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.