CN111820649A - 一种具有音乐节奏的动感座椅 - Google Patents
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Abstract
一种具有音乐节奏的动感座椅，包括座椅本体、伺服电机、凸轮和电子控制模块；伺服电机设在座椅本体底部并接凸轮；电子控制模块安装在座椅本体底部，包括音乐输入模块、缓冲放大模块、模数转换模块、微处理器模块及伺服电机驱动器；微处理器模块的输入端通过缓冲放大模块和模数转换模块与音乐输入模块连接，微处理器模块的输出端通过伺服电机驱动器与伺服电机连接，伺服电机的输出端通过编码器与伺服电机驱动器的输入端连接，伺服电机驱动器接三相交流电，微处理器模块包括微处理器、电源电路、复位电路、时钟电路和启动模式选择电路。该座椅能实现人听音乐的同时亲身体验到与音乐节奏相同的振动，从而增强对音乐节奏的感受，提高音乐带来的愉悦。
Description
技术领域
本发明涉及一种座椅，具体涉及一种具有音乐节奏的动感座椅。
背景技术
现有技术已能使动感座椅上下移动，或者左右、前后倾斜，也能使得座椅旋转。现有技术也能实现带音乐播放设备的座椅，使人能坐在座椅上听音乐。但是现有技术没有将音乐与座椅运动完美结合起来，使人缺乏对音乐节奏的体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有音乐节奏的动感座椅，能让人在座椅上听音乐的同时亲身体验到与音乐节奏相同的振动，从而增强对音乐节奏的感受，提高音乐带来的愉悦。
本发明采取的技术方案是：一种具有音乐节奏的动感座椅，包括座椅本体，座椅本体的坐板底部通过钢柱与底座连接，钢柱内部设有弹簧，其特征在于：还包括伺服电机、凸轮以及用于音乐节奏提取与驱动的电子控制模块；
所述伺服电机安装在座椅本体的坐板底部，其输出端与凸轮连接；
所述电子控制模块安装在座椅本体的坐板底部，包括音乐输入模块、缓冲放大模块、模数转换模块、微处理器模块及伺服电机驱动器；
所述微处理器模块的输入端通过缓冲放大模块和模数转换模块与音乐输入模块的输出端连接，缓冲放大模块用于将从音乐输入模块处收到的音乐信号放大，并将放大后的音乐信号送入模数转换模块后进行模数转换，微处理器模块的输出端通过伺服电机驱动器与伺服电机的输入端连接，伺服电机的输出端通过伺服电机内置的增量式编码器与伺服电机驱动器的输入端连接，伺服电机驱动器外接三相交流电源；
微处理器模块对音乐信号的节奏进行提取并向伺服电机驱动器发送控制伺服电机旋转的PWM信号，以带动凸轮旋转并产生上下震荡；
所述微处理器模块包括微处理器、微处理器电源电路、微处理器复位电路、微处理器时钟电路和微处理器启动模式选择电路；
微处理器通过运行程序从I/O接口，以每秒平均5次的方式，接收并计算输入信号的平均频率，然后通过比较得出频率极大值，并将极大值出现时间点作为节奏点，及时的在节奏点出现时通过其他I/O接口向伺服电机驱动器输出转动控制信号。
其进一步技术方案是：所述音乐输入模块的两根信号线，其中一根与手机和耳机连接的信号线相连，另一根接手机和耳机连接的地线，音乐输入模块将手机向耳机输送的音乐信号送往缓冲放大模块。
其再进一步技术方案是：所述缓冲放大模块包括电压隔离放大芯片U3和电位器RP1，该电压隔离放大芯片U3的连接如下：
电压隔离放大芯片U3的1脚接音乐输入模块通往耳机的信号线，电压隔离放大芯片U3的2脚接音乐输入模块通往耳机的地线，电压隔离放大芯片U3的4脚和5脚分别对应接5V电源的正极和负极，电压隔离放大芯片U3的8脚接模数转换模块电路的地，电压隔离放大芯片U3的11脚接模数转换模块电路的电压输入端Vin，电压隔离放大芯片U3的9脚接电位器RP1的一端，电压隔离放大芯片U3的10脚接电位器RP1的中间端，电位器RP1的余下端接中间端；
电压隔离放大芯片U3的作用是将从音乐输入模块处收到的音乐信号通过芯片内部的光电耦合电路对信号噪声进行隔离，再使用其内部的运算放大器对信号进行放大，可以通过调节9脚和10脚连接的电位器，调节到合适的放大倍数，然后将放大后的音乐信号送入模数转换模块。
其再进一步技术方案是：所述模数转换模块采用V/F转换电路，该电路包括V/F转换芯片 U4、积分电容CINT、滤波电容CREF、电位器RP2、电阻R2、电阻R3、差模输入电阻Rin、偏置电阻RBIAS和负载电阻RL1，该V/F转换芯片U4的连接如下：
V/F转换芯片U4的1脚经偏置电阻RBIAS接V/F转换芯片U4的4脚并接5V电源负极；
V/F转换芯片U4的2脚经电阻R3接地，V/F转换芯片U4的2脚同时接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电位器RP2的中间端，电位器RP2的一端接5V电源正极，电位器RP2的余下端接5V电源负极；
V/F转换芯片U4的3脚经差模输入电阻Rin接电压输入端Vin，即接电压隔离放大芯片U3的11脚，V/F转换芯片U4的3脚同时经滤波电容CREF接V/F转换芯片U4的5脚，以及经积分电容CINT接V/F转换芯片U4的12脚和11脚；
V/F转换芯片U4的6脚接地；
V/F转换芯片U4的7脚接5V电源负极；
V/F转换芯片U4的8脚经负载电阻RL1接5V电源正极，并同时接微处理器的11脚，向微处理器输送信号电压成正比的频率数字信号；
V/F转换芯片U4的9脚接地；
V/F转换芯片U4的14脚接5V电源正极；
该电路采用电荷平衡式V/F转换原理完成模数转换，输入电压首先经过差模输入电阻Rin转换成输入电流Iin，再向积分电容CINT充电而变成电荷Q1，极性为下正，上负；芯片内部开关接通a点，-5V基准电压VREF经开关对滤波电容CREF反方向充电，形成电荷Q2，极性为上正，下负；电荷Q2与电荷Q1极性相反，电荷Q1中的部分电荷被Q2中和，芯片内部积分放大器的输出电压Vo呈线性下降趋势，其下限值由芯片内部的阈值检测器来设定；当滤波电容CREF充电结束时，芯片内部开关接通b点，将滤波电容CREF短路，芯片内部积分放大器输出通过零点，为下次转换做好准备；当芯片内部积分放大器的输出电压Vo低于阈值检测器的阈值电压时，Vo端立即产生一个从0值到基准电压VREF值的正跳变；当输入电压Vin上升时，电荷Q1-Q2的增量为定值，维持电荷平衡所需基准脉冲数增加，输出频率与输入电压Vin始终成正比。
其再进一步技术方案是：所述伺服电机驱动器的电路连接如下：
伺服电机驱动器主电源端子R、S、T接三相200～230V交流电，伺服电机驱动器的U、V、W三相输出和接地脚分别与伺服电机电源相应脚连接，用于控制伺服电机运动的电源；
伺服电机驱动器CN1控制信号端的14脚接微处理器的14脚，用于接收微处理器输出的控制伺服电机旋转的PWM脉冲信号；
伺服电机驱动器的16脚接微处理器的16脚，用于接收微处理器输出的伺服电机转向信号；
伺服电机驱动器的15脚和17脚接地；
伺服电机驱动器的CN2接伺服电机内的增量式编码器，增量式编码器用于反馈伺服电机的旋转位置给伺服电机驱动器。
其更进一步技术方案是：所述微处理器采用STM32F103，电压隔离放大芯片U3采用ISO U1-P3-O4芯片，V/F转换芯片采用TC9401芯片，伺服电机驱动器采用东元TSTE20C伺服驱动器，伺服电机采用TSB08751C-2BT-3型伺服电机。
由于采取上述技术方案，本发明之一种具有音乐节奏的动感座椅具有以下有益效果：
1. 本申请座椅的支撑结构是由单个钢柱带弹簧支撑，座椅上的压力变化时弹簧会产生相应的伸缩，座椅也会随之产生高度变化。在座椅下方支撑坐板上固定伺服电机，电机轴上安装有较大质量的凸轮，当电机旋转一圈，便带动凸轮旋转一圈。由于凸轮重心不在旋转中心，旋转时重心会发生上下震荡，作用在弹簧上的压力也随之变化，整个座椅就会产生一次振动。当有音乐节奏时，音乐输入模块将手机向耳机输送的音乐信号送往缓冲放大模块，经过缓冲放大的音频信号再进行模数转换，模数转换模块将音频模拟信号各个固定时段内的平均能量用数字量表示，模数转换模块的V/F转换（电压/频率转换）电路能将电压信号转换为与之成正比的频率信号，模数转换模块输出频率数字信号到微处理器，微处理器运行程序接受信号，并实时计算识别出节奏点，每一个识别出来的音乐节奏点都能及时启动微处理器中的定时器工作，定时器安照设定的频率向伺服电机驱动器发送10000个周期的PWM波，伺服电机驱动器根据接收的PWM脉冲信号，通过调节PWM波控制其供给伺服电机的三相电源，使得10000个脉冲正好可以驱动伺服电机转动一圈，伺服电机转动时带动凸轮，就会产生振动，这振动与音乐节奏一致，从而给人带来强烈的音乐节奏体验。
2. 本申请采用STM32F103微处理器作为音乐节奏提取与驱动的处理模块，该处理器使用高性能ARM Cortex-M32位RSIC内核，内置高速大容量存储器，具有丰富的增强I/O端口，比使用一般计算机成本低，性价比要高。
3. 本申请缓冲放大模块主要由顺源公司的ISO U1-P3-O4芯片组成，调节该模块的电位器可以将100mV左右的音乐信号放大10倍，达到1V左右，便于将信号送入模数转换模块后进行V/F转换（电压/频率转换）；另外，该芯片采用的是阻容耦合方式可以有效消除噪声干扰。
4. 本申请采用东元TSB08751C-2BT-3型伺服电机和东元TSTE20C伺服驱动器，东元TSTE20C伺服驱动器外形精简而实用，具有转矩、速度、位置、点对点定位及混合模式切换功能，在本申请选择单模式中的位置控制方式，该方式可以准确控制伺服电机旋转角度。
5. 本申请设计的音乐节奏提取算法能准确提取音乐节奏，算法所占硬件资源较少，便于在微处理器上运行程序。
下面结合附图和实施例对本发明之一种具有音乐节奏的动感座椅的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明之一种具有音乐节奏的动感座椅的结构示意图；
图2为电子控制模块的原理框图（包括伺服电机）；
图3为电子控制模块的电路原理图；
图4为微处理器电源电路原理图；
图5为微处理器时钟电路原理图；
图6为微处理器复位电路原理图；
图7为微处理器启动模式选择电路原理图；
图8为缓冲放大模块电路原理图；
图9为模数转换模块电路原理图；
图10为伺服电机驱动器与伺服电机连接的电路原理图；
图11为音乐节奏提取的流程图；
图12为音乐节奏驱动的流程图。
图中：
1- 座椅本体，2-伺服电机，3-凸轮，4-弹簧，5-伺服电机驱动器，6-电子控制模块。
具体实施方式
实施例：
一种具有音乐节奏的动感座椅，包括座椅本体1、伺服电机2、凸轮3以及用于音乐节奏提取与驱动伺服电机的电子控制模块6；座椅本体的坐板底部通过钢柱与底座连接，钢柱内部设有弹簧4，座椅本体通过弹簧的伸缩来实现其高度自动调节，所述伺服电机采用TSB08751C-2BT-3型伺服电机，该伺服电机安装在座椅本体的坐板底部，其输出端与凸轮连接，该凸轮质量约为4KG，这样当电机旋转一圈，带动凸轮旋转一圈，而由于凸轮重心不在旋转中心，旋转时重心会发生上下震荡，作用在弹簧上的压力也随之变化，整个座椅就会产生一次振动；每当有音乐节奏时就会这样产生振动，这振动与音乐节奏一致；由于凸轮质量合适，产生的振动会让人清楚的感觉到，但是又不会使得座椅的坐板被压歪；
所述电子控制模块安装在座椅本体的坐板底部，也可以根据需要安装在座椅本体的背板上，包括音乐输入模块、缓冲放大模块、模数转换模块、微处理器模块及伺服电机驱动器5；
所述微处理器模块的输入端通过缓冲放大模块和模数转换模块与音乐输入模块的输出端连接，缓冲放大模块用于将从音乐输入模块处收到的音乐信号放大，并将放大后的音乐信号送入模数转换模块后进行模数转换，微处理器模块的输出端与伺服电机驱动器相关引脚连接，伺服电机的输出端通过伺服电机内置的增量式编码器与伺服电机驱动器的相关引脚连接，伺服电机驱动器安装在座椅本体的坐板底部位于伺服电机的另一侧，以保证座椅本体平衡，伺服电机驱动器的输入端外接三相交流电源；
微处理器模块通过找出1秒内频率的极大值点，确定为音乐节奏点，在节奏点时刻实时向伺服电机驱动器发送控制伺服电机旋转的PWM信号，伺服电机驱动器控制伺服电机带动凸轮旋转并产生与节奏点同步的上下震荡；
所述微处理器模块包括微处理器、微处理器电源电路、微处理器复位电路、微处理器时钟电路和微处理器启动模式选择电路；
所述微处理器采用STM32F103；
所述微处理器电源电路包括稳压芯片U1、稳压芯片U2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D1、电感线圈L1、电阻R1和激光二极管LD，稳压芯片U1采用LM2576T 5.0芯片、稳压芯片U2采用AMS1117 3.3芯片，二极管D1为MBR360，微处理器电源电路连接如下：
所述稳压芯片LM2576T 5.0的1脚接12V电源正极，稳压芯片LM2576T 5.0的2脚通过电感线圈L1连接5V电源正极，稳压芯片LM2576T 5.0的3脚接地，稳压芯片LM2576T 5.0的4脚与电感线圈L1和5V电源正极之间的接点连接后再与电容C4的一端连接，电容C4的另一端连接稳压芯片LM2576T 5.0的5脚并接12V电源负极，12V电源负极接地，该点电位为0，所述电容C3的两端分别与稳压芯片LM2576T 5.0的1脚和3脚连接，所述二极管MBR360的正极与稳压芯片LM2576T 5.0的5脚连接，二极管MBR360的负极与稳压芯片LM2576T 5.0的2脚连接；
稳压芯片LM2576T 5.0的工作原理：
稳压芯片LM2576T 5.0内部包含52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器、电压分压电阻网络及内部稳压电路等；为了产生稳定的输出电压，比较器的负端接基准电压，正端接分压电阻网络，将分压电阻网络的输出电压同内部基准稳压值进行比较，若电压有偏差，则用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而保持输出电压稳定在5V；
所述稳压芯片AMS1117 3.3的1脚接5V电源正极，稳压芯片AMS1117 3.3的2脚接地，稳压芯片AMS1117 3.3的3脚接3.3V电源正极，同时接微处理器STM32F103的47脚，作为微处理器STM32F103的工作电源电压，稳压芯片AMS1117 3.3的2脚与3脚之间并接电容C1和电容C2，所述电阻R1的一端与稳压芯片AMS1117 3.3的3脚连接，电阻R1的另一端与激光二极管LD的正极连接，激光二极管LD的负极接地；
稳压芯片AMS1117 3.3的工作原理：
稳压芯片AMS1117 3.3属于低漏失电压调整器，它内部的低压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的，调整管通过对输出电压采样，然后反馈到调节电路去调节输出级调整管的阻抗，当输出电压偏低时，就调节输出级的阻抗变小从而减小调整管的压降，当输出电压偏高时，就调节输出级的阻抗变大从而增大调整管的压降，以维持输出电压稳定在3.3V；
稳压芯片LM2576T 5.0降压后5V电源具有较大的脉动，平稳性较差，再经AMS1117 3.3芯片降压后才能得到平稳的3.3V，高质量直流电源；且12V电源为市场上常见的通用电源，一般的铅蓄电池有很多是12V，因此需要从12V降到5V再降到3.3V，而不直接从5V降到3.3V；
所述微处理器复位电路包括开关S1，电阻R4和电容C5，电阻R4的一端接VDD电源正极，电阻R4的另一端通过电容C5后接地，电阻R4和电容C5之间的接点接微处理器STM32F103的7脚，即接复位引脚NRST，所述开关S1的两个触点分别与电容C5的两端连接；微处理器复位电路的作用是使微处理器恢复到起始状态；
所述微处理器时钟电路包括外部晶振电路和实时时钟电路，
所述外部晶振电路包括晶体振荡器Y1、电容C6和电容C7，晶体振荡器Y1的1脚接微处理器STM32F103的5脚，同时通过电容C6接地，晶体振荡器Y1的2脚接微处理器STM32F103的6脚，同时通过电容C7接地；外部晶振电路频率为8MHz无源晶振，为微处理器STM32F103提供硬件时序；
所述实时时钟电路包括晶体振荡器Y2、电容C8和电容C9，晶体振荡器Y2的1脚接微处理器STM32F103的3脚，同时通过电容C8接地，晶体振荡器Y2的2脚接微处理器STM32F103的4脚，同时通过电容C9接地；实时时钟电路为32.768kHz，为微处理器STM32F103实时时钟提供晶振；
所述微处理器启动模式选择电路包括开关S2、开关S3、电阻R5、电阻R6，所述开关S2为单刀三掷开关，其动触点2通过电阻R5接微处理器STM32F103的20脚，即接Boot1引脚，其静触点1接VDD电源正极，静触点3悬空，静触点4接地；
所述开关S3是单刀双掷开关，其动触点2通过电阻R6接微处理器STM32F103的44脚，即接Boot0引脚，其两个静触点一个接接VDD电源正极，另一个接地；
通过Boot0和Boot1引脚不同的电平选择来选择不同的启动模式：
Boot0=0和Boot1=x，用户闪存被选为启动区；
Boot0=1和Boot1=0,用户内存被选为启动区；
Boot0=1和Boot1=1,用户SRAM被选为启动区；
一般选择用户内存为启动区；
微处理器通过运行程序从I/O接口，以每秒平均5次的方式，接收并计算输入信号的平均频率，然后通过比较得出频率极大值，并将极大值出现时间点作为节奏点，及时的在节奏点出现时通过其他I/O接口向伺服电机驱动器输出转动控制信号；
所述音乐输入模块的两根信号线，其中一根与手机和耳机连接的信号线相连，另一根接手机和耳机连接的地线，音乐输入模块将手机向耳机输送的音乐信号送往缓冲放大模块；
所述缓冲放大模块包括电压隔离放大芯片U3和电位器RP1，电压隔离放大芯片U3采用ISO U1-P3-O4芯片，该ISO U1-P3-O4芯片的连接如下：
电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的1脚接音乐输入模块通往耳机的信号线，电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的2脚接音乐输入模块通往耳机的地线，电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的4脚和5脚分别对应接5V电源的正极和负极，电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的8脚接模数转换模块电路的地，电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的11脚接模数转换模块电路的电压输入端Vin，电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的9脚接电位器RP1的一端，电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的10脚接电位器RP1的中间端，电位器RP1的余下端接中间端；
电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的作用是将从音乐输入模块处收到的音乐信号通过芯片内部光电耦合隔离电路可以有效消除噪声干扰，再使用内部放大器放大音乐信号，可以通过调节9脚和10脚连接的电位器，调节到合适的放大倍数，并将放大后的音乐信号送入模数转换模块；
所述模数转换模块采用V/F转换电路（电压/频率转换电路），该电路包括V/F转换芯片U4、积分电容CINT、滤波电容CREF、电位器RP2、电阻R2、电阻R3、差模输入电阻Rin、偏置电阻RBIAS和负载电阻RL1，所述V/F转换芯片采用TC9401芯片，该V/F转换芯片TC9401的连接如下：
V/F转换芯片TC9401的1脚经偏置电阻RBIAS接V/F转换芯片TC9401的4脚并接5V电源负极；偏置电阻RBIAS具有限流作用，为芯片内部放大器提供合适大小偏置电流；
V/F转换芯片TC9401的2脚经电阻R3接地，V/F转换芯片TC9401的2脚同时接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电位器RP2的中间端，电位器RP2的一端接5V电源正极，电位器RP2的余下端接5V电源负极；电阻R2具有限制调零电流大小的作用，电位器RP2具有为芯片内部放大器调零的作用；
V/F转换芯片TC9401的3脚经差模输入电阻Rin接电压输入端Vin，即接电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4的11脚，V/F转换芯片TC9401的3脚同时经滤波电容CREF接V/F转换芯片TC9401的5脚，以及经积分电容CINT接V/F转换芯片TC9401的12脚和11脚；
差模输入电阻Rin起到限制输入电流信号大小，使其在芯片电流处理范围内的作用；
滤波电容CREF起到正向充电时储存电荷的作用；
积分电容CINT起到反向充电时储存电荷的作用；
V/F转换芯片TC9401的6脚接地；
V/F转换芯片TC9401的7脚接5V电源负极；
V/F转换芯片TC9401的8脚经负载电阻RL1接5V电源正极，并同时接微处理器STM32F103的11脚，向微处理器STM32F103输送与信号电压成正比的频率数字信号；
V/F转换芯片TC9401的9脚接地；
V/F转换芯片TC9401的14脚接5V电源正极；
V/F转换芯片TC9401内部分为模拟部分和数字部分，主要包括：积分运算放大器、阈值检测器、单稳态触发器、自启动电路、模拟开关等，该电路采用电荷平衡式V/F转换原理完成模数转换，工作原理如下：
输入电压首先经过差模输入电阻Rin转换成输入电流Iin，再向积分电容CINT充电而变成电荷Q1（Q1=CINT*Vin），极性为下正，上负；芯片内部开关接通a点，-5V基准电压VREF经开关对滤波电容CREF反方向充电，形成电荷Q2（Q2=CREF*VREF），极性为上正，下负；电荷Q2与电荷Q1极性相反，电荷Q1中的部分电荷被Q2中和，芯片内部积分放大器的输出电压Vo呈线性下降趋势，其下限值由芯片内部的阈值检测器来设定；
当滤波电容CREF充电结束时，芯片内部开关接通b点，将滤波电容CREF短路，芯片内部积分放大器输出通过零点，为下次转换做好准备；
当芯片内部积分放大器的输出电压Vo低于阈值检测器的阈值电压时，Vo端立即产生一个从0值到基准电压VREF值的正跳变；
当输入电压Vin上升时，电荷Q1-Q2的增量为定值，维持电荷平衡所需基准脉冲数增加，输出频率与输入电压Vin始终成正比；
所述伺服电机驱动器采用东元TSTE20C伺服驱动器，该伺服电机驱动器的电路连接如下：
伺服电机驱动器的主电源端子R、S、T接三相200～230V交流电，伺服电机驱动器的U、V、W三相输出和接地脚分别与伺服电机电源相应脚连接，伺服驱动器能够根据接受到微处理器发来的PWM脉冲信号的频率调制并生成控制伺服电机旋转的U、V、W三相电源输出，从而控制伺服电机运动；
伺服电机驱动器CN1控制信号端的14脚接微处理器STM32F103的14脚，微处理器STM32F103将通过I/O接口（14脚）向伺服电机驱动器发送控制伺服电机旋转的PWM信号，使用的是设置好频率和PWM脉冲个数的内置定时器；
微处理器内预分频器的值设为1，由于通用时钟2的频率为72MHz，这样使用通用定时器2（为微处理器内几个定时器之一）输出的PWM波形频率为36MHz；伺服电机旋转一圈需要10000个PWM脉冲，1秒内最多有2个节奏，一秒内最多需要发20000个PWM脉冲，也就是20KHz。微处理器的通用定时器2输出的PWM波形频率大于20KHz，是可以达到要求的，并且能在很短的时间内让电机旋转一周，避免相邻两个节奏点混在一起；伺服驱动器接收到多少个微处理器STM32F103发来的PWM脉冲就会向伺服电机发送多少个PWM脉冲；
伺服电机驱动器的16脚接微处理器STM32F103的16脚，用于接收微处理器STM32F103输出的伺服电机转向信号，本申请只需要伺服电机向一个方向旋转，因此微处理器STM32F103只需向这个端口输出低电平；
伺服电机驱动器的15脚和17脚为反向电平，不用，接地；
伺服电机驱动器的CN2端口接伺服电机内的增量式编码器，增量式编码器用于反馈伺服电机的旋转位置给伺服电机驱动器，伺服电机驱动器收到反馈信号后再来控制伺服电机旋转，形成闭环控制，以达到精确控制伺服电机旋转的位置以及速度。
上述STM32F103微处理器、稳压芯片LM2576T 5.0、稳压芯片AMS1117 3.3、电压隔离放大芯片ISO U1-P3-O4，二极管D1 MBR360，V/F转换芯片TC9401，东元TSTE20C伺服驱动器， TSB08751C-2BT-3型伺服电机、及各电路中的电容、电阻、电感等均为市场上常见电器件，容易购买，且他们的内部电路结构图为公知内容，此处不再赘述。
本发明申请电子控制模块用于音乐节奏提取与驱动的算法：
1.音乐节奏提取：由于音乐节拍在1秒内出现1-2个节拍，对节拍信号处理速度的要求不高，因此微处理器把1秒分为5个等时分点，分别求信号200毫秒的平均能量，从5个采样点中找出极大值作为节奏点输出。硬件电路对音频信号的V／F转换采用低频输出策略，为了精确测量V／F的输出信号频率，采用测量周期的方法间接转换为信号频率。利用微处理器内部自带的时钟脉冲和高速计数器，通过高速计数器对时钟脉冲的计数实现系统定时功能。本申请采用累计的方法测量信号周期，即：记录200毫秒内脉冲的个数以及第一个和最后一个脉冲的到来时间。计算出该段时间内信号的平均周期。采用这种方法，每次发生硬件中断，微处理器只要计数脉冲数。每隔200毫秒才处理一次周期计算，减轻了微处理器的负担，信号周期可通过以下式子计算：
其中，K为计数器时间系数；PT和CT分别为第一个脉冲和最后一个脉冲到来时计数器的计数值；N为200毫秒内脉冲的个数，测周期算法流程如下：
(1)脉冲个数初始化，令N＝0；
(2)记录第一个脉冲到来时计数器的计数值，记为PT，同时令N＝1；
(3)记录下一个脉冲到来时计数器的计数值，记为CT，同时令N=N+1；
(4)计算时间差值tK = K×（CT-PT），若结果小于200毫秒则返回步骤(3)，直到满足K×（CT-PT）≥200毫秒，停止计数，通过式子计算周期
。测量得到的周期经转换得到对应的信号平均频率。
2.音乐节奏驱动：通常音乐信号的节奏点时刻即为出现能量极大值的时刻，求出的平均频率与该段时间内的能量大小成正比。所以本申请节奏提取算法为：在一段时间内，比较出采样点频率的极大值，作为节奏点。根据音乐节奏一秒钟左右出现一个节奏点的特点，将1秒内检测出的一个极大值作为节奏点输出。具体为：在某一时刻，比较它前面3个采样点的频率值。如果不小于前3个采样点的频率值就认为是节奏点。否则，推迟到下一时刻再进行比较。由于采样点是200毫秒内信号的平均频率。利用该算法从采样点得到的极大值点与信号实际的频率最大值的误差最大不超过200毫秒，延时较小，提高了实时性。
微处理器每确定一个节奏点就立即使用定时器2，通过I/O接口向伺服驱动器CN1控制信号端发送频率为36MHz的10000个PWM脉冲，PWM脉冲波形为方波。伺服电机驱动器根据接收的PWM脉冲信号，通过调节PWM波控制其供给伺服电机的三相电源，使得10000个脉冲正好可以驱动伺服电机转动一圈，伺服电机转动再带动凸轮旋转一圈，而由于凸轮重心不在旋转中心，旋转时重心会发生上下震荡，作用在弹簧上的压力也随之变化，因此整个座椅就会产生一次振动；其他节奏点也用同样的方法驱动。因此每当有音乐节奏时座椅就会产生振动，这振动与音乐节奏一致，人坐在座椅上，可增强人对音乐节奏的感受，提高音乐带来的愉悦。
Claims (6)
1.一种具有音乐节奏的动感座椅，包括座椅本体（1），座椅本体的坐板底部通过钢柱与底座连接，钢柱内部设有弹簧（4），其特征在于：还包括伺服电机（2）、凸轮（3）以及用于音乐节奏提取与驱动的电子控制模块（6）；
所述伺服电机安装在座椅本体的坐板底部，其输出端与凸轮连接；
所述电子控制模块安装在座椅本体的坐板底部，包括音乐输入模块、缓冲放大模块、模数转换模块、微处理器模块及伺服电机驱动器（5）；
所述微处理器模块的输入端通过缓冲放大模块和模数转换模块与音乐输入模块的输出端连接，缓冲放大模块用于将从音乐输入模块处收到的音乐信号放大，并将放大后的音乐信号送入模数转换模块后进行模数转换，微处理器模块的输出端通过伺服电机驱动器与伺服电机的输入端连接，伺服电机的输出端通过伺服电机内置的增量式编码器与伺服电机驱动器的输入端连接，伺服电机驱动器外接三相交流电源；
微处理器模块对音乐信号的节奏进行提取并向伺服电机驱动器发送控制伺服电机旋转的PWM信号，以带动凸轮旋转并产生上下震荡；
所述微处理器模块包括微处理器、微处理器电源电路、微处理器复位电路、微处理器时钟电路和微处理器启动模式选择电路；
微处理器通过运行程序从I/O接口，以每秒平均5次的方式，接收并计算输入信号的平均频率，然后通过比较得出频率极大值，并将极大值出现时间点作为节奏点，及时的在节奏点出现时通过其他I/O接口向伺服电机驱动器输出转动控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种具有音乐节奏的动感座椅，其特征在于：所述音乐输入模块的两根信号线，其中一根与手机和耳机连接的信号线相连，另一根接手机和耳机连接的地线，音乐输入模块将手机向耳机输送的音乐信号送往缓冲放大模块。
3.根据权利要求2所述的一种具有音乐节奏的动感座椅，其特征在于：所述缓冲放大模块包括电压隔离放大芯片U3和电位器RP1，该电压隔离放大芯片U3的连接如下：
电压隔离放大芯片U3的1脚接音乐输入模块通往耳机的信号线，电压隔离放大芯片U3的2脚接音乐输入模块通往耳机的地线，电压隔离放大芯片U3的4脚和5脚分别对应接5V电源的正极和负极，电压隔离放大芯片U3的8脚接模数转换模块电路的地，电压隔离放大芯片U3的11脚接模数转换模块电路的电压输入端Vin，电压隔离放大芯片U3的9脚接电位器RP1的一端，电压隔离放大芯片U3的10脚接电位器RP1的中间端，电位器RP1的余下端接中间端；
电压隔离放大芯片U3的作用是将从音乐输入模块处收到的音乐信号通过芯片内部的光电耦合电路对信号噪声进行隔离，再使用其内部的运算放大器对信号进行放大，可以通过调节9脚和10脚连接的电位器，调节到合适的放大倍数，然后将放大后的音乐信号送入模数转换模块。
4.根据权利要求3所述的一种具有音乐节奏的动感座椅，其特征在于：所述模数转换模块采用V/F转换电路，该电路包括V/F转换芯片 U4、积分电容CINT、滤波电容CREF、电位器RP2、电阻R2、电阻R3、差模输入电阻Rin、偏置电阻RBIAS和负载电阻RL1，该V/F转换芯片U4的连接如下：
V/F转换芯片U4的1脚经偏置电阻RBIAS接V/F转换芯片U4的4脚并接5V电源负极；
V/F转换芯片U4的2脚经电阻R3接地，V/F转换芯片U4的2脚同时接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电位器RP2的中间端，电位器RP2的一端接5V电源正极，电位器RP2的余下端接5V电源负极；
V/F转换芯片U4的3脚经差模输入电阻Rin接电压输入端Vin，即接电压隔离放大芯片U3的11脚，V/F转换芯片U4的3脚同时经滤波电容CREF接V/F转换芯片U4的5脚，以及经积分电容CINT接V/F转换芯片U4的12脚和11脚；
V/F转换芯片U4的6脚接地；
V/F转换芯片U4的7脚接5V电源负极；
V/F转换芯片U4的8脚经负载电阻RL1接5V电源正极，并同时接微处理器的11脚，向微处理器输送信号电压成正比的频率数字信号；
V/F转换芯片U4的9脚接地；
V/F转换芯片U4的14脚接5V电源正极；
该电路采用电荷平衡式V/F转换原理完成模数转换，输入电压首先经过差模输入电阻Rin转换成输入电流Iin，再向积分电容CINT充电而变成电荷Q1，极性为下正，上负；芯片内部开关接通a点，-5V基准电压VREF经开关对滤波电容CREF反方向充电，形成电荷Q2，极性为上正，下负；电荷Q2与电荷Q1极性相反，电荷Q1中的部分电荷被Q2中和，芯片内部积分放大器的输出电压Vo呈线性下降趋势，其下限值由芯片内部的阈值检测器来设定；当滤波电容CREF充电结束时，芯片内部开关接通b点，将滤波电容CREF短路，芯片内部积分放大器输出通过零点，为下次转换做好准备；当芯片内部积分放大器的输出电压Vo低于阈值检测器的阈值电压时，Vo端立即产生一个从0值到基准电压VREF值的正跳变；当输入电压Vin上升时，电荷Q1-Q2的增量为定值，维持电荷平衡所需基准脉冲数增加，输出频率与输入电压Vin始终成正比。
5.根据权利要求4所述的一种具有音乐节奏的动感座椅，其特征在于：所述伺服电机驱动器的电路连接如下：
伺服电机驱动器主电源端子R、S、T接三相200～230V交流电，伺服电机驱动器的U、V、W三相输出和接地脚分别与伺服电机电源相应脚连接，用于控制伺服电机运动的电源；
伺服电机驱动器CN1控制信号端的14脚接微处理器的14脚，用于接收微处理器输出的控制伺服电机旋转的PWM脉冲信号；
伺服电机驱动器的16脚接微处理器的16脚，用于接收微处理器输出的伺服电机转向信号；
伺服电机驱动器的15脚和17脚接地；
伺服电机驱动器的CN2接伺服电机内的增量式编码器，增量式编码器用于反馈伺服电机的旋转位置给伺服电机驱动器。
6.根据权利要求5所述的一种具有音乐节奏的动感座椅，其特征在于：所述微处理器采用STM32F103，电压隔离放大芯片U3采用ISO U1-P3-O4芯片，V/F转换芯片采用TC9401芯片，伺服电机驱动器采用东元TSTE20C伺服驱动器，伺服电机采用TSB08751C-2BT-3型伺服电机。
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