CN102499866B - 基于stm32的智能按摩椅及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于STM32的智能按摩椅及其工作方法。本发明中微处理器采用STM32F103CBT6，主要来处理心率传感器发送来的心率信号，并将分析处理后的结果发送到电机驱动单元。按摩电机按照电机驱动单元的要求来转动达到按摩的效果。电机驱动单元是STM32微处理器和按摩电机之间的模块，对电机进行直接的控制。电流采样模块利用STM32的ADC外设，通过对相应电流的计算，得到系统稳定时的电流范围。系统保护驱动芯片，防止过流烧坏。心率传感器检测被按摩个体的心率，并把检测结果发送到STM32微处理器。外部电源主要给智能按摩椅的其他模块供电。本发明按摩模式丰富，可以设置多种按摩模式。

Description

基于STM32的智能按摩椅及其工作方法

技术领域

本发明属于模糊控制和嵌入式系统技术领域，涉及一种基于STM32的智能按摩椅及其工作方法。

背景技术

按摩椅是指通过机电、电子以及电热的技术方法产生模拟人手的各种按摩、揉捏、锤打以及电热等刺激人体某些穴位，以消除疲劳并起到一定保健作用的电动器具。近年来，随着科学技术的不断发展，按摩器具已发展成为集机械电子技术、计算机技术、伺服控制技术、传感技术、机器人控制技术以及新材料技术于一体的多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业，其涉及的行业有机械、电子、医疗、纺织、皮革、化工、家具等众多相关领域。从中国医药保健品进出口商会获悉，按摩器具已成为医疗器械及设备行业出口金额最大的产品，出口市场不断扩大，出口前景非常广阔。在众多的按摩器具中，电动按摩椅以其适用、功能全、按摩方式丰富、外形美观等特点而受到消费者的青睐，广泛用于家庭、俱乐部、学校、宾馆以及各类休闲场所等健身活动。

目前，电动按摩椅正在由传统的定点固定按摩向自动智能按摩方向转变，在这方面日本三洋近日根据测谎仪的工作原理开发出一种新型智能按摩椅“HEC -DR5000”，它能够自行发现人体一些僵硬不适的部位，并进行重点按摩。使用者在利用此按摩椅进行按摩时，只需将装有按键遥控装置的感应器在手里握一分钟，感应器就可以读取人体出汗程度等各种生理状况。按摩椅随后就能有的放矢地对不同部位给予不同力度的按摩。

发明内容

本发明主要通过本装置中的心率检测仪来实现，其根据是人们在接受按摩时，生理状况随之会发生变化。本按摩椅能够监测这些身体特征变化，并根据收集到的不同数据做自动的调整以达到最佳的按摩效果。

本发明所使用的硬件包括STM32微处理器、按摩电机、电机驱动单元、电流采样模块、系统保护、心率传感器和外部电源。

STM32微处理器采用基于ARM最新的内核Cortex-M3的微控制器STM32F103CBT6，主要来处理心率传感器发送来的心率信号，并将分析处理后的结果发送到电机驱动单元。

按摩电机是最终实现按摩的模块，按摩电机按照电机驱动单元的要求来转动达到按摩的效果。

电机驱动单元是STM32微处理器和按摩电机之间的模块，它收到STM32微处理器的处理结果，对电机进行直接的控制。

电流采样模块主要利用STM32的ADC外设，通过对相应电流的计算，得到系统稳定时的电流范围，一旦超出此范围，系统立即采取保护措施。

系统保护主要作用是保护按摩电机的驱动芯片，防止过流烧坏。

心率传感器主要是检测被按摩个体的心率，并把检测结果发送到STM32微处理器。

外部电源主要给智能按摩椅的其他模块供电。

本按摩椅的具体工作步骤是：

步骤(1)通常，在实际按摩过程中用户的年龄大小不同，所对应的心率期望值也不同。设期望心率值为                                               ，心率传感器采样心率值为，则心率偏差等于，即

                            (1.1)

表示第次心率采样后计算得到的心率偏差变化量，计算方法如下：

                     (1.2)

其中表示第次心率偏差，表示第次心率偏差。计算心率偏差、心率偏差两次采样值的变化量和控制输出参数的量化因子，将计算出的量化因子、、置于存储器中。量化因子具体计算方法如下：

和的实际测量范围分别为[-20，20]和[-40，40]，设计的论域为[-6,6]，有：

                         (1.3)

其中，、为实际变化范围的最大、最小值；、为论域的最大、最小值。k为量化因子。将实际值带入上式中可得：=0.3，=0.15。

控制量的值变化范围为[10000,18000]，设计的论域为[-6,6]，有：

                         (1.4)

其中、为实际控制量的最大、最小值；、为论域的最大、最小值。为比例因子。将实际值带入上式中可得：=2000/3。

步骤(2)心率传感器将收到的心率信号转换为心率值，STM32微处理器在一定时间间隔内对心率传感器进行采样，每当采样时间到后，STM32微处理器会根据收到的心率值应用公式(1.1)计算出心率偏差，应用公式(1.2)计算心率偏差变化量。

步骤(3)利用步骤(2)计算出的参数来判断是否越界(用来比较的范围是事先设定好的)。如果计算的参数比设定的上界大则设定新的上界是计算的参数值，如果计算的参数比设定的下界还小则设定新的下界是计算的参数值；如果步骤(2)计算的参数在设定的范围内，则根据、计算出实际输出的论域值、。具体计算方法如下：

                  (3.1)

                            (3.2)

在公式(3.1)和(3.2)中，当,>0时取+，当,<0时取-，其中、表示心率偏差的新的上下界值，、表示心率偏差的新的上下界值。

步骤(4) 根据和的值，查询表4.2，得到，利用公式(4.1)计算出实际控制输出量。实际控制量对应按摩电机的速度，也即是按摩的强度。

                        (4.1)

其中、为实际控制量的最大、最小值。

表4.2模糊控制查询表

步骤(5)重复步骤(2)～(4)，使智能按摩椅处于正常工作状态。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明按摩模式丰富，可以设置多种按摩模式，模式控制灵活、方便，可以满足不同年龄人群的需求。

2. 本发明可以根据人的心率实现自动智能按摩，使用户达到最佳的按摩效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构总体框图。

图2为本发明的心率按摩模糊控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所使用的硬件包括STM32微处理器、按摩电机、电机驱动单元、电流采样模块、系统保护、心率传感器和外部电源。本系统采用STM32微控制器作为核心控制器件，采用直流电机驱动控制单元作为电机驱动器，结合电流反馈、心率反馈实现对电机的控制。

STM32微处理器采用基于ARM最新的内核Cortex-M3的微控制器STM32F103CBT6，主要来处理心率传感器发送来的心率信号，并将分析处理后的结果发送到电机驱动单元。

按摩电机是最终实现按摩的模块，按摩电机按照电机驱动单元的要求来转动达到按摩的效果。

电机驱动单元是STM32微处理器和按摩电机之间的模块，它收到STM32微处理器的处理结果，对电机进行直接的控制。

电流采样模块主要利用STM32的ADC外设，通过对相应电流的计算，得到系统稳定时的电流范围，一旦超出此范围，系统立即采取保护措施。

系统保护主要作用是保护按摩电机的驱动芯片，防止过流烧坏。

心率传感器主要是检测被按摩个体的心率，并把检测结果发送到STM32微处理器。

外部电源主要给智能按摩椅的其他模块供电。

如图2所示，本发明的工作过程是：首先将期望心率值输入存储器中，按照设定的算法计算量化因子、、。每隔一定时间对心率传感器进行采样，计算心率偏差以及心率偏差的变化量。判断、是否越界，若越界则设定新的上下限；若没有越界则通过、的值计算实际论域值、。查询模糊控制查询表求得，利用得到的、和计算得到控制输出量的值，即按摩电机的速度。

本按摩椅的具体工作步骤是：

步骤(1)通常，在实际按摩过程中用户的年龄大小不同，所对应的心率期望值也不同。设期望心率值为，心率传感器采样心率值为，则心率偏差等于，即

                            (1.1)

表示第次心率采样后计算得到的心率偏差变化量，计算方法如下：

                     (1.2)

其中表示第次心率偏差，表示第次心率偏差。计算心率偏差、心率偏差两次采样值的变化量和控制输出参数的量化因子，将计算出的量化因子、、置于存储器中。量化因子具体计算方法如下：

和的实际测量范围分别为[-20，20]和[-40，40]，设计的论域为[-6,6]，有：

                         (1.3)

其中，、为实际变化范围的最大、最小值；、为论域的最大、最小值。k为量化因子。将实际值带入上式中可得：=0.3，=0.15。

控制量的值变化范围为[10000,18000]，设计的论域为[-6,6]，有：

                         (1.4)

其中、为实际控制量的最大、最小值；、为论域的最大、最小值。为比例因子。将实际值带入上式中可得：=2000/3。

步骤(2)心率传感器将收到的心率信号转换为心率值，STM32微处理器在一定时间间隔内对心率传感器进行采样，每当采样时间到后，STM32微处理器会根据收到的心率值应用公式(1.1)计算出心率偏差，应用公式(1.2)计算心率偏差变化量。

步骤(3)利用步骤(2)计算出的参数来判断是否越界(用来比较的范围是事先设定好的)。如果计算的参数比设定的上界大则设定新的上界是计算的参数值，如果计算的参数比设定的下界还小则设定新的下界是计算的参数值；如果步骤(2)计算的参数在设定的范围内，则根据、计算出实际输出的论域值、。具体计算方法如下：

                  (3.1)

                            (3.2)

在公式(3.1)和(3.2)中，当,>0时取+，当,<0时取-，其中、表示心率偏差的新的上下界值，、表示心率偏差的新的上下界值。

步骤(4) 根据和的值，查询表4.2，得到，利用公式(4.1)计算出实际控制输出量。实际控制量对应按摩电机的速度，也即是按摩的强度。

                        (4.1)

其中、为实际控制量的最大、最小值。

表4.2模糊控制查询表

步骤(5)重复步骤(2)～(4)，使智能按摩椅处于正常工作状态。

Claims (1)

1.基于STM32的非治疗用智能按摩椅的工作方法，该方法所涉及的基于STM32的智能按摩椅，包括STM32微处理器、按摩电机、电机驱动单元、电流采样模块、系统保护、心率传感器和外部电源；

STM32微处理器采用基于ARM最新的内核Cortex-M3的微控制器STM32F103CBT6，主要来处理心率传感器发送来的心率信号，并将分析处理后的结果发送到电机驱动单元；

按摩电机是最终实现按摩的模块，按摩电机按照电机驱动单元的要求来转动达到按摩的效果；

电机驱动单元是STM32微处理器和按摩电机之间的模块，它收到STM32微处理器的处理结果，对电机进行直接的控制；

电流采样模块主要利用STM32的ADC外设，通过对相应电流的计算，得到系统稳定时的电流范围，一旦超出此范围，系统立即采取保护措施；

系统保护主要作用是保护按摩电机的驱动芯片，防止过流烧坏；

心率传感器主要是检测被按摩个体的心率，并把检测结果发送到STM32微处理器；

外部电源主要给智能按摩椅的其他模块供电；

其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)在实际按摩过程中用户的年龄大小不同，所对应的心率期望值也不同；设期望心率值为L₀，心率传感器采样心率值为L_x，则心率偏差e等于L_x-L₀，即

e＝L_x-L₀    (1.1)

ec表示第k次心率采样后计算得到的心率偏差变化量，计算方法如下：

ec(k)＝e(k)-e(k-1)    (1.2)

其中e(k)表示第k次心率偏差，e(k-1)表示第k-1次心率偏差；计算心率偏差e、心率偏差两次采样值的变化量ec和控制输出参数p的量化因子，将计算出的量化因子k_e、k_ec、k_u置于存储器中；量化因子具体计算方法如下：

e和ec的实际测量范围分别为[-20，20]和[-40，40]，设计的论域为[-6,6]，有：

$k=\frac{x_{\max }-x_{\min }}{x_{\max }^{*}-x_{\min }^{*}}---\left(1.3\right)$

其中，为实际测量范围的最大、最小值；x_max、x_min为论域的最大、最小值，k为量化因子；将实际值带入上式中可得：k_e＝0.3，k_ec＝0.15；

控制输出参数p的值变化范围为[10000,18000]，设计的论域为[-6,6]，有：

$k^{\&prime;}=\frac{u_{\max }^{*}-u_{\min }^{*}}{u_{\max }-u_{\min }}---\left(1.4\right)$

其中为实际控制输出参数的最大、最小值；u_max、u_min为论域的最大、最小值，k′为比例因子；将实际值带入上式中可得：k_u＝2000/3；

步骤(2)心率传感器将收到的心率信号转换为心率值，STM32微处理器在一定时间间隔内对心率传感器进行采样，每当采样时间到后，STM32微处理器会根据收到的心率值应用公式(1.1)计算出心率偏差e′，应用公式(1.2)计算心率偏差变化量ec′；

步骤(3)利用步骤(2)计算出的参数来判断是否越界；如果计算的参数比设定的上界大则设定新的上界是计算的参数值，如果计算的参数比设定的下界还小则设定新的下界是计算的参数值；如果步骤(2)计算的参数在设定的范围内，则根据e′、ec′计算出实际输出的论域值E、EC，具体计算方法如下：

$E=\mathrm{int}[k_e(e^{\&prime;}-\frac{e_{\max }^{*}+e_{\min }^{*}}{2})\&PlusMinus;0.5]---\left(3.1\right)$

$\mathrm{EC}=\mathrm{int}[k_{\mathrm{ec}}({\mathrm{ec}}^{\&prime;}-\frac{{\mathrm{ec}}_{\max }^{*}+{\mathrm{ec}}_{\min }^{*}}{2})\&PlusMinus;0.5]---\left(3.2\right)$

在公式(3.1)和(3.2)中，当e′,ec′>0时取+，当e′,ec′<0时取-，其中表示心率偏差e的新的上下界值，表示心率偏差变化量ec的新的上下界值；

步骤(4)根据E和EC的值，查询模糊控制查询表，得到U，利用公式(4.1)计算出实际控制输出量u，实际控制输出量对应按摩电机的速度，也即是按摩的强度，

$u=k_u\&CenterDot;U+\frac{u_{\max }^{*}+u_{\min }^{*}}{2}---\left(4.1\right)$

其中为实际控制输出量的最大、最小值；

步骤(5)重复步骤(2)～(4)，使智能按摩椅处于正常工作状态。