基于STM32的按摩椅控制系統硬件電路設計*

劉燦華，楊 廉，何紹健

（寧德職業技術學院新能源與智能制造學院，福建福安 355000）

0 引言

進入21世紀以來，人們越來越關注健康話題。而隨著人們工作壓力增加，自由活動的時間減少，人們的戶外運動與鍛煉方式越來越少，居家的健康養生方式越來越得到人們的推崇。同時，近些年共享模式的興起，電動按摩椅作為一種簡易且健康的養生用具，目前已經成為一種流行方式[1-2]。由相關資料顯示，2019年電動按摩椅的搜索指數達到了1941，排在保健類電器搜索指數的第2位。2020年上半年線上的銷售額同比增長了68%，達到了27.7億元[3]。足以說明疫情籠罩之下，人們對電動按摩椅的需求攀升。

目前國內外市面上常見的電動按摩椅多是圍繞相對簡單的8位微處理器進行設計，功能相對單一，同時，8位微處理器所能提供的輸入輸出引腳相對較少，逐漸難以滿足整個電動按摩椅的功能需求。因此，現有的電動按摩椅控制系統多采用多個8位微處理器進行組合控制，這也造成了微處理器之間通訊困難、控制命令傳遞延遲等問題，對電動按摩椅使用過程中的舒適性造成一定的影響[4-5]。目前，電動按摩椅的各種附加功能不斷增加，但制約電動按摩椅發展的一個重要瓶頸為其舒適性無法提升的問題，而影響電動按摩椅舒適性的一個關鍵因素即是按摩過程的指令延遲時間。STM32微處理器擁有功能豐富、存儲容量大、引腳數量多等優良特性，能夠滿足愈來愈豐富的電動按摩椅的功能需求[6-7]。因此，本文以STM32微處理器為處理核心，結合電動按摩椅的基本功能設計硬件電路，實現電動按摩椅的各種基本動作需求。同時，通過STM32微處理器快速的指令處理速度與取消傳統分離式控制的方案，實現控制指令實時傳遞到相應的控制結構，降低延遲時間，提升電動按摩椅的舒適性。

1 系統整體方案

目前市面上的電動按摩椅功能各不相同，歸納總結市場上高、中、低端各個層次的的電動按摩椅，其基本特征均是具備揉捏、捶打、行走、推桿、氣囊。故本文依據STM32微處理器設計的電動按摩椅應具備以上這些功能的同時預留資源用于后續升級，所設計的電動按摩椅電路系統整體控制方案如圖1所示。其中，電源模塊的輸入為由開關電源提供的24 V直流電，因所使用到的STM32微處理器、手控器及氣泵等期間需要的電源分別為3.3 V、5 V及12 V的電壓，因此電源模塊的人物是將輸入的24 V電壓轉化為以上3種電壓輸出。

圖1 電動按摩椅電路系統整體方案

手控器任務相對簡單，主要是采集按鍵狀態，并將所得到的操作發送為微處理器。部分電動按摩椅具有顯示功能，因此需要將微處理器處理的結果反饋給手控器進行顯示。藍牙功能主要用于音樂播放，目前的藍牙模塊相對成熟且價格低廉，因此此處選取典型的藍牙模塊進行使用即可。機芯部分是整個電動按摩椅的關鍵機構[8]，機芯的驅動電路主要是通過驅動3個有刷直流電機實現電動按摩椅的揉捏、捶打及行走功能[9-11]，同時，配合一些行程開關即可將各個電機運行過程的位置信息傳遞給STM32微處理器模塊。推桿驅動電路包括背部驅動以及腿部驅動，所使用到的電機也是直流有刷電機。由于推桿機構運行到極限位置時，電機電流較大，因此此處一般不添加行程開關，而是通過檢測電流的大小來判斷是否到達極限位置。氣囊驅動電路主要是按照STM32微處理器的指令要求，通過驅動一個氣泵并結合一些開關實現肩部、手臂、腿部等部位的氣囊按摩[12]。

2 硬件電路設計

2.1 機芯電機驅動電路

機芯驅動電路主要包含揉捏、捶打與行走3個部分，其中揉捏與捶打功能類似，主要按照STM32的指令要求，驅動電機進行進行速度可調的單向運動即可，功能相對單一。因此，此處僅以揉捏部分進行說明，設計的驅動電路如圖2所示，其中J1接口連接一個直流有刷電機，J1的3號引腳直接接入24 V電源，另一端通過通過PWM3信號驅動Q1 MOS管實現通斷及電機速度的調節。直流有刷電機的速度可用公式表示為：v=vmax×D（其中，vmax為電機的最大速度，D為PWM3處施加的占空比）。

圖2 機芯揉捏驅動電路

2.2 行走電機驅動電路

行走部分雖然使用的也是直流有刷電機，但與揉捏捶打部分不同的是需要實現正反轉以及機芯部分的上下行走功能，因此電路部分有所不同，具體驅動電路如圖3所示。

圖3 機芯行走驅動電路

STM32微處理器輸出的高電平電壓僅為3.3 V，無法直接驅動一個24 V電機或者繼電器，本文先將微處理器輸出的信號引入一個公共端連接12 V電平的達林頓管輸入引腳，從而實現12 V電平的輸出與否。而輸出引腳接入到K5繼電器中，當管腳16輸出為0 V時，繼電器接通，J13的1號引腳輸出24 V。當管腳16輸出為12 V時，繼電器斷開，J13的1號引腳輸出為0 V。因此，通過此設計即可實現微處理器的高低電平輸出控制直流有刷電平的24 V電平輸入與否。

在實現了WALK1與WALK2引腳控制電機輸入端24 V與0 V輸入后，只需合理配置WALK1與WALK2即可實現電機的正反轉，具體如表1所示。而電機的速度控制原理也與前文揉捏與捶打電機速度控制相同，只需要在輸入端控制好占空比即可實現速度控制。

表1 輸入信號與行走電機工作情況表

2.3 推桿驅動電路

推桿驅動部分主要包含腿部推桿與背部推桿，其所使用的電機也主要是有刷直流電機。并且因推桿工作過程需要完成伸出與收回的功能，故需能夠實現正轉與反轉功能，因此驅動部分與行走電機驅動電路類似。

與行走電機不同的是，推桿電機的極限位置檢測不是通過限位開關實現，而是通過檢測電流大小實現。具體原因是當推桿在伸出或者縮回過程電流相對較小，而到達極限位置時，電機無法轉動，此時的電流快速增大。故可設計一塊電流大小檢測電路，將電機運行過程的電流值反饋到微處理器的模數轉化引腳，進而判定是否到達極限位置。如圖4所示，無論推桿電機處于伸出或者收回狀態，其實時電流均通過采樣電阻R22流入GND，但此處獲取的電壓值相對較小，若直接輸入到微處理器的模數引腳，將導致所獲取的轉化值較低。因此在此處添加一個放大電路，放大倍數為1+R38/R21，R38與R21的電阻值可依據實際測試結果適當調整。

圖4 推桿電機驅動電路圖

2.4 氣囊驅動電路

氣囊驅動電路的功能主要是通過控制氣泵的工作與否實現氣囊的充氣與放氣。具體驅動電路如圖5所示。氣泵的一端已與GND連接，另一端連J17的3號引腳，J17的1號引腳連接24 V。PUMP1信號通過一個三極管Q33控制繼電器K8吸合與否，當K8吸合，對應24的J17-1號引腳與J17-3號引腳接通，氣泵開始工作。相反，繼電器斷開時，J17-1與J17-3引腳斷開，氣泵停止工作。

圖5 氣囊驅動電路

2.5 通訊電路

電動按摩椅中通訊電路主要包含STM32微處理器與手控器通訊及STM32微處理器通過藍牙與手機等設備進行的通訊。這兩種通訊均是通過串口進行通訊，原理基本類似，故本文取微處理器與手控器之間的通訊電路進行說明，具體電路如圖6所示。其中，J21端口用于與手控器相連接，手控器可以將接收來自微處理器的并行數據字符轉換為連續的串行數據流發送出去，同時可將接收的串行數據流轉換為并行的數據字符供給微處理器。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗，因此，對于手控器與微處理器兩個進行通信的端口，在兩端設置相同的參數即可進行按鍵、限位信息、按摩手法等信息的交互。

圖6 串口通訊電路

2.6 STM32微處理器模塊

STM32微處理器模塊是整個電動按摩椅控制系統的核心，所有的控制命令均通過其發出，同時也需要接收所有的反饋信號。具體的模塊如圖7所示。其中，J4為程序下載與調試端口，Y1、C15與C17組成了晶振模塊，R27、C20與NRST引腳構成了上復位電路。其余引腳用于發送驅動信號、接收位置信號、串口通訊、A/D采樣等功能。

圖7 微處理器模塊電路

2.7 電源模塊電路

電源模塊是整個電動按摩椅控制系統工作的基礎。由于整個控制系統包含的器件眾多，而各器件工作所需要的電源類型各不相同，比如氣泵工作電壓為24 V，繼電器工作電壓為12 V，運算放大器工作電壓為5 V，STM32未處理器為3.3 V，因此需要對開關電源輸出的24 V電壓進行轉化，具體如圖8所示。J22接開關電源的24 V輸出，此電壓主要用于氣泵工作。24 V電壓經過7812芯片轉化為12 V電壓，主要用于繼電器工作。12 V電壓經過7805芯片轉化為5 V電壓，主要用于LM358及74LS07等芯片供電。最后，5 V電壓經過一個AMS1117芯片轉為為3.3 V電壓，主要用于STM32微處理器的供電與模數轉化的參考電壓。

圖8 電源模塊電路

3 測試驗證

依據電路原理圖，選擇合適的電子元器件設計PCB，如圖9所示。并將其安裝到某電動按摩椅公司生產的按摩椅中進行測試。依據電動按摩椅的基本要求，進行揉捏電機測試、捶打電機測試、行走電機上下運行測試、氣泵運行測試、串口通訊測試、電源模塊電壓測試等項目，測試結果表明各模塊均表現穩定。

圖9 電動按摩椅系統硬件電路PCB圖

在功能實現的前提條件下，需要控制指令的延遲時間進行測試與比較。因此，本文選取傳統主板與機芯板分離式控制的電路板與本研究設計的電路板進行比較。主要測試項目為機芯上的揉捏、捶打及行走電機從控制指令發出到相應電機開始轉動的延遲時間進行比較。測試結果如表2所示，可以發現本方案在實現傳統電動按摩椅功能的同時，指令延遲時間減少了50%左右。

表2 控制指令延遲時間對比s

4 結束語

本文基于目前市面上電動按摩椅的要求，結合STM32微處理器設計了電動按摩椅的硬件控制電路系統。與傳統的IO引腳少、數據處理能力差、功能拓展性低的8位微處理器為核心的分離式控制方案相比，本文在保留了傳統電動按摩椅方案揉捏、捶打、行走、氣泵推桿等的基礎上，通過一體式的電路板設計，將決定電動按摩椅舒適性的機芯控制集中到主控板上。經過測試，所采用的方案降低了機芯揉捏、捶打與行走機構的控制指令傳遞延遲時間，實現了按摩過程的舒適性提升。并且預留了Wi Fi、語音、觸摸等功能，若后續有連接入智能家居系統需求，可在此基礎上進行設計。