开漏: 4) 此次选用的是44引脚。（13）定时器: 7通道 16位定时器/事件计数器:1通道;8位定时器/事件计数器: 2通道;8位定时器:2通道；钟表定时器:1通道;看门狗定时器:1通道（14）串行接口:3通道 UART支持LIN(本地互联网络)-总线:1通道 CSI/UART注:1通道 I2C:1通道（15）10位分辨率A/D 转换(AVREF=2.3到5.5V):8通道（16）电源电压 标准产品, (A) 级别产品: (A2)级别产品:（17）工作环境温度 标准产品, (A1) 级别产品: (A2) 级别产品:(18) 具有片上调试功能.3 操纵信号采集设计采用霍尔效应传感器采集操纵信号，输出电动轮椅左右驱动电机的速度控制值，从而驱动轮椅做直行、转弯、原地回转动作。本文采用电磁感应式操纵杆控制器，其主要芯片是霍尔效应传感器。霍尔效应传感器如图3-1所示。其结构简单，体积小，频率响应宽，寿命长，无触点，价格便宜，可在各种与磁场有关的场合中使用。图3.1 霍尔效应传感器外形图3.1 霍尔效应传感器分类及特性 霍尔效应传感器是将霍尔元件、运算放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块的芯片。 （1）按材料分类霍尔效应传感器主要由GaAs（砷化镓），InSb（锑化铟）两种半导体材料制成。这两种霍尔效应传感器的特点如表3-1所示。表3-1 两种霍尔效应传感器的特性比较GaAs霍尔效应传感器InSb霍尔效应传感器输出电压的温度系数小输出电压温度系数大磁场线性度好磁场线性度一般灵敏度低灵敏度高不平衡电压稳定性差不平衡电压稳定性好信噪比较低噪声小、信噪比高频率特性好，带宽为MHz频率特性较差，带宽为KHz输出电压较小输出电压较大GaAs型霍尔效应传感器主要应用于高磁场强度，以及对精度、带宽、频率等特性要求较高的场合，输出电压温度系数小，磁场线性度好；InSb霍尔效应传感器在用于低磁场强度测量时，往往表现出良好的特性，其信噪比和灵敏度高，但无法进行高频测量的场合。（2）按输出特性分类霍尔效应传感器主要分为线性型霍尔效应传感器和开关型霍尔效应传感器，分别具有线性特性和开关特性。图3-2所示为线性特征，特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度B成线性关系，被广泛应用于磁场检测、直流无刷电动机等场合。图3-3所示为开关特性，特点是输出电压的高低电平转变所对应的磁感应强度值不同，形成切换差（回差），其中为工作点“开”的磁感应强度，为释放点“关”的磁感应强度。OO 图3.2 霍尔效应传感器的线性特性 图3