盧茹

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東廣州，510450）

0 引言

電動(dòng)輪椅是一種以蓄電池為能源、通過電子控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使用者可通過控制裝置自行驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)，適用于下肢功能障礙的傷殘人事使用，是一種比較理想的代步工具。

1 電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)硬件部分由電源模塊、電量檢測(cè)模塊、基準(zhǔn)電壓模塊、OLED顯示模塊、按鍵及搖桿模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成，電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)硬件框圖，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)硬件框圖

■1.1 電源模塊

電源模塊采用LM2596穩(wěn)壓電路，由24V鉛酸蓄電池提供輸入電源，電源有S1開關(guān)控制，24V電源通過LM2596-12.0穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓輸出12V電源，再通過LM2596-3.3V穩(wěn)壓電路輸出3.3V電源，為ATxmega64A3單片機(jī)提供工作電源，該穩(wěn)壓電路可輸出最大電流為3A，輸入最高電壓為40V。由D1發(fā)光二極管顯示3.3V電源狀態(tài)。電源模塊電路圖，如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

圖3 OLED顯示模塊電路圖

■1.2 OLED顯示模塊

顯示模塊采用1.3寸OLED顯示屏，分辨率為128×64，OLED顯示屏超低功耗，正常顯示時(shí)只有0.04W，控制簡(jiǎn)單，可通過SPI或I2C控制，該顯示模塊采用SPI控制， 與ATxmega64A3單片機(jī)連接只需5個(gè)I/O口，亮度和對(duì)比度可通過程序指令控制。使用壽命長(zhǎng)，不少于16000小時(shí)。

顯示模塊用于顯示電動(dòng)輪椅的工作狀態(tài)，包含電池電量狀態(tài)、輪椅行進(jìn)的速度選擇高速或低速狀態(tài)、輪椅行進(jìn)的方向信息前進(jìn)或倒退狀態(tài)等。同時(shí)各參數(shù)設(shè)置的信息，用于人機(jī)交互顯示，包含屏幕亮度和對(duì)比度設(shè)置信息、電量低報(bào)警值設(shè)置等。

■1.3 電量檢測(cè)模塊

鉛酸蓄電池的開路電壓和荷電量是有對(duì)應(yīng)關(guān)系是線性，因此可通過檢測(cè)蓄電池開路電壓來檢測(cè)蓄電池電量，電量檢測(cè)采用ATxmega64A3單片機(jī)自帶AD轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)蓄電池的電壓，由于蓄電池的電壓為24V，而AD轉(zhuǎn)換器輸入最大電壓為3.3V，采用R11和R12高精度電阻，對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行分壓，再通過AD轉(zhuǎn)換器檢測(cè)蓄電池電壓，為保證AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，采用TL431為AD轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓，電量檢測(cè)的結(jié)果通過OLED顯示屏顯示蓄電池電量，當(dāng)電量低于設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，報(bào)警顯示“電量低，請(qǐng)充電！”，提示用戶盡快充電。電量檢測(cè)電路，如圖4所示。

圖4 電量檢測(cè)電路圖

■1.4 按鍵及搖桿模塊

控制系統(tǒng)由1個(gè)急停開關(guān)、7個(gè)按鍵和1個(gè)十字搖桿組成電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制和系統(tǒng)設(shè)置。S2為急停開關(guān)，用于緊急情況下停止，系統(tǒng)上電或急停后需按下S3啟動(dòng)按鍵，啟動(dòng)控制系統(tǒng)電動(dòng)輪椅才可以正常工作，同時(shí)OLED顯示屏顯示“正常運(yùn)行”。

控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，可通過S5高速或S6低速按鍵，選擇電動(dòng)輪椅的行進(jìn)速度，默認(rèn)為低速狀態(tài)，只有按下S4使能按鍵，推動(dòng)十字搖桿可控制電動(dòng)輪椅的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，當(dāng)松開S4使能按鍵，電動(dòng)輪椅自動(dòng)停止，當(dāng)電動(dòng)輪椅在高速前進(jìn)時(shí)，切換為后退時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換為低速模式。十字搖桿X軸和Y軸分別連接2個(gè)10k電位器，通過推動(dòng)十字搖桿，來改變電位器位置，同時(shí)改變ADC1和ADC2輸出的電壓值，通過ATxmega64A3單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，計(jì)算搖桿的狀態(tài)，從而控制電機(jī)的運(yùn)行方向和速度。按鍵及搖桿模塊電路圖，如圖5所示。

圖5 按鍵及搖桿模塊電路圖

■1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

BTN8982是一個(gè)完全集成的大電流的半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用兩個(gè)BTN8982芯片組成全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用四個(gè)BTN8982芯片組成兩個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路，分別控制輪椅的左右電機(jī)，實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)控制。ATxmega64A3單片機(jī)通過6個(gè)控制信號(hào)通過74HC244對(duì)8982進(jìn)行控制，M1+和M1-用于控制左電機(jī)正反轉(zhuǎn)，M1_PWM用于控制左電機(jī)的轉(zhuǎn)速，M2+和M2-用于控制右電機(jī)正反轉(zhuǎn)，M2_PWM用于控制右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)左右電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和無級(jí)調(diào)速。其中74HC244起隔離作用，用于隔離驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖，如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)主要包括電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制程序、按鍵及搖桿程序和OLED顯示程序。

電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制程序：系統(tǒng)上電后，急停復(fù)位狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鍵，系統(tǒng)啟動(dòng)，此時(shí)可根據(jù)需求選高速或低速運(yùn)行狀態(tài)，按下使能按鍵，推動(dòng)搖桿，電動(dòng)輪椅搖桿控制運(yùn)動(dòng)，松開使能按鍵或按下急停開關(guān)，電動(dòng)輪椅自動(dòng)停止。

OLED顯示程序：系統(tǒng)上電后，顯示電池電量，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的各運(yùn)行狀態(tài)顯示相應(yīng)信息，同時(shí)輪椅在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，可根據(jù)按鍵操作，設(shè)置系統(tǒng)的相應(yīng)信息。電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)程序流程圖，如圖7所示。

圖7 綠基色信號(hào)波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制為背景，根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行，技術(shù)達(dá)到預(yù)期要求。本文論述了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理以及硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際應(yīng)用中，基于BTN8982的特點(diǎn)，使輪椅的運(yùn)動(dòng)控制更加穩(wěn)定和靈活。給殘疾人的生活帶來方便。