触控屏智能按摩椅开发设计

随着生活水平的不断提高，人们越来越重视自身的健康，按摩椅作为家庭保健的主要器械，越来越受到人们的欢迎。按摩椅是一种典型的机电一体化产品，正在向智能化发展。人们在使用按摩椅的同时，也对其智能化和多功能化提出了更高的要求。

针对传统按摩椅在人机交互界面、智能化和娱乐功能等方面的不足，并结合实际健身的需要，本文将嵌入式技术运用于按摩椅控制系统，实现了按摩椅控制系统的智能化、数字化和美观人性化的人机交互界面。

一、智能按摩椅控制系统

智能按摩椅控制系统具有手动和自动两种运行模式，手动运行能够对按摩椅的速度和模式进行控制，自动运行则可以针对不同人群实现各种程控锻炼模式。人机交互系统有触摸屏控制和红外控制两种，在实现触摸控制时伴随有语音提示，能实时监控按摩椅运行状态。该系统还能够实现MP3播放功能。

该控制系统选择STM32作为微处理器。该控制器内嵌了丰富的外设功能模块，综合考虑运算速度、稳定性及经济性，选择它作为该系统的控制器，但其不具备友好的人机交互功能，在控制参数较多、需要人机交互时使用不方便。在这种情况下，使用触摸屏就是一个很好的选择。对于按摩椅安全保护方面，通过传感器的输出信号，送至控制器用以调节控制。

二、智能按摩椅硬件设计

智能型按摩椅控制系统的硬件体系结构如图1所示，主要有人机交互系统、下位机控制系统、检测系统、电机驱动系统、执行及电源系统等。这些硬件结构具有集成性高、独立性强、可扩展性好等优点。

2.1人机交互系统

（1）触摸屏控制：触摸屏通过标准的RS232通信接口控制按摩椅的各项动作，实现参数的设定、修改、显示等功能，能够更方便、更直观地了解按摩椅控制系统的阶段。在触摸屏与按摩椅的下位机控制系统建立串口连接。智能按摩椅的下位机接收触摸屏的指令和数据，控制驱动系统驱动模式电机和速度电机执行相关动作。触摸屏、STM32和ISD1760语音芯片构成语音提示模块，通过对触摸屏上关于按摩椅参数的设置，实时监控按摩椅的运行状态，当到达上、下极限位置时，会发出报警提示，保证按摩椅的安全运行。

（2）红外控制：红外通信是对二进制的数字进行调制和解调，利用红外信道进行传输，其接口是针对红外信道的调制解调器。该系统选用的红外接收传感器HS0038，其中REMOTE_IN接到P2的第二个引脚，而没有直接接在MCU的I/O口上，目的是防止I/O口在使用其他功能时受到红外信号的干扰。

该系统发送部分采用STM32定时器，载波频率38 kHz，位时间1.125 ms，时钟频率设置11.0592 MHZ。进行红外通信前，通信双方首先要根据系统功能要求，制定某种特定的协议，然后编写程序。本系统中红外通信的一方是红外遥控器，另一方是微处理器STM32。通过计算机程序可以改变按摩部位、按摩时间和按摩速度，从而使用户根据自身状况调节按摩椅。

2.2下位机控制系统

下位机控制系统主要由嵌入式微处理板构成，承担控制系统运行的实时计算工作。该处理板主控芯片采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列STM32F103RBT6，该芯片非常适合在控制领域的应用。该微处理板具有：3个串口，串行外围设备接口可以运用于触摸屏控制模块、红外控制模块；2个SPI，SPI通信可用于语音提示模块和MP3播放模块；7个TIM，最多可以产生28个精确的PWM信号，方便用于步进电机的控制和红外控制中发送的载波频率；2个12位的ADC（16通道），可用以对压力传感器和心率传感器输出模拟信号的采集，保证信号采集的实时性、准确性；51个可用I/O脚，该微处理器内嵌丰富的外设功能模块，相于ARM系列的其他芯片，STM32芯片运行速度更快，且价格较低。

此外，下位机根据位置检测装置来进行速度反馈。下位机还有一个MP3播放模块，通过触摸屏、STM32和MP3模块组成了一个带有触摸功能的MP3，可以用于选择下一曲和上一曲，还可以用于暂停/播放。从而使人们在按摩过程能够听音乐，愉悦身心。

2.3压力传感器

压力传感器选用小量程测力传感器，弹性体为三片梁，复合悬臂结构，主要是考虑其使用寿命。由于输出距离较近，所以选用输出信号为电压信号，这样后续的处理比较容易。本设计采用全桥测量原理，使系统产生的误差更小、输出的数据更准确。运算放大电路是将传感器输出的微弱模拟信号进行一定倍数放大，以满足A/D转换器对输入信号电平进行各种转换处理的要求。STM32有两个ADC，转换时间1μs，利用STM32的ADC1通道0来采样输出的电压值，通过EFPROM读取采样值，反馈到STM32，如果步进电机到达上、下极限位置，按摩椅就会自动调整其位置，以保证按摩椅的安全、正常运行。按摩椅的压力传感器控制系统框图如图2所示。

2.4心率监测模块

心率传感器采用人体体表生物电检测的方式检测心脏搏动产生的心电信号，通过信号调理电路、A/D、数字信号处理、比较电路输出同步于心脏搏动的脉冲信号，有效解决了在动态情况下检测心率有效性和准确性问题。而且增加了检测握手信号，在输出与心脏搏动同步的脉冲信号的同时检测手是否握住电极，输出高、低电平表示已握住和没有握住，检测出使用者在按摩过程中的心率。控制系统将会根据使用者的心率状况自动给出科学的运动方案。按摩椅的心率控制系统框图如图3所示。

三、按摩椅控制程序设计

智能按摩椅控制系统设计的下位机控制系统采用面向对象的方法设计软件，将语音提示、通信、传感器检测、MP3播放设计成互相分离的独立程序模块，各模块之间以函数的形式进行独立编写和封装，模块之间的交互是通过各模块之间的输入、输出标准来实现的，微处理器控制程序用来管理和安排对各子模块的调用。采用模块化设计以后，后续的开发人员可以在任意模块上做后续的开发工作，从而保证软件的可读性、可扩展性和可维护性，以便持续开发。下位机控制程序模块如图4所示。

总结

本文将嵌入式技术应用到数字化健身器材控制系统中，通过对驱动电机速度和位置的控制、美观人性化的交流界面以及各种智能传感器的应用，来丰富按摩椅的智能性、安全性和娱乐性，有利于按摩椅向高端产品定位，减少按摩椅相对独立、工作过程枯燥、缺乏交互性等缺点，给使用者带来全新的按摩体验。