基于單片機(jī)的電動(dòng)輪椅用手柄控制器設(shè)計(jì)(共26頁)_第1頁
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文檔簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論文題目: 學(xué) 生: 指導(dǎo)教師: 專 業(yè): 班 級(jí): 2016年 5 月基于單片機(jī)的電動(dòng)輪椅用手柄控制器設(shè)計(jì)摘 要 隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展,殘障人士的生活質(zhì)量越來越受到人們的關(guān)注,因此用于疾病護(hù)理與康復(fù)方面的輔助器械就應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)輪椅是一種理想 的代步工具,在社會(huì)上的需求量大,因此具有較高的研究價(jià)值。本次設(shè)計(jì)采用雙后輪驅(qū)動(dòng)模式,選用NEC公司生產(chǎn)的78K0系列單片機(jī)作為主控芯片。 首先,介紹了電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀,并概述了電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的相關(guān)技術(shù)。 其次,介紹了電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的基本原理,并作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案

2、。 第三,分析霍爾效應(yīng)傳感器的特性,本文選擇了InSb線性霍爾效應(yīng)傳感器。 并采用恒壓控制方式,設(shè)計(jì)完成了操縱信號(hào)采集電路。 然后,以NEC單片機(jī)為主控制芯片,完成手柄控制器的硬件電路設(shè)計(jì)包括 顯示、按鍵、電源轉(zhuǎn)換及主控制器電路等。最后,選擇LIN總線協(xié)議作為操縱桿控制器系統(tǒng)的通信協(xié)議,編寫程序?qū)崿F(xiàn)電路 對(duì)蜂鳴器的控制、電池電量的顯示、速度檔位的顯示、以及對(duì)電機(jī)的控制。 關(guān)鍵詞:電動(dòng)輪椅;手柄控制器;單片機(jī);霍爾效應(yīng)傳感器Based on single chip microcomputer design of the handle controller of electric wheelcha

3、ir Abstract With the progress and development of society, the quality of life of people with disabilities more and more people's 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

4、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

5、 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 manipulati

6、on 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

7、 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 sensor目 錄基于單片機(jī)的電動(dòng)輪椅用手柄控制器設(shè)計(jì)1 緒論1.1 課題背景及意義 隨著文明和科技的進(jìn)步發(fā)展,人們憑借汽車、地鐵、飛機(jī)等交通運(yùn)輸工具,人們的活動(dòng)能力和范圍已經(jīng)大大提高。越來

8、越多的殘障人士想回歸社會(huì),進(jìn)行日常的學(xué)習(xí)、工作和生活。 電動(dòng)輪椅是一種以電池作為能源,通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的代步工具,適合下肢殘疾和行走不便的人使用,相比于手動(dòng)輪椅,活動(dòng)范圍廣,適用人群多,功能強(qiáng)大。眾所周知我國是世界上人口最多的國家,老齡化和殘疾是我們不得不面對(duì)的重大問題,這類特殊群體承受著生活和心理上的巨大壓力,在失去了維持正常生活的能力后,他們有許多的問題需要面對(duì)。而通過輪椅可以幫助他們恢復(fù)行動(dòng)的能力,在心理和生理上給予他們一定的動(dòng)力,也給了他們重新開始的機(jī)會(huì)。然而國內(nèi)目前生產(chǎn)的電動(dòng)輪椅產(chǎn)品仍處于初級(jí)階段,其控制器幾乎需要從國外進(jìn)口,導(dǎo)致國內(nèi)生產(chǎn)的此類產(chǎn)品價(jià)格居高不下。操縱桿控制器作為電動(dòng)輪椅

9、的重要組成部分,是使用者與電動(dòng)輪椅主體之間的橋梁。使用者通過控制操縱桿控制器,表達(dá)操作意圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪椅行駛速度和方向的控制。因此,操縱桿控制器性能的好壞,將直接影響電動(dòng)輪椅的操作。 綜上所述,操縱桿控制器作為電動(dòng)輪椅的重要組成部分,是使用者與電動(dòng)輪椅主體之間的橋梁。使用者通過控制操縱桿,表達(dá)操作意圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪椅行駛速度和方向的控制。因此,操縱桿控制器性能的好壞,將直接影響電動(dòng)輪椅的操作。本課題的目的就是要設(shè)計(jì)出高性能、低成本的電動(dòng)輪椅操縱桿控制器,填補(bǔ)國內(nèi)在此項(xiàng)技術(shù)的空白,降低電動(dòng)輪椅價(jià)格,滿足國內(nèi)市場(chǎng)需求,提高我國殘障人士的生活質(zhì)量。1.2 電動(dòng)輪椅控制器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀 手柄控制器

10、是一種常用的人機(jī)接口工具,作為控制方式被廣泛在做工程機(jī)械、交通運(yùn)輸工具、醫(yī)療設(shè)備、測(cè)量機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備中。其中,電動(dòng)輪椅操縱桿控制器主要應(yīng)用于對(duì)輪椅轉(zhuǎn)向、定位和速度的控制。目前,市場(chǎng)上電動(dòng)輪椅用控制器主要是由PG Drive Technology(簡稱PGDT)生產(chǎn)的R-net、VR2、VSI系列控制器。R-net控制器是專門應(yīng)用于中高檔輪椅的一種多模塊控制系統(tǒng) ,其操縱桿控制器部分不僅具有符合人機(jī)工學(xué)的外型,而且具有高分辨率圖形LCD顯示、易于操作的按鈕、即插即用、遙控開關(guān)輸入等特點(diǎn)。VR2控制器則能夠控制驅(qū)動(dòng)2個(gè)座椅,并提供陪護(hù)控制,其操縱桿控制器模塊具有友好的用戶控制面板及經(jīng)濟(jì)高效又易于

11、管理的電纜,已經(jīng)成為電動(dòng)輪椅操縱桿控制器性能的標(biāo)準(zhǔn)。VSI集成控制器則是專門為可折疊輪椅設(shè)計(jì)的一種經(jīng)濟(jì)高效的電動(dòng)輪椅控制器,其操縱桿模塊具有尺寸小、電纜靈活、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接、經(jīng)濟(jì)高效、可現(xiàn)場(chǎng)更換操縱桿控制器電池和按鍵等特點(diǎn)。 通過分析以上主流電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的特性,電動(dòng)輪椅手柄控制器的設(shè)計(jì)目的就是:準(zhǔn)確表達(dá)使用者的操縱命令,外型設(shè)計(jì)時(shí)尚且符合人機(jī)工程學(xué)、尺寸小、成本低、工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)化、維護(hù)方便、故障及狀態(tài)顯示、靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性及舒適度高等。 而我國電動(dòng)輪椅研究起步較晚,目前國內(nèi)生產(chǎn)電動(dòng)輪椅的廠家主要有上?;グ?、臺(tái)灣康楊(德國獨(dú)資)、江陰海達(dá)、金華愛司米(中美合資)等,其中可以自主研發(fā)電動(dòng)輪椅

12、控制器的廠商只有上?;グ?,但其口碑較好的產(chǎn)品均采用英國進(jìn)口控制器,其它廠商則為國外知名品牌的代工生產(chǎn)企業(yè)。而且,國內(nèi)沒有生產(chǎn)電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的廠家,全部需要從國外進(jìn)口。因此,為滿足國內(nèi)市場(chǎng)需求,改變我國中高檔電動(dòng)輪椅控制器依賴于進(jìn)口的局面,自主研發(fā)出高性能、低成本的電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的工作至關(guān)重要。1.3 電動(dòng)輪椅操縱桿控制器的介紹 電動(dòng)輪椅操縱桿控制器主要是實(shí)現(xiàn)完成控制信號(hào)的采集、處理及顯示。此次設(shè)計(jì),電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)模式我們采用雙后輪驅(qū)動(dòng),選用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),通過操縱桿控制器及控制按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及轉(zhuǎn)向控制。兩個(gè)12V蓄電池串聯(lián)作為電源,經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換模塊將2

13、4V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓,提供給單片機(jī)及其它控制芯片。電機(jī)控制模塊是電動(dòng)輪椅的動(dòng)力來源,包括PWM脈沖處理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路及無刷直流電機(jī)。操縱桿控制器模塊主要控制電動(dòng)輪椅的行駛速度和方向、顯示電池電量、報(bào)警、設(shè)置參數(shù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、串行通信等。電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)通過以上各個(gè)模塊的相互作用,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的各項(xiàng)功能。2 電動(dòng)輪椅操縱桿控制器整體方案設(shè)計(jì)2.1 操縱桿控制器功能介紹 電動(dòng)輪椅操縱桿控制器作為電動(dòng)輪椅的人機(jī)接口,主要實(shí)現(xiàn)以下功能: (1)準(zhǔn)確表達(dá)使用者在速度及方向方面的操作意圖,輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及輪 椅轉(zhuǎn)向控制信號(hào); (2)能夠顯示電池電量、速度檔位信息; (3)操縱桿控制器具有較高

14、的靈敏度,能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制和方向控制的功能; (4)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅操縱桿控制器與電機(jī)控制器及編程器之間的通信。2.2 操縱桿控制器應(yīng)用的基本原理電動(dòng)輪椅操縱桿控制器控制系統(tǒng)主要應(yīng)用操縱界面原理、穩(wěn)定性分析標(biāo)準(zhǔn)、差速控制原理等,來完成對(duì)使用者操縱信號(hào)的處理,進(jìn)而準(zhǔn)確表達(dá)使用者前進(jìn)、后退、左與右的控制命令。2.2.1 操縱界面原理根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,利用霍爾效應(yīng)傳感器,檢測(cè)使用者的操縱命令?;魻栃?yīng)原理就是把一個(gè)磁場(chǎng)加到一個(gè)通有電流、寬度為,厚度為的導(dǎo)體上,在導(dǎo)體的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓,這就是霍爾效應(yīng),電勢(shì)差稱為霍爾電壓,如圖2.1所示?;魻栃?yīng)是由于通電導(dǎo)體的電荷在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生偏移引起的,霍爾電勢(shì)

15、差的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和電流成正比,與金屬片的厚度成反比,即 (2-1)式中僅與導(dǎo)體材料有關(guān),稱為霍爾系數(shù),通常表示電流為,磁場(chǎng)為1kG時(shí)的輸出電壓,單位為mV/mA/KG;為所加磁場(chǎng)與磁敏面垂直方向的夾角;為垂直于導(dǎo)體平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理圖 由操縱桿控制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)可知,在一定的磁場(chǎng)范圍內(nèi),控制桿一端點(diǎn)距中心點(diǎn)的位移與霍爾傳感器周圍磁場(chǎng)的分布成比例關(guān)系: (2-2) 因此,通過霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量出垂直方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度,就可以推導(dǎo)出控制桿端點(diǎn)距中心點(diǎn)的位移,將式(2-1)代入式(2-2)得: (2-3)并將式(2-3)積分后得到: (2-4) 從公式(2-4)可以看出,霍爾

16、電壓與控制桿的擺動(dòng)位移成正比關(guān)系。此時(shí),假設(shè)控制桿端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在一個(gè)半球面上,應(yīng)用空間直角坐標(biāo)系表示如圖2-2所示。已知控制桿的長度為,則端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡將位于一個(gè)以點(diǎn)為球心,半徑為的半球面上,該點(diǎn)在平面上的投影點(diǎn)為,其坐標(biāo)為;為控制桿與OZ軸之間的夾角,取值范圍是;為點(diǎn)與y軸正向夾角,取值范圍。則投影點(diǎn)在平面的投影區(qū)域?yàn)椋?(2-5)圖2.2 操縱桿控制器實(shí)體圖圖2.3 操縱界面原理圖 假設(shè)按鍵設(shè)定速度的調(diào)節(jié)范圍為,同時(shí)根據(jù)霍爾效應(yīng)傳感器輸出的電壓值,確定速度取值與最大值的比例。當(dāng)控制桿位于中心位置時(shí),霍爾效應(yīng)傳感器輸出的電壓值為;當(dāng)控制桿在方向,擺動(dòng)到極限點(diǎn)時(shí),霍爾傳感器輸出電壓值為。則由

17、公式(4)得兩組正交分布的霍爾效應(yīng)傳感器的輸出電壓值,分別表示為: (2-6) (2-7) 假設(shè)電動(dòng)輪椅左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制桿輸入的電壓成正比,并根據(jù)霍爾電壓的數(shù)值,對(duì)應(yīng)于四象限平面坐標(biāo)系的一點(diǎn) Z,坐標(biāo)為,如圖所示Z圖2.4 左右輪線速度四象限坐標(biāo)系則點(diǎn)Z對(duì)應(yīng)的左、右輪子的線速度值為: (2-8) (2-9) 其中,代表右輪子的轉(zhuǎn)速,代表左輪子的轉(zhuǎn)速,代表左右輪子的差速度。根據(jù)控制桿運(yùn)動(dòng)的位置,得到兩個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪子的線速度。電動(dòng)輪椅車的車體由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)從動(dòng)輪支撐。驅(qū)動(dòng)輪由24V的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),兩個(gè)12V的鉛酸電池串聯(lián)作為電源。圖2.5是一個(gè)電動(dòng)輪椅的簡化模型,假設(shè)是輪椅運(yùn)動(dòng)的線速度,

18、是其運(yùn)動(dòng)的角速度,兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速分別是,是驅(qū)動(dòng)輪的半徑,是兩驅(qū)動(dòng)輪的輪距,是運(yùn)動(dòng)距離且滿足:。所以可得出: (2-10)圖2.5 電動(dòng)輪椅車簡化模型線速度和角速度分別為: (2-11) (2-12)設(shè)分別是電動(dòng)輪椅車的左、右輪轉(zhuǎn)距,則可以表達(dá)成車體平動(dòng)的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)距的線性疊加。如果,則,那么輪椅車沿直線運(yùn)動(dòng),設(shè)質(zhì)心所受的力為。因此有: (2-13) (2-14) 其中,是電動(dòng)輪椅車的整車質(zhì)量,是電動(dòng)輪椅車的線性加速度。綜合公式(2.5)、(2.2)則可以得出: (2-15) (2-16)如果、,輪椅做原地回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), ,則有: (2-17) 其中,是輪椅繞兩驅(qū)動(dòng)輪軸線中點(diǎn)垂線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為

19、角加速度,把公式(2-12)代入公式(2-17)則有: (2-18)任意狀態(tài)的和可由和表達(dá)如下: (2-19) (2-20)聯(lián)立方程式得: (2-21) (2-22)令,公式(2-21)和(2-22)則可化為: (2-23) (2-24)理想狀態(tài)下輪椅車的質(zhì)量平均作用在兩驅(qū)動(dòng)輪上,則電動(dòng)輪椅車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: (2-25)所以: (2-26)左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩可以寫成: (2-27)2.2.2 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)分析圖2.6是電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)分析的俯視圖,A、B表示兩驅(qū)動(dòng)輪,C、D表示兩從動(dòng)輪。電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)軌跡可認(rèn)為是一段圓弧,輪椅車通過兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪角速度的速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。假設(shè)圖2.6中輪椅車左右驅(qū)動(dòng)輪的角速度

20、分別為,且,改變和的比值,輪椅的轉(zhuǎn)彎半徑可從0變化到。圖2.6 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)分析俯視圖加企鵝:一零三七七七四六五二,高質(zhì)量 CAD圖紙(裝配圖、零件圖),開題報(bào)告、周志等。整個(gè)輪椅車系統(tǒng)(包括駕駛者)的質(zhì)量用M表示。首先假設(shè)質(zhì)心M與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪A和B軸線的中心一致。驅(qū)動(dòng)輪之間的距離為2a,是質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的線速度,驅(qū)動(dòng)輪A和B的線速度分別表示為,可以認(rèn)為是繞著一個(gè)固定軸做角速度為的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),該固定軸垂直于運(yùn)動(dòng)平面并通過瞬心。圖2.7 坐標(biāo)系和原理圖設(shè)電動(dòng)輪椅車在水平面內(nèi)做純滾動(dòng)。為右手正交坐標(biāo)系,其平面固定在電動(dòng)輪椅車運(yùn)動(dòng)平面上,坐標(biāo)原點(diǎn)與輪椅車的運(yùn)動(dòng)瞬心重合,坐標(biāo)軸垂直于水平面;另一個(gè)

21、右手正交坐標(biāo)系固定在電動(dòng)輪椅車上,坐標(biāo)軸穿過兩驅(qū)動(dòng)輪A和B的中心 E 和質(zhì)心M,坐標(biāo)原點(diǎn)在坐標(biāo)軸上,坐標(biāo)軸與運(yùn)動(dòng)平面之間的距離為r,即車輪半徑。電動(dòng)輪椅車各點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平面上的正交投影如圖2.7所示,其中分別表示驅(qū)動(dòng)輪A、B與惰性輪C、D與地面的接觸點(diǎn)是和之間的夾角。E點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平面上的投影為,是質(zhì)心在運(yùn)動(dòng)平面上的投影,由電動(dòng)輪椅車結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱關(guān)系可知,和之間的夾角也是。圖2.8 電動(dòng)輪椅車各點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平面上的投影當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),如果外側(cè)輪子所受的向心力力矩正好等于離心力力矩,則系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。假設(shè)電動(dòng)輪椅按圖2.8所示方向轉(zhuǎn)彎,則系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),應(yīng)滿足 (2-28) (2-29) (2

22、-30) (2-31) 其中,表示重力的力矩,代表離心力的力矩,為整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量,為輪椅的運(yùn)行的角速度,為輪椅的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。整理得系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時(shí)應(yīng)滿足 (2-32)因此,當(dāng)電動(dòng)輪椅系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),應(yīng)滿足 (2-33)同時(shí)可以計(jì)算出輪椅的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑,假設(shè)輪椅運(yùn)動(dòng)時(shí)外測(cè)的驅(qū)動(dòng)輪角速度是,內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)輪角速度為。 (2-34) 2.2.3 差速轉(zhuǎn)向方程的構(gòu)建基于對(duì)電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與動(dòng)力學(xué)分析,假定其驅(qū)動(dòng)車輪相對(duì)于地面只做純滾動(dòng),即每瞬時(shí)與地面接觸點(diǎn)的速度都等于零,如圖2.8,則有: (2-35)其中:為輪椅車驅(qū)動(dòng)輪半徑;為輪椅車左驅(qū)動(dòng)輪線速度和角速度;為輪椅車右驅(qū)動(dòng)輪線速度和角速度??傻幂喴诬囓圀w中心的瞬時(shí)

23、線速度與橫擺角速度為: (2-36) (2-37)其中:為驅(qū)動(dòng)輪的輪距。令電動(dòng)輪椅的轉(zhuǎn)彎半徑為,則有: (2-38)由此,就可以得出: (2-39)圖2.9 電動(dòng)輪椅車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由此,電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)具有下面三種情形: 當(dāng)即左右輪的轉(zhuǎn)速和方向相同,電動(dòng)輪椅車體質(zhì)心的線速度,橫擺角速度,轉(zhuǎn)彎半徑,這時(shí)電動(dòng)輪椅做直線運(yùn)動(dòng); 當(dāng)即左右輪的轉(zhuǎn)速相同,但是方向相反,電動(dòng)輪椅車體質(zhì)心的線速度 ,橫擺角速度,轉(zhuǎn)彎半徑,這時(shí)電動(dòng)輪椅繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng),即電動(dòng)輪椅實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎; 當(dāng)時(shí),車體的質(zhì)心線速度,角速度,轉(zhuǎn)彎半徑,這時(shí)電動(dòng)輪椅圍繞一固定點(diǎn)做半徑為的轉(zhuǎn)動(dòng)。上面分析可以看出,通過撥動(dòng)操縱手柄控制電動(dòng)輪椅左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)

24、輪的轉(zhuǎn)速,可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的全方位轉(zhuǎn)向。本文應(yīng)用差速控制算法對(duì)操縱信號(hào)進(jìn)行處理,進(jìn)而保證操縱桿控制器輸出的控制信號(hào)的正確性,提高電動(dòng)輪椅的穩(wěn)定性。2.3 操縱桿控制器整體設(shè)計(jì)方案2.3.1 整體方案的確定I/OI/OI/OI/OIIC0UART6電源模塊顯示模塊按鍵模塊EEPROM信號(hào)采集模塊電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊+5V+24VLIN總線 圖2.10 操縱桿控制器控制系統(tǒng)框圖 本文以單片機(jī)為核心控制芯片,完成電源模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)采集模塊等設(shè)計(jì),主要用到的I/O端口包括:(1)單片機(jī)的ANI0、ANI1、ANI2、ANI3、ANI4接口用于霍爾信號(hào)

25、的采集;(2)P00口及P01口輸出觸發(fā)信號(hào),分別控制晶體管,產(chǎn)生+3V電壓、蜂鳴器;(3)P15口、UART6串行接口、INTP0外部中斷及TI000定時(shí)器用于LIN通信;(4)外部中斷INTP1用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能;INTP2、INTP3用于加/減按鍵中斷;INTP4用于蜂鳴器中斷;(5)串行接口IIC0用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的寫入及讀??;(6)P63、P70P73、P11、P12接口輸出顯示部分觸發(fā)信號(hào)。 2.3.2 微控制器選型 電動(dòng)輪椅手柄控制器主要采用NEC系列單片機(jī)作為主控芯片,隨著操縱桿控制器功能的不斷增多,如增加了LIN通信、多按鍵控制,由于達(dá)不到需求標(biāo)準(zhǔn)一些單片機(jī)被淘汰。另外,國外有些

26、廠家采用DSP作為主控制器,實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制與操縱桿控制器控制的功能,但系統(tǒng)耦合性強(qiáng),不便于操縱桿控制器自身的故障檢測(cè)、在線調(diào)試和系統(tǒng)升級(jí)。因此,知名單片機(jī)的生產(chǎn)廠家就綜合各種設(shè)備上操縱桿控制器的設(shè)計(jì)要求,生產(chǎn)出專門應(yīng)用于操縱桿控制器設(shè)計(jì)的單片機(jī),從根本上提高了操縱桿控制器的性能,所以NEC系列單片機(jī)倍受關(guān)注。 NEC單片機(jī)品種多樣,它具有單片化、功能強(qiáng)大、性能可靠、低功耗、電源電壓允許波動(dòng)范圍寬(大部分在1.85.5V以上)的特點(diǎn)。主要有78K0、78K0S等8位機(jī)系列,K1、K2、K3和K4等16位機(jī)系列,V850、V853等32位機(jī)系列。其中,8位機(jī)系列單片機(jī)以其較高的性價(jià)比而被大量使用;3

27、2位單片機(jī)則主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理量大、計(jì)算精度高的場(chǎng)合。NEC公司的78K0系列單片機(jī)使用原則可參考8051單片機(jī)。本文采用系列中的單片機(jī)為操縱桿控制器核心控制芯片,其主要優(yōu)點(diǎn)是:(1) 指令最短執(zhí)行時(shí)間可以在高速(: 高速系統(tǒng)時(shí)鐘的操作頻率是20MHz) 和超低速(: 副系統(tǒng)時(shí)鐘的操作頻率是32.768kHz)之間改變(2)通用寄存器: 8位32個(gè)寄存器(8位8個(gè)寄存器4組)(3)程序存儲(chǔ)器(ROM)32KB;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi)部高速RAM1K)(4)內(nèi)置單電源Flash存儲(chǔ)器(5)自編程(具有啟動(dòng)交換功能)(6)片上調(diào)試功能(僅用于和 )(7)內(nèi)置上電清零(POC) 電路和低電壓檢測(cè)器(LVI)

28、(8)內(nèi)置看門狗定時(shí)器(使用內(nèi)置的內(nèi)部低速振蕩時(shí)鐘進(jìn)行操作)(9)內(nèi)置乘法器/除法器(16位16位, 32位16位)(10)內(nèi)置按鍵中斷功能(11)內(nèi)置時(shí)鐘輸出控制器(12)I/O 端口: 38 引腳產(chǎn)品: 31 (含N溝開漏: 4) 44 引腳產(chǎn)品: 37 (含N溝開漏: 4) 48 引腳產(chǎn)品: 41 (含N溝開漏: 4) 此次選用的是44引腳。(13)定時(shí)器: 7通道· 16位定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器:1通道;8位定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器: 2通道;8位定時(shí)器:2通道;鐘表定時(shí)器:1通道;看門狗定時(shí)器:1通道(14)串行接口:3通道· UART支持LIN(本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò))-總線:1通

29、道· CSI/UART注:1通道· I2C:1通道(15)10位分辨率A/D 轉(zhuǎn)換(AVREF=2.3到5.5V):8通道(16)電源電壓· 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品, (A) 級(jí)別產(chǎn)品: (A2)級(jí)別產(chǎn)品:(17)工作環(huán)境溫度· 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品, (A1) 級(jí)別產(chǎn)品: (A2) 級(jí)別產(chǎn)品:(18) 具有片上調(diào)試功能.3 操縱信號(hào)采集設(shè)計(jì)采用霍爾效應(yīng)傳感器采集操縱信號(hào),輸出電動(dòng)輪椅左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制值,從而驅(qū)動(dòng)輪椅做直行、轉(zhuǎn)彎、原地回轉(zhuǎn)動(dòng)作。本文采用電磁感應(yīng)式操縱桿控制器,其主要芯片是霍爾效應(yīng)傳感器?;魻栃?yīng)傳感器如圖3-1所示。其結(jié)構(gòu)簡單,體積小,頻率響應(yīng)寬,壽命長,無

30、觸點(diǎn),價(jià)格便宜,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。圖3.1 霍爾效應(yīng)傳感器外形圖3.1 霍爾效應(yīng)傳感器分類及特性 霍爾效應(yīng)傳感器是將霍爾元件、運(yùn)算放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等集成在一塊的芯片。 (1)按材料分類霍爾效應(yīng)傳感器主要由GaAs(砷化鎵),InSb(銻化銦)兩種半導(dǎo)體材料制成。這兩種霍爾效應(yīng)傳感器的特點(diǎn)如表3-1所示。表3-1 兩種霍爾效應(yīng)傳感器的特性比較GaAs霍爾效應(yīng)傳感器InSb霍爾效應(yīng)傳感器輸出電壓的溫度系數(shù)小輸出電壓溫度系數(shù)大磁場(chǎng)線性度好磁場(chǎng)線性度一般靈敏度低靈敏度高不平衡電壓穩(wěn)定性差不平衡電壓穩(wěn)定性好信噪比較低噪聲小、信噪比高頻率特性好,帶寬為MHz頻率特性較差,帶寬

31、為KHz輸出電壓較小輸出電壓較大GaAs型霍爾效應(yīng)傳感器主要應(yīng)用于高磁場(chǎng)強(qiáng)度,以及對(duì)精度、帶寬、頻率等特性要求較高的場(chǎng)合,輸出電壓溫度系數(shù)小,磁場(chǎng)線性度好;InSb霍爾效應(yīng)傳感器在用于低磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量時(shí),往往表現(xiàn)出良好的特性,其信噪比和靈敏度高,但無法進(jìn)行高頻測(cè)量的場(chǎng)合。(2)按輸出特性分類霍爾效應(yīng)傳感器主要分為線性型霍爾效應(yīng)傳感器和開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器,分別具有線性特性和開關(guān)特性。圖3-2所示為線性特征,特點(diǎn)是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成線性關(guān)系,被廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)檢測(cè)、直流無刷電動(dòng)機(jī)等場(chǎng)合。圖3-3所示為開關(guān)特性,特點(diǎn)是輸出電壓的高低電平轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值不同,形成切換差(回差),其中為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度,為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。OO 圖3.2 霍爾效應(yīng)傳感器的線性特性 圖3.3 霍爾效應(yīng)傳感器的開關(guān)特性3.2 霍爾效應(yīng)傳感器選擇本文采用電磁感應(yīng)式

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