侯凡博 王賽麗 姬鵬飛 張一博
摘要:本文以智能足浴器為研究對象,前期充分調(diào)查研究了目前市場上的智能足浴器,分析了現(xiàn)有產(chǎn)品的功能組成,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在市面上的智能足浴器大部分都是一種以電動滾輪技術(shù)為核心,實現(xiàn)多角度立體按摩,將按摩器與足浴盆合二為一,本文在此基礎(chǔ)上采用STM32作為控制核心,外部電路采用模塊化設(shè)計,實現(xiàn)自動加水、自動燒水、自動導(dǎo)航、智能保溫、自動清潔、智能充電等功能;使人不需要自己再去燒水、泡完之后再去倒水等工作,解放了人力。整個項目立足于養(yǎng)生保健,解放人力,最終目的是針對現(xiàn)有的智能足浴器自身原理設(shè)計上的不足,采用更智能的方式給家庭用戶帶來更優(yōu)質(zhì)的服務(wù),實現(xiàn)康復(fù)醫(yī)療家居智能化。
關(guān)鍵詞:智能足浴器;STM32;康復(fù)醫(yī)療家居智能化
中圖分類號:TP368.1;TS914.254文獻標識碼:A文章編號:1672-9129(2020)14-0084-02
引言:本項目立足于養(yǎng)生保健,解放人力,給家庭用戶帶來優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。通過長期的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),泡腳可促進新陳代謝,加強體內(nèi)循環(huán),輸送血液至足部末梢,可減少高血壓、心臟病及中風(fēng)等高危險疾病的發(fā)生,針對老年人而言,經(jīng)常泡腳,按摩腳可以起到延年益壽的效果。但是考慮到老人的子女工作繁忙,可能沒有那么多的時間去完成燒水倒水等一系列復(fù)雜的工作,且對于腿腳行動不便的老人來說完成上述工作也有難度和風(fēng)險,針對這種情況,依托于我市康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、創(chuàng)新化發(fā)展趨勢,本文設(shè)計一款適用于老年人的智能養(yǎng)老設(shè)備-智能足浴器。本產(chǎn)品適用于大多數(shù)有老人的家庭,定位消費人群是白領(lǐng)家庭、中產(chǎn)階級家庭以及獨居老人,在項目的后期進行相關(guān)專利的申請并將逐步走向市場。
本系統(tǒng)采用STM32作為控制器,采用模塊化思想設(shè)計外圍硬件電路。硬件電路包括單片機最小系統(tǒng),輸入電源電路,充電控制電路,水閥開度控制電路,避障電路和電機驅(qū)動電路等[1]。軟件設(shè)計采用C程序?qū)崿F(xiàn),可以基站自動加熱和盆體自動尋人等功能。
1總體設(shè)計方案
本系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片,由基站,盆體,無線通信,手機APP四部分組成。無線通信由紅外和藍牙組成,紅外遙控對盆體小車方向進行角度方向校正,手動APP采用藍牙進行控制;基站由電源適配器、鋰電充電器、水閥、繼電器、清洗噴頭、控制器、紅外發(fā)送模塊、紅外接收模塊;盆體由減速電機,電機驅(qū)動模塊,紅外避障模塊,鋰電池組,繼電器,水閥,加熱管,溫度傳感器,液位傳感器,紅外發(fā)送,紅外接收,超聲波,控制器組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如1所示。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計方案,所設(shè)計的硬件電路系統(tǒng)分為基站系統(tǒng)和盆體系統(tǒng)?;居?2-3.3V電源電路,STM32最小系統(tǒng),充電控制電路和水閥開度控制電路和紅外接收電路組成組成。盆體電路除單片機控制電路以外,還包括紅外避障和超聲波傳感器接口電路和直流電機驅(qū)動電路組成[2]。其中不論基站還是盆體系統(tǒng),主控芯片均選擇STM32,該芯片外圍電路簡單,功能多,能滿足本設(shè)計的需要。
2.1基站電路設(shè)計。基站由12-3.3V電源電路,STM32最小系統(tǒng),充電控制電路和水閥開度控制電路和紅外接收電路組成組成,原理圖如圖2所示。電源電路方面,STM32F103處理器的穩(wěn)定工作電壓為3.3V,減速電機的工作電壓為12V,因此選用XL1509降壓芯片。XL1509具有寬的電壓輸入范圍4.5-40伏,輸出范圍可調(diào)。該電源芯片驅(qū)動能力強,擁有很好的線性能力。外部采用12V供電方便直流減速電機工作,C11是輸入端的去耦電容,去除輸入電壓處的雜波,電感用于平滑電流,二極管的作用是在切斷電源時做續(xù)流二極管用防止電感產(chǎn)生很高的反向電動勢,輸出端330uf和1uf用于濾除高頻和低頻干擾信號。充電控制電路和水閥開度控制電路通過控制繼電器通斷實現(xiàn)鋰電充電器,電磁水閥的通斷控制。
2.2盆體電路設(shè)計。盆體電路除單片機控制電路以外,還包括紅外避障和超聲波傳感器接口電路和直流電機驅(qū)動電路組成,原理圖如圖3所示。運動執(zhí)行機構(gòu)采用減速電機實現(xiàn)。減速電機由齒輪組和直流電機組成。減速電機的優(yōu)點是效率高,可靠性高,使用壽命長,易于維護和廣泛使用。與步進電機相比,減速電機更是有價格優(yōu)惠和扭矩大的特點,固本設(shè)計選用的減速電機轉(zhuǎn)速為50r/min。
單片機不能直接驅(qū)動減速電機,需要采用驅(qū)動電機的專用集成電路L298N。L298N由4個三極管組成H橋電路。L298N芯片的輸出電流可達到為2A,最高電流也可達到4A,最高工作電壓為50V,可直接驅(qū)動大功率直流電機、步進電機、電磁閥等感性負載,輸入端可直接與單片機輸出IO相連接,因此適用于本設(shè)計通過單片機來直接控制[3]。L298N芯片可驅(qū)動兩臺兩相電機,最大輸出電壓可高達50V,輸出電壓可通過改變輸入電源大小直接調(diào)節(jié),信號可由單片機的IO口直接提供,電路簡單易用。如果要對直流電機做PWM調(diào)速輸出,需設(shè)置IN1和IN2,確定電機的轉(zhuǎn)動方向,然后對使能端EN輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖,即可實現(xiàn)調(diào)速[4]。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1基站自動加熱工作流程設(shè)計。當人按下無線遙控之后,盆體收到無線信號開始向基站發(fā)送紅外信號,基站收到紅外信號,然后開始向盆體加水,加到盆體水位線感應(yīng)到之后再給基站發(fā)送紅外信號停止加水,同時盆體加熱管開始加熱。工作流程圖如圖4所示。
3.2盆體自動尋人程序設(shè)計。當加熱完畢之后,用戶在客戶端發(fā)送紅外信號,車體開始判斷當前位置,若是在房間內(nèi)則開始尋找門,確定門的方向,行走到房間外,尋找一次紅外信號,若是在房間外,則尋墻并沿墻行走,遇門之后開始在遇到的這個房間里尋找紅外信號,如果有信號就進入當前房間,如果沒有就繼續(xù)尋找下一個房間。同時盆體在行走的過程中也會不斷收集紅外信號,如果出現(xiàn)紅外信號則會確定信號方向向信號前進,直到尋找到人,流程圖如圖5所示。
4現(xiàn)場運行分析
為了驗證系統(tǒng)的可行性和合理性,在房屋室內(nèi)列進行了運行試驗。運行調(diào)試結(jié)果表明,本文所設(shè)計的智能足浴器能夠?qū)崿F(xiàn)自動加水加熱倒水清潔和自動尋人等功能,使用起來操作簡單,效果令人滿意。同時,機器人可在基站完成充電工作,整體待機續(xù)航能力強。整體樣機如圖6所示。
5結(jié)論
本文設(shè)計了一種基于STM32的智能足浴器,本設(shè)計在傳統(tǒng)都是一種以電動滾輪技術(shù)為核心,實現(xiàn)多角度立體按摩技術(shù)的前提下,又加入了自動加水、自動燒水、自動導(dǎo)航、智能保溫、自動清潔、智能充電等功能;使人不需要自己再去燒水、泡完之后再去倒水等,解放了人力,適合現(xiàn)代人的快節(jié)湊生活和行動不便的老人使用。
參考文獻:
[1]王利全,陳志平,施滸立.基于51單片機的空氣壓縮機控制器[J].機電工程,2007(06):58-60.
[2]劉強. 競賽用吸塵機器人電路的研究和設(shè)計[A]. 湖北機械工程學(xué)會機械設(shè)計與傳動專業(yè)委員會.武漢機械設(shè)計與傳動學(xué)會第21屆學(xué)術(shù)年會論文集
[3]王瑩瑩,劉玉東,孫冬凱.基于FPGA的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].電子制作,2020(16):26-27.
[4]王燦. 水下航行體姿態(tài)控制力矩陀螺群的控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].華中科技大學(xué),2015.