CN102629115A

CN102629115A - 一种电动轮椅控制器

Info

Publication number: CN102629115A
Application number: CN2012100759003A
Authority: CN
Inventors: 王洪波; 史小华; 张继峰; 赵宇驰; 刘文龙; 严冰一; 李磊; 王军
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-08-08

Abstract

一种电动轮椅控制器，属于助老助残设备领域，包括：电位器式二维摇杆、模/数转换电路、四个功能按键电路、两位数码管显示电路、蓄电池电压检测电路和单片机及最小系统电路。单片机是控制器的核心器件。二维摇杆输出的模拟信号经模/数转换电路转换为数字信号，再由单片机处理判断，控制电动轮椅的行进方向和速度；四个按键的功能分别是：设置电动轮椅的速度升、降，声音警示和电源开关；两位数码管分别显示电动轮椅的速度和蓄电池电量；单片机有ISP在线下载接口，用于下载控制程序。本发明的控制器操作灵活轻便，成本低廉，控制器提供的程序在线下载（ISP）功能，能满足驾驶者个性化操作习惯的需要。

Description

一种电动轮椅控制器

技术领域

本发明涉及一种控制器，特别涉及一种适合老弱和下肢残疾/截瘫人群操作的电动轮椅控制器。

背景技术

我国已经进入老龄化社会，且老龄人口在加速增长，此外，由于疾病和灾害等原因造成的下肢运动障碍的患者也在显著增加，上述人群因为下肢活动能力的限制，对其日常出行活动产生了影响。而助老、助残型电动轮椅为老年人和下肢残疾人的出行提供了方便。电动轮椅控制器是电动轮椅的关键部件。目前，国内的电动轮椅市场还处于初期阶段，进口电动轮椅的控制器主要有英国PG和新西兰DYNAMIC，其方向控制都是通过一个摇杆来实现，单手或几个手指即可操纵摇杆实现方向控制（前、后、左、右四个方向和摇杆的摆动方向一致），其操作所需的力量很小，性能可靠、操作灵活，电动轮椅启动平缓，具有电磁制动功能，其主要不足是价格太高，市场售价在1500-2000元人民币之间。国产电动轮椅控制器主要有两种，一种是只可以实现速度调节，其方向控制需要驾驶者扭转电动轮椅前端的两个方向轮来实现，需要很大的操作力量，这对于上肢老弱的人来说，很不方便；另一种国产电动轮椅控制器的功能类似于上述进口的控制器，其电路板也多为从国外进口的，只是组装地点在国内，所以其售价也比较高，一般在1800-1000元人民币之间。上述市场上已有的控制器均没有提供在线下载软件的接口，故不能根据驾驶者的操作习惯随时修改其控制模式。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种电动轮椅控制器，包括：电位器式二维摇杆、模/数转换电路、四个功能按键电路、两位数码管显示电路、蓄电池电压检测电路和单片机及最小系统电路，电位器式二维摇杆的两路输出信号与模/数转换电路的模拟信号输入端连接，模/数转换电路的数字信号输出端和控制端与单片机连接，由单片机来控制实现从模拟信号到数字信号的转换，转换生成的数字信号再由单片机进行处理判断，实现控制电动轮椅的行进方向和速度；四个功能按键电路的信号输出端与单片机连接，两位数码管显示电路的控制端和与单片机连接，显示电动轮椅当前的行驶速度和蓄电池剩余电量。

所述的电位器式二维摇杆的内部有两个电位器（X、Y方向均有一个），电位器两端分别连接5V电压，摇杆摆动时会产生与摇杆位置对应的模拟电压信号（0~5V之间），其输出信号经模/数转换电路转换为数字型电压信号，由单片机接收并进行处理判断，控制电动轮椅的行进方向和速度。其软件设计方案是：二维摇杆既控制电动轮椅的行驶方向也控制电动轮椅的行驶速度，且摇杆的摆动幅度和电动轮椅的行驶速度成正比例关系，摇杆摆动方向和电动轮椅的速度方向一致。摇杆处于中间某一区域位置时，电动轮椅处于电磁制动的控制状态，并且电动轮椅的转弯形式可根据驾驶者的操作习惯选用不同的程序软件。

程序软件可细分为：

1、转弯形式可以是左右二轮反向旋转原地转弯；

2、可以是一轮转动一轮制动转弯；

3、可以是两轮同向旋转，但两轮有速度差来转弯。

所述的单片机设有ISP在线下载接口，用于下载控制程序，以满足驾驶者个性化操作习惯的需要。

所述的四个功能按键电路分别是：速度增加和速度降低按键，每按动按键一次，其信号被单片机接收和处理，控制电动轮椅电机转速增加和减少；蜂鸣器（喇叭）按键，在按键按下期间，蜂鸣器发声进行提示和预警；电源开关按键，每按动一次，单片机都控制继电器在电源接通和电源关断中循环，同时两位数码管显示对应的编码。

所述的蓄电池电压检测电路用于检测电动轮椅蓄电池的剩余电量，当电池电压低于某一数值时继电器会自动切断电源，以保护电池的使用寿命。由于电动轮椅电池电压太高不能直接进行模/数转换，需要经过分压后与模/数转换电路连接，由单片机控制模/数转换电路转换为数字信号后进行判断处理。

采用上述技术方案，本发明提供的电动轮椅控制器与现有技术相比，其有益效果是：

针对老弱和下肢残疾/截瘫人群的特点和出行活动需求，用二维摇杆控制电动轮椅的行驶速度和方向，操作灵活、轻便，成本低廉，控制器的程序在线下载（ISP）功能，更适应个性化操作习惯的需求。

附图说明

图1是电动轮椅控制器结构示意图；

图2是ADC0809构成的模/数转换电路图；

图3是AT89S51单片机及最小系统图；

图4是与单片机引脚连接的四个按键功能电路图；

图中：S1：蜂鸣器按键；S6：电源继电器开关按键；S7：速度上升按键；S8：速度下降按键

图5是单片机在线下载接口（ISP）图；

图6是2为数码管显示电路图；

图7是电池电量分压采集电路图；

图8是摇杆和电机控制接线端子图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种电动轮椅控制器，其结构组成如图1所示，包括：电位器式二维摇杆、ADC0809芯片组成的模/数转换电路、四个功能按键电路、74HC595芯片组成的两位数码管显示电路、蓄电池电压检测电路和AT89S51单片机及最小系统电路，如图3、图5所示，核心控制元件采用AT89S51单片机（U1），ISP在线下载接口（Jd2）和单片机引脚PWM2、MISO、SCK、RESET、VCC、GND引脚连接复用；AT89S51单片机具有程序在线下载（ISP）功能，用专用的下载线与单片机对应引脚端口连接，即可实现程序的下载更新，而无需取出单片机本身；电位器式二维摇杆的内部有两个电位器（X、Y方向均有一个），每个电位器两端都连接5V电压，摇杆摆动时会产生与摇杆位置对应的模拟电压信号（0~5V之间），该模拟信号经图2所示模/数转换电路转换为数字型电压信号，再由单片机（U1）进行处理判断，控制电动轮椅的行进方向和速度；二维摇杆既控制电动轮椅的行驶方向也控制电动轮椅的行驶速度，且摇杆的摆动幅度和轮椅的行驶速度成正比例关系，摇杆摆动方向和轮椅速度方向一致，摇杆处于中间某一区域位置时电动轮椅处于电磁制动的控制状态，并且电动轮椅的转弯形式可根据驾驶者的操作习惯下载不同的程序软件。程序软件可细分为：

1、转弯形式可以是左右二轮反向旋转原地转弯；

2、可以是一轮转动一轮制动转弯；

3、可以是两轮同向旋转，但两轮有速度差来转弯。

如图2所示，模/数转换电路由ADC0809芯片构成，ADC0809芯片（U11）和单机片连接引脚分别是：P07、P06、P05、P04、P03、P02、P01、P00、P34、P36、P27、P37、ALE，二维摇杆X、Y两轴电位器电压输出端子J2和蓄电池电压输出端子J1连接ADC0809芯片（U11）的AD-in0、 AD-in1 AD-in2引脚，由单片机控制，把二维摇杆输出的模拟信号转换为数字信号。数字信号输出端和控制端与单片机（U1）的对应引脚连接，转换后的数字信号再被单片机（U1）接收并进行处理判断，控制电动轮椅的行进方向和速度；

如图4所示，四个功能按键分别为：蜂鸣器控制按键S1、电源开关按键S6、速度升按键S7、速度降按键S8，它们分别和单片机（U1）的引脚MISO、JDQCON、spup、spdn相连，它们的具体功能分别为：速度增加和降低按键，每按动一次其信号都被单片机接收并处理，控制电动轮椅电机转速增加和减少；蜂鸣器（喇叭）按键，在按下期间蜂鸣器发声进行提示和预警；电源开关按键，每按一次单片机（U1）都控制继电器在电源接通和电源关断中循环，同时二位数码管显示对应的编码；两位数码管显示电路是由两片74HC595（U4和U7）串联（U4的QH1引脚连接U7的SER引脚）组成，其控制端和单片机（U1）的RCK1、CLK1、S11引脚连接。由单片机（U1）控制显示电动轮椅当前的行驶速度和蓄电池的剩余电量。单片机引脚JD-5通过光耦D2控制继电器通断，发光二极管D3指示控制器电源是否有故障，蓄电池电压检测电路用于检测电动轮椅电池的剩余电量，当电池电压低于某一数值时继电器自动切断电源，以保护电池的使用寿命。由于电动轮椅电池电压太高不能直接进行模/数转换，需要经过图7所示的电阻分压电路后与模/数转换电路图2的AD_in2引脚连接，由单片机（U1）控制转换为数字信号后再进行判断处理。

该控制器适用于控制由两个有刷直流电机作为驱动装置的电动轮椅，电源由电动轮椅的蓄电池来提供，电源电压可以是24V或36V（即2或3块12V蓄电池串联），经过降压到5V给该控制器电路提供电能。

该控制器可以安装在电动轮椅两侧扶手部位，靠近驾驶者手部，方便操作的位置。驾驶者只要用一个手或一个手的几个手指能操作摇杆即能灵活的控制电动轮椅行驶。

Claims

1.一种电动轮椅控制器，包括：电位器式二维摇杆、模/数转换电路、四个功能按键电路、两位数码管显示电路、蓄电池电压检测电路和单片机及最小系统电路，电位器式二维摇杆的两路输出信号与模/数转换电路的模拟信号输入端连接，模/数转换电路的数字信号输出端和控制端与单片机连接，由单片机来控制实现从模拟信号到数字信号的转换，转换生成的数字信号再由单片机进行处理判断，实现控制电动轮椅的行进方向和速度；四个功能按键电路的信号输出端与单片机连接，两位数码管显示电路的控制端和与单片机连接，显示电动轮椅当前的行驶速度和蓄电池剩余电量。

2.根据权利要求1所述的电动轮椅控制器，其特征在于：所述的电位器式二维摇杆的内部有两个电位器（X、Y方向均有一个），电位器两端分别连接5V电压，摇杆摆动时会产生与摇杆位置对应的模拟电压信号（0~5V之间），其输出信号经模/数转换电路转换为数字型电压信号，由单片机接收并进行处理判断，控制电动轮椅的行进方向和速度。

3.根据权利要求1所述的电动轮椅控制器，其特征在于：所述的四个功能按键电路分别是：速度增加和速度降低按键，每按动按键一次，其信号都被单片机接收和处理，控制电动轮椅电机转速增加和减少；蜂鸣器（喇叭）按键，在按键按下期间，蜂鸣器发声进行提示和预警；电源开关按键，每按动一次，单片机都控制继电器在电源接通和电源关断中循环，同时两位数码管显示对应的编码。

4.根据权利要求1所述的电动轮椅控制器，其特征在于：所述的蓄电池电压检测电路用于检测电动轮椅蓄电池的剩余电量，当电池电压低于某一数值时继电器会自动切断电源，以保护电池的使用寿命。

5.根据权利要求1所述的电动轮椅控制器，其特征在于：所述的单片机设有ISP在线下载接口，用于下载控制程序。