基于ATxmega64单片机的电动轮椅控制系统设计

2021-06-17卢茹

电子制作 2021年5期

关键词：摇杆电路图电量

卢茹

（广东省机械技师学院，广东广州，510450）

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电动轮椅是一种以蓄电池为能源、通过电子控制系统驱动直流电机运动，使用者可通过控制装置自行驱动电动轮椅运动，适用于下肢功能障碍的伤残人事使用，是一种比较理想的代步工具。

1 电动轮椅控制系统硬件设计

电动轮椅控制系统硬件部分由电源模块、电量检测模块、基准电压模块、OLED显示模块、按键及摇杆模块和电机驱动模块组成，电动轮椅控制系统硬件框图，如图1所示。

图1 电动轮椅控制系统硬件框图

■1.1 电源模块

电源模块采用LM2596稳压电路，由24V铅酸蓄电池提供输入电源，电源有S1开关控制，24V电源通过LM2596-12.0稳压电路，稳压输出12V电源，再通过LM2596-3.3V稳压电路输出3.3V电源，为ATxmega64A3单片机提供工作电源，该稳压电路可输出最大电流为3A，输入最高电压为40V。由D1发光二极管显示3.3V电源状态。电源模块电路图，如图2所示。

图2 电源模块电路图

图3 OLED显示模块电路图

■1.2 OLED显示模块

显示模块采用1.3寸OLED显示屏，分辨率为128×64，OLED显示屏超低功耗，正常显示时只有0.04W，控制简单，可通过SPI或I2C控制，该显示模块采用SPI控制，与ATxmega64A3单片机连接只需5个I/O口，亮度和对比度可通过程序指令控制。使用寿命长，不少于16000小时。

显示模块用于显示电动轮椅的工作状态，包含电池电量状态、轮椅行进的速度选择高速或低速状态、轮椅行进的方向信息前进或倒退状态等。同时各参数设置的信息，用于人机交互显示，包含屏幕亮度和对比度设置信息、电量低报警值设置等。

■1.3 电量检测模块

铅酸蓄电池的开路电压和荷电量是有对应关系是线性，因此可通过检测蓄电池开路电压来检测蓄电池电量，电量检测采用ATxmega64A3单片机自带AD转换器，检测蓄电池的电压，由于蓄电池的电压为24V，而AD转换器输入最大电压为3.3V，采用R11和R12高精度电阻，对蓄电池电压进行分压，再通过AD转换器检测蓄电池电压，为保证AD转换器的转换精度，采用TL431为AD转换器提供基准电压，电量检测的结果通过OLED显示屏显示蓄电池电量，当电量低于设置的报警值时，报警显示“电量低，请充电！”，提示用户尽快充电。电量检测电路，如图4所示。

图4 电量检测电路图

■1.4 按键及摇杆模块

控制系统由1个急停开关、7个按键和1个十字摇杆组成电动轮椅运动控制和系统设置。S2为急停开关，用于紧急情况下停止，系统上电或急停后需按下S3启动按键，启动控制系统电动轮椅才可以正常工作，同时OLED显示屏显示“正常运行”。

控制系统启动后，可通过S5高速或S6低速按键，选择电动轮椅的行进速度，默认为低速状态，只有按下S4使能按键，推动十字摇杆可控制电动轮椅的前进、后退、左转、右转，当松开S4使能按键，电动轮椅自动停止，当电动轮椅在高速前进时，切换为后退时，系统自动切换为低速模式。十字摇杆X轴和Y轴分别连接2个10k电位器，通过推动十字摇杆，来改变电位器位置，同时改变ADC1和ADC2输出的电压值，通过ATxmega64A3单片机进行AD转换，计算摇杆的状态，从而控制电机的运行方向和速度。按键及摇杆模块电路图，如图5所示。

图5 按键及摇杆模块电路图

■1.5 电机驱动模块

BTN8982是一个完全集成的大电流的半桥电机驱动芯片，采用两个BTN8982芯片组成全桥电机驱动电路，实现电机的正反转及调速。

电机驱动模块采用四个BTN8982芯片组成两个全桥驱动电路，分别控制轮椅的左右电机，实现轮椅的前进、后退、左转和右转控制。ATxmega64A3单片机通过6个控制信号通过74HC244对8982进行控制，M1+和M1-用于控制左电机正反转，M1_PWM用于控制左电机的转速，M2+和M2-用于控制右电机正反转，M2_PWM用于控制右电机的转速，实现左右电机的正反转控制和无级调速。其中74HC244起隔离作用，用于隔离驱动电路和控制电路。电机驱动模块电路图，如图6所示。