蓝牙遥控行走轮椅设计

袁 婧 吴 宇

（江西理工大学 电气工程与自动化学院，赣州 341000）

现代信息社会迅速发展，促使出现了越来越多的科技设备，使得人们的生活越来越方便。世卫组织报告显示，当今世界超过10 亿人身患某种疾病（占全世界人口的15%左右），同时伴随着人口老龄化和慢性疾病的加剧，人们对智能产品的需求越来越大[1]。轮椅作为最佳的辅助移动器具，使得相关群体获得了更有尊严的行动能力和良好的身体姿态保持，具有重要的研究价值和社会意义。

1 系统原理设计

设计的总体思路是将以STC8a8k64s4a12 芯片作为轮椅的主控制器，搭建手机App，发送无线信号到HC-05，通过蓝牙模块串口将信息传递给单片机，调用单片机内编译好的程序启动电机，从而达到驱动轮椅的目的。这里的单片机利用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，从而实现电机的运转驱动[2]。

基本的系统架构如图1 所示。蓝牙模块负责通过无线信号与手机通信，接收手机下发的指令并传达给单片机。单片机作为轮椅的主要控制器，根据蓝牙模块接收到的手机指令操作电机控制轮椅执行如前进、后退、左转、右转等动作。因为单片机的IO 口驱动能力有限（电流被限制），所以要外加电机驱动使电机转动。可见，电机驱动的作用是接收单片机的指令以控制电机的动作。

1.1 传输方式的选择

在众多传输方式中选择无线控制，目的是实现对蓝牙智能轮椅的远程遥控，代替实验人完成一些具有危险性的项目，并且最大限度方便后续的操作，大大缩减成本。

设计中，经过各项参数性能比对，最终选择蓝牙传输技术，如表1 所示[3]。可见，在短距离通信领域，蓝牙技术、红外技术和WiFi 技术可以提供可靠的通信服务。其中：红外线技术的通信距离较短；WiFi技术的通信距离足够，但是开发存在一定的难度且成本高。因此，最终证明了蓝牙传输技术在此实验中具有可行性。

表1 无线技术的对比

1.2 蓝牙模块

蓝牙技术是一种无线电通信技术，可以支持设备之间的短距离通信，可同时支持多个设备端（如手机、无线耳机等）、笔记本计算机以及相关的远程设备。蓝牙设备可以在主设备和从设备之间切换，通常在从设备模式下工作，并等待其他主机设备连接。如果需要可以将其转换为主设备模式，并在其他设备上发起请求[4]。

在AI2中，支持蓝牙通信的控件存在蓝牙客户端和蓝牙服务端两种方式，都是非可视化控件。蓝牙客户端用来发起通信连接请求，而蓝牙服务端负责接收通信连接请求。蓝牙服务端的专有方法是AcceptConnection 和StopAccepting。其中：AcceptConnection 方法用来接收外部蓝牙连接；StopAccepting 方法表示不再接收外部连接请求[5]。

2 硬件设计

硬件设计框架如图2 所示。对STC8a8k64s4a12芯片进行最小系统设计，了解复位，中断时钟等电路；对电机进行调速设计，通过调整PWM 占空比，从而改变两个电机速度，使得小车实现不同方向的改变；对蓝牙控制模块进行设计，从而达到连接单片机控制的目的[6]。

2.1 最小系统设计

对单片机进行最小系统设计，选用宏晶公司开发的STC8a8k64s4a12 微控制器作为主控制芯片。它的主要优点是可以通过通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）直接在线下载，下载速度快，价格优惠。

2.1.1 工作电压选择和复位功能

该设计采用的STC 系列单片机为高电平复位。按键复位是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时，电容被放电，RST 被拉到高电平。由于电容充电，因此系统会保持一段时间的高电平使单片机复位。

2.1.2 中断电路

外部中断直接设置触发方式ITx=0/1 低电平触发或下降沿触发后，开启外部中断，EXx=1 后，编写相应中断函数即可。在该设计的中断操作中，循环操作的PWM 值函数，即定时器一直执行。

2.1.3 单片机电源和时钟电路

一般情况下，蓝牙不能正常工作的原因多在于电源可能比较小。大多数蓝牙模块电压范围比较大，如HC-05 蓝牙模块一般在3.3 ～6.0 V，单片机电源在2.0 ～5.5 V。由于外接电源电池为5 V，最终在这个范围内选择工作电压为5 V。

单片机系统时钟控制器为所有中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、 微 控 制 单 元（Microcontroller Unit，MCU）和外围系统提供时钟源。系统时钟共有3 种来源可供选择，分别为24 MHz 高精度内部IRC、32 kHz IRC（高精度）以及外部晶振（或外部时钟）。本文设计选择24 MHz 晶体振荡器。

2.2 电机调速

设计通过PWM 调速来实现对直流电动机L298N速度的控制。STC8a8k64s4a12 单片机控制L298N 可以实现不同的效果，编写C 语言程序，然后在成功仿真后烧录进单片机实现对电机的控制[7]。

使用单片机STC8a8k64s4a12 和L298N 电机进行芯片的驱动。驱动模块由L298N 芯片组成，通过电源直接调节输出电压。直流电动机的电枢通过使用单片机的IO 端口直接更改电压“占空比”来改变平均电压，从而达到控制电动机速度的目的[8]。

占空比D表示在一个周期里开关管导通的时间与周期的比值。当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值为V=Vmax×D，Vmax为电机在全通电时的最大速度。因此，改变占空比D可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM 调速原理。

蓝牙发送控制指令，单片机收到指令后响应，通过系统时钟输出PWM 波控制小车两个轮子不同的速度，从而达到控制方向的目的。占空比越大，高电平出现频率越高，电机转动速度更快。一边的速度大于另一边时，小车出现转向。

设置定时器定时500 ms 执行一次指令，将当前的左右轮速度值发送到手机，将手机App 端定时器设置同样的值，解析后即可收到当前的速度值并进行指令操作。

3 结语

本设计主要针对轮椅模块化控制展开研究，在对国内外智能轮椅研究现状进行分析和总结的基础上，基于模块化设计的思想，制定了智能轮椅的系统结构框架和各模块的具体技术方案，实现了智能轮椅的研究和轮椅系统的构建。

随着科学技术的不断发展，智能轮椅的功能越来越完善和可靠，但目前仍存在很多问题等待解决。人机交互的方式有很多，不论是触摸屏控制、语音控制还是头部控制，流程并不自然。优化人机交互方式自然化，可以极大地提高准确性和便捷性。