基于單片機(jī)PIC16F74的電動按摩椅的研制

本文介紹了一款采用PIC16F74單片機(jī)作為微處理芯片的電動按摩椅控制系統(tǒng)，具體包括有系統(tǒng)的組成和功能介紹、硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件功能實(shí)現(xiàn)以及抗干擾措施。

1、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，按摩椅等保健產(chǎn)品越來越受到歡迎。目前，在電動按摩椅市場上，進(jìn)口、合資以及國產(chǎn)產(chǎn)品并存。相對而言，進(jìn)口產(chǎn)品功能強(qiáng)大、按摩方式豐富、外觀優(yōu)美，但同時其價格也非常昂貴。而國內(nèi)產(chǎn)品功能較簡單，產(chǎn)品知名度也相對較低，但是其價格比較低廉。本文主要介紹了一款自主研發(fā)的中檔電動按摩椅。該產(chǎn)品既有功能比較強(qiáng)大、按摩方式比較豐富、結(jié)構(gòu)簡單、外觀優(yōu)美、控制方式簡單靈活，產(chǎn)品容易升級的特點(diǎn)，同時其價格卻只有國外同等產(chǎn)品的一半。

2、按摩椅系統(tǒng)的組成、工作原理及其功能實(shí)現(xiàn)

2.1、系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)主要分為兩個部分，即背部按摩區(qū)域和臀部、下肢按摩區(qū)域。

背部按摩區(qū)域的機(jī)構(gòu)主要有：系統(tǒng)控制電路板、電動機(jī)、絲桿及其潤滑裝置、S形滑動槽、按摩頭功能盒等。同時根據(jù)人體結(jié)構(gòu)又將背部整個區(qū)域劃分為頸部、中部、腰部以及尾椎四個按摩區(qū)間。而臀部、下肢按摩區(qū)域的機(jī)構(gòu)主要有12個
按摩氣囊及其實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。此外系統(tǒng)主要還有手控面板，紅外線探測系統(tǒng)，靠背、小腿架處的電動推桿等。

2.2、系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)

由于PIC單片機(jī)具有成本低，功能豐富，控制方式簡單等優(yōu)勢，因此系統(tǒng)采用PIC16F74單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自動和手動兩種運(yùn)行模式。在自動模式下，按摩模式主要有：快速消除疲勞模式、休閑模式、睡眠模式以及適合于老人使用的輕柔模式等。而在手動方式下，可以啟停任意電機(jī)和按摩氣囊。并可根據(jù)實(shí)際情況，選擇需要的按摩力度、寬窄和氣囊按摩壓力。系統(tǒng)所有的按摩功能均具有三檔速度調(diào)節(jié)。

背部機(jī)構(gòu)根據(jù)人體的背部生理曲線科學(xué)地設(shè)計(jì)為S形結(jié)構(gòu)。其背部機(jī)構(gòu)的主要功能有：推拿、揉捏、捶打及指壓。其中推拿、揉捏、捶打及指壓功能分別由三臺電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動實(shí)現(xiàn)。按摩頭功能盒可以上下運(yùn)行，并可選擇全程、局部以及定點(diǎn)進(jìn)行按摩。而在臀部和下肢區(qū)域，可以通過控制氣囊的收放起伏律動以及氣囊的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)按摩。

此外還可以根據(jù)個人的喜好控制靠背、小腿架的電動推桿，調(diào)整靠背和小腿架的傾斜角度，從而提高按摩舒適度。

2.3、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1、硬件實(shí)現(xiàn)

該按摩椅控制系統(tǒng)中的主要硬件為PIC16F74微處理器。供電電源為＋5V，輸入和輸出可以是模擬（量）信號，也可以是開關(guān)（量）信號。本控制系統(tǒng)采用的是PIC16F74開關(guān)量的輸入和輸出來進(jìn)行控制的。

系統(tǒng)首先通過紅外線探測裝置獲得按摩對象的身高和形體參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)傳遞給系統(tǒng)主程序，然后根據(jù)人體穴位的分布原理，驅(qū)動按摩機(jī)構(gòu)進(jìn)行按摩。

系統(tǒng)中的背部行程及揉捏電機(jī)在運(yùn)行時經(jīng)常需要換向，其正反轉(zhuǎn)功能采用互鎖電路驅(qū)動兩個繼電器交替工作來實(shí)現(xiàn)，并且電路在任何時候最多只有一只繼電器工作，這樣可以十分有效的避免同一繼電器在較長時間使用后，由于其換向后接觸不良而導(dǎo)致的電路短路情況，從而可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，顯著地延長產(chǎn)品的使用壽命。

2.3.2、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

為了充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)按摩方式、力度及其寬窄的合理組合，本系統(tǒng)軟件共設(shè)計(jì)為三層：電機(jī)驅(qū)動層，功能驅(qū)動層，用戶界面。其中：電機(jī)驅(qū)動層負(fù)責(zé)對硬件的驅(qū)動，即起停、強(qiáng)弱以及寬窄的驅(qū)動；功能驅(qū)動層負(fù)責(zé)對所有功能的按優(yōu)先級仲裁，對低級功能進(jìn)行保護(hù)或清除，并與其他模塊的功能層交互等；而用戶界面則負(fù)責(zé)接收用戶的按鍵輸入。其原理如圖1所示。

系統(tǒng)的控制程序流程圖如圖2所示

系統(tǒng)上電后，CPU開始對整個鍵盤進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描到某鍵按下后進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r消抖，再次確認(rèn)按鍵有效后即啟動相應(yīng)按鍵的服務(wù)子程序，然后進(jìn)行過零檢測，通過控制可控硅來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制。同時將電機(jī)的速度狀態(tài)顯示于LCD中。

本系統(tǒng)軟件主要解決了以下幾個重要的問題：

2.3.2.1、過零檢測

系統(tǒng)利用特定的硬件電路對市電進(jìn)行整流后得到半波信號，然后從RA4引腳輸入同步信號。系統(tǒng)巧妙的利用了硬件的特性，當(dāng)對T0進(jìn)行初始值設(shè)定后，然后通過外部信號來觸發(fā)定時器T0的翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)精確的過零檢測。然后根據(jù)過零檢測可以控制可控硅來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電壓的準(zhǔn)確控制。這樣可以十分有效地避免通過軟件進(jìn)行過零檢測時帶來的誤差，并由此引起的電機(jī)電壓控制不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定以及整個系統(tǒng)運(yùn)行的不可靠。

2.3.2.2、按摩區(qū)間劃分

當(dāng)紅外線探測裝置探測到按摩對象的相應(yīng)參數(shù)后，程序根據(jù)此結(jié)果將整個按摩區(qū)域劃分為頸部、中部、腰部以及尾椎四個區(qū)間。并按人體生理原理對各個區(qū)間采用不同的按摩方式及其按摩力度和寬窄的變化組合，從而提高按摩舒適度。


2.3.2.3、脈沖計(jì)數(shù)

程序采用CCP模塊（即捕獲、比較、脈沖寬度調(diào)制模塊）中的捕獲功能來實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)按摩頭功能盒在區(qū)間內(nèi)的運(yùn)動控制。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)值偶爾會存在誤差。通過采取以下改進(jìn)措施后：即當(dāng)CCP捕捉到第一個脈沖后便立即關(guān)閉CCP，同時啟動定時器并延時一定的時間后再重新啟動CCP繼續(xù)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。經(jīng)過較長時間的實(shí)驗(yàn)測定以及用戶反饋的情況，確定采用CCP實(shí)現(xiàn)的脈沖計(jì)數(shù)已經(jīng)十分準(zhǔn)確，完全達(dá)到了系統(tǒng)的控制精度要求。

2.3.2.4、行程控制

行程電機(jī)具有硬件保護(hù)電路，在行程的首尾安裝有限位開關(guān)，當(dāng)功能盒碰到限位開關(guān)后，由行程開關(guān)切斷行程電機(jī)的供電，并且引起引腳RB5和RB4的電平變化。因此程序可以通過檢測引腳RB5和RB4的電平變化來控制電機(jī)的換向。但由于行程開關(guān)在使用較長時間后可能會出現(xiàn)功能失效的情況，這時即使功能盒觸碰上下行程開關(guān)，也不會引起引腳RB5或RB4的電平變化，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，程序由于沒有檢測到換向信號而控制電機(jī)繼續(xù)向同一方向運(yùn)行，直到頂死在絲桿的極限位置。

為了避免產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)這種情況，在
控制行程電機(jī)換向的程序中，增加了按行程計(jì)數(shù)值來控制電機(jī)換向的功能：選定下行程極限位作為計(jì)數(shù)基點(diǎn)，行程電機(jī)啟動后便開始進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并在上下行方向分別采用增減計(jì)數(shù)值的方法，當(dāng)行程計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定的極限值時便進(jìn)行換向，而當(dāng)功能盒每次重新到達(dá)計(jì)數(shù)基點(diǎn)時再對計(jì)數(shù)值進(jìn)行清零。

通過采用根據(jù)行程計(jì)數(shù)值來控制電機(jī)換向后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及用戶反饋的情況來看，采取以上措施后，可以顯著的提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了產(chǎn)品的使用壽命。

3、系統(tǒng)抗干擾措施

為了保證系統(tǒng)的正常工作，在設(shè)計(jì)時采用了以下一些抗干擾措施：在硬件方面，由于系統(tǒng)對電源要求較高，因此在設(shè)計(jì)電源時采用了多級穩(wěn)壓性能較好的7805模塊；又由于本系統(tǒng)中單片機(jī)的輸入信號是開關(guān)量，因此在每一極輸入電路的輸入端增加了一極阻容濾波以防止干擾；而且系統(tǒng)采用了復(fù)位功能以防止程序進(jìn)入死循環(huán)。此外在軟件方面也采取了一些抗干擾措施，比如在電機(jī)換向時采用了一定的延時以保護(hù)電機(jī)，當(dāng)CCP捕捉到有效脈沖信號后，關(guān)閉CCP并延時一定的時間后再重新啟動CCP，以減少捕捉誤脈沖等等。

4、結(jié) 論

系統(tǒng)采用PIC16F74單片機(jī)作為微處理芯片，實(shí)現(xiàn)對電動按摩椅的控制。通過在硬件電路中增加必要的互鎖電路，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并利用系統(tǒng)硬件特性實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的過零檢測，從而為電機(jī)電壓的準(zhǔn)確控制和穩(wěn)定調(diào)整提供了良好的前提條件；在軟件中，增加了按行程計(jì)數(shù)值進(jìn)行換向控制，以及采用中斷方式實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制等。通過采用以上一些措施后，不但降低了控制部分的制造成本，而且縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

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