眼睛理療儀智能控制器設(shè)計(jì)

魏明（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215325）

眼睛理療儀智能控制器設(shè)計(jì)

魏明
（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215325）

眼睛理療儀智能控制器主要由主控制中心、人機(jī)交互系統(tǒng)（包括形狀觸摸控制、觸屏控制、語(yǔ)音控制）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外理療模塊、電磁理療模塊、音樂(lè)模塊組成。主控中心通過(guò)壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)。理療儀具有多種理療方式：振動(dòng)按摩、穴位定點(diǎn)按摩、硅膠體滑動(dòng)按摩、紅外理療、電磁理療，以及上述方式的任意組合。通過(guò)合理的軟件算法，實(shí)現(xiàn)控制方式的智能化、人性化，實(shí)現(xiàn)理療效果的最佳化。

眼睛理療儀；智能控制器；紅外理療；恒流源；振動(dòng)按摩

0　引言

目前市場(chǎng)的眼保儀存在諸多不足：1）功能相對(duì)較少，大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)單一的按摩功能；2）攜帶不便，大部分為有線按鍵控制；3）一體化結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性差，眼部的穴位定位不準(zhǔn)確；4）用于理療的紅外強(qiáng)度可調(diào)范圍小、理療的電磁強(qiáng)度不合理；5）系統(tǒng)安全不高，總體按摩效果不太理想。文獻(xiàn)［1］所設(shè)計(jì)的眼睛理療儀仍有許多不足，鑒于上述原因，本文在硬件電路上設(shè)計(jì)出低成本、智能化驅(qū)動(dòng)電路，并給出了相應(yīng)的控制算法。同時(shí)，控制器設(shè)計(jì)還兼顧提升性能和降低功耗。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

主控電路由按鍵模塊、藍(lán)牙模塊、觸屏模塊、紅外理療模塊（電磁理療）、氣動(dòng)控制模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語(yǔ)音模塊、音樂(lè)播放模塊、壓力檢測(cè)模塊組成。其中，按鍵模塊并非一般的單觸按鍵，而是立體形狀按鍵，原因是在理療過(guò)程中，無(wú)法“看到”控制電路，因此，可以通過(guò)觸摸不同形狀按鍵完成理療過(guò)程中的功能設(shè)置。處理器選用低功耗的C8051F410混合控制處理器，該處理器I/O口可通過(guò)交叉開關(guān)實(shí)現(xiàn)復(fù)用功能，電路設(shè)計(jì)靈活方便，內(nèi)帶12位A/ D轉(zhuǎn)換，任意I/O口均可設(shè)置成A/D通道入口，最多24通道AD，2通道12位D/A；對(duì)于實(shí)現(xiàn)理療功能多樣化，操作人性化、智能化具有較高優(yōu)勢(shì)。完整系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1　系統(tǒng)框圖Fig 1　System block diagram

本文主要介紹關(guān)鍵部分，即電源電路、輔助理療模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊，其它輔助模塊本文不作詳細(xì)介紹。

2　電源模塊

采用外部供電與電池供電相結(jié)合的供電方式，可以任選。電機(jī)等功率電源選用AC220V轉(zhuǎn)DC18V開關(guān)電源；光耦隔離控制；系統(tǒng)電源及其它輔助電源主要采用LM2596系列電源芯片，轉(zhuǎn)換效率達(dá)88%。其它電路的電源地、信號(hào)地、數(shù)字地必須采用磁珠隔開，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性。為了提高模擬量采樣精度，處理器、模擬電路系統(tǒng)供電采用ASM1117線性穩(wěn)壓芯片供電。電源電路如圖2。

圖2　主系統(tǒng)電源電路Fig 2　Power supply circuit of main system

3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L2916，該驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓范圍為10～45 V；最大750 mA的輸出電流，并且電流可設(shè)的1/3和2/3模式，有過(guò)熱保護(hù)，集成鉗位二極管；內(nèi)置防止低壓誤操作等保護(hù)功能，內(nèi)部每個(gè)PWM控制器由一組電橋、一個(gè)外部檢測(cè)電阻器（R4或R2）、一個(gè)內(nèi)部比較器和一個(gè)多諧振蕩器組成，來(lái)獨(dú)立檢測(cè)和控制輸出電流；總體驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，可靠性非常高。這樣，電機(jī)才能更好更穩(wěn)定的運(yùn)行，完成各種按摩動(dòng)作，不抖動(dòng)，提升按摩的效果?？刂菩盘?hào)從MIN端輸入，從MOUT端輸出。該模塊采用雙橋式的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)邏輯電位的變換，可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，由于雙橋驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電機(jī)控制上的特點(diǎn)，電機(jī)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的相互變換中更加穩(wěn)定快速，減小對(duì)電機(jī)的損傷，延長(zhǎng)電機(jī)的壽命，也保證按摩儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定，不易出現(xiàn)故障。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3。

圖3中，“PH1”，“PH2”，“OUT1A”等字符表示電路"網(wǎng)絡(luò)號(hào)"，與本文中其它電路圖中相同網(wǎng)絡(luò)號(hào)相連，下同。

R9，R10參數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中公式確定最大電流Im= Vref/10×R9，為節(jié)省成本，兼顧穩(wěn)定性，R12，C12組成一介濾波器，提供芯片參考電壓Vref=5V；R13，R14，C10，C11分別設(shè)置關(guān)斷延時(shí)；L3，C7，C13組成π型濾波器，為芯片提供穩(wěn)定的工作電源，同時(shí)起到與其它電源隔離作用。工作電流和相位關(guān)系如圖4。

圖3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig 3　Motor driver circuit

圖4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)相位圖Fig 4　Phase diagram of motor drive

4　觸摸模塊

需要連續(xù)調(diào)整的模擬量：以滑動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)電阻的分壓方式實(shí)現(xiàn)，再由A/D轉(zhuǎn)換由處理器通過(guò)DA或I/O控制各模塊；開關(guān)量：只要中斷檢測(cè)即可完成功能鍵的設(shè)定和控制。開關(guān)量按鍵的觸摸形狀：橫截面設(shè)計(jì)成正方形、橢圓形、三角形，也可以是小動(dòng)物形狀，達(dá)到觸覺(jué)識(shí)別目的。

5　紅外加熱理療模塊［2～6］

當(dāng)用戶設(shè)定好需要的溫度時(shí)，加熱絲開始慢慢加熱，這部分設(shè)計(jì)安全性是尤為重要，文獻(xiàn)［3］控制方式不太適合，局部溫度不能過(guò)熱，比如：在溫度傳感器損壞情況下，溫度也不能超過(guò)38℃，因此，采用恒壓、恒流供電方式［7，8］，而不是簡(jiǎn)單的恒壓方式；加熱可以分步啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速加熱，如果采用數(shù)控電流源方式，硬件電路復(fù)雜且成本高，測(cè)溫傳感器采用18B20實(shí)現(xiàn)，該傳感器總線式通信，多點(diǎn)采樣方便，即使某一個(gè)損壞其它傳感器仍能保持恒溫系統(tǒng)正常工作。紅外理療驅(qū)動(dòng)電路如圖5。

由于處理器D/A轉(zhuǎn)換器是電流型，因此，須經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換，即電流流過(guò)R16，R15，再經(jīng)二階RC濾波穩(wěn)定輸出，其中，R1，C15，R19，C18積分時(shí)間大于1 s，運(yùn)放選用LM324。恒壓電路設(shè)計(jì)：輸出點(diǎn)TP1恒壓，Q1選用P溝道型功率管IRF9530，輸出電壓Vtp1=（1+R21/R20）×Vdac=6Vdac；Q2選用N溝道功率管IRF1010，與R5、負(fù)載RL，U1B組成恒流源電路，電流大小等于Vctl/R5，R 19、R 15組成分壓電路作為系統(tǒng)默認(rèn)電流控制點(diǎn)，而R3由處理器I/O口控制，當(dāng)I/O口輸出高電平5 V時(shí)Vctl升高，增加電流，低電平時(shí)，Vctl下降，減小電流；這樣通過(guò)一個(gè)I/O實(shí)現(xiàn)3種電流模式的設(shè)置，由于處理器每個(gè)I/O又能作為A/D輸入使用，因此，在空閑時(shí)又可以作監(jiān)測(cè)點(diǎn)，C17容量遠(yuǎn)大于A/D采樣電容5 pF，不影響測(cè)量精度，因此，在TP2點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓、恒流輸出功能，N1，N2，N3，N4分散貼近加熱絲各部位，定時(shí)采樣溫度，防止局部過(guò)熱湯，TP3點(diǎn)是系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)實(shí)際工作電流（恒流電路損壞導(dǎo)致的過(guò)流）、工作狀態(tài)（比如R5燒斷），PWM_EN啟動(dòng)的時(shí)候作為A/D輸入通道監(jiān)視工作電壓或者結(jié)合TP3點(diǎn)完成系統(tǒng)自檢功能，正確設(shè)置后，PWM_EN可設(shè)置為脈沖控制方式（PWM）；PWM脈沖、工作電壓、工作電流、測(cè)溫模塊四部分結(jié)合實(shí)現(xiàn)任意溫度設(shè)置；電阻絲選用多圈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在PWM脈沖下，線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電磁理療［4，5］；這樣，該電路能夠兼顧系統(tǒng)智能化監(jiān)視（自檢、防過(guò)熱的安全性）、溫度設(shè)置（紅外強(qiáng)度）、電磁強(qiáng)度設(shè)置，使得穴位點(diǎn)的理療效果達(dá)到最佳。

圖5　紅外理療驅(qū)動(dòng)電路Fig 5　Infrared physiotherapy drive circuit

6　其它輔助電路

藍(lán)牙模塊［9，10］：藍(lán)牙通信使得音源選擇更靈活，更加個(gè)性化，也可與手機(jī)藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)控制。音樂(lè)播放模塊電路采用TDA2822集成電路實(shí)現(xiàn)音源信號(hào)的功率放大，驅(qū)動(dòng)內(nèi)置耳機(jī)。溫度傳感器采用 18B20，選用貼片封裝ADXL345BCCZ-RL7三軸加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集，平行于面部橫向振動(dòng)信號(hào)，垂直于面部的縱向振動(dòng)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)到舒適振動(dòng)頻率時(shí)，記錄振動(dòng)頻率及相關(guān)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，對(duì)于下一次理療設(shè)定，具有一定參考價(jià)值。如圖6，壓力傳感器選用FSR402電阻式薄膜壓力傳感器［11］，體積小，便于安裝，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線選用3 kΩ電阻器。輸出點(diǎn)Vos電壓在0～2 V范圍內(nèi)。

7　軟件算法流程圖

在硬件設(shè)計(jì)完成后，合理的控制算法也是提升理療效果的關(guān)鍵。從圖7中可以看出控制模式的靈活性，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)智能自檢，安全性較高。

8　系統(tǒng)電路測(cè)試

電源電路3.3 V：經(jīng)過(guò)調(diào)試與結(jié)合電阻器標(biāo)稱值，R1選用2 kΩ，根據(jù)公式計(jì)算R2=3.365 kΩ，選用3.3 kΩ，3.3 V電源電流實(shí)際輸出電壓3.263 V，負(fù)載電流0.13 A時(shí)，用數(shù)字示波器測(cè)量，紋波峰峰值電壓6.2mV，周期19μs，能夠滿足系統(tǒng)要求。實(shí)測(cè)波形如圖8所示。

圖6　壓力傳感器信號(hào)處理電路Fig 6　Signal processing circuit of pressure sensor

圖7　軟件控制算法Fig 7　Software control algorithm

圖8　電源紋波Fig 8　Power ripple

+5V電源電路：L1=100 μH實(shí)測(cè)輸出低壓5.025 V，工作電流1A時(shí)，室溫20℃條件下，芯片微熱，可見(jiàn)損耗比較低，效率較高，采用二介L(zhǎng)C低通濾波后，電源紋波40.6mV，對(duì)于本系統(tǒng)電路來(lái)說(shuō)，基本不影響，同樣達(dá)到要求。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：最大工作電流采樣電阻器R9，R10選用標(biāo)稱值1.2 Ω，實(shí)測(cè)最大電流Imax=0.417A（短路測(cè)試），比較接近理論值，能夠滿足要求。

恒壓恒流電路：由于電路輸入18V，輸出12V，因此，Q1 的VDS壓降可以忽略，因此，主要測(cè)試恒流電路性能，負(fù)載電流ILOAD分1，2，3A三檔的實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)表。

表1　恒壓恒流電路測(cè)試數(shù)據(jù)Tab 1　Test data of constant voltage and constant current circuit

從數(shù)據(jù)表中可以看出：由于RGS存在，使得Q2飽和壓降Vtp1-Vout，隨電流增大而增大，但不影響系統(tǒng)應(yīng)用；C8051處理器I/O口可以設(shè)置高阻模式，巧妙地實(shí)現(xiàn)一個(gè)I/O可以實(shí)現(xiàn)三種工作模式，一方面節(jié)省資源，另一方面高阻模式下（系統(tǒng)的恒溫模式），又作為模擬輸入通道，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢測(cè)目的；因此，該電路的能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓、恒流目、檢測(cè)的目的。

9　結(jié)論

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)方式靈活，且可擴(kuò)展多個(gè)；紅外理療電路能夠任意設(shè)置紅外理療強(qiáng)度、理療電磁強(qiáng)度等功能；特別是多模式控制方式，能較大地滿足不同用戶理療需求，通過(guò)上述實(shí)測(cè)結(jié)果，該電路在控制技術(shù)上的創(chuàng)新、理療模式上的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)控制方式智能化、人性化，理療效果最佳化。

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Design of intelligent controller for eye physiotherapy instrument

WEI Ming
（College of Applied Technology，Soochow University，Suzhou 215325，China）

System composition of intelligent controller of eye physiotherapy instrument is main controller center，human-computer interaction system，which includes shape touch control，touch screen control，speech control，motor driver module，infrared physiotherapy module，electromagnetic physiotherapy module and music player module.Main control center realtime monitor each parameter through pressure，temperature，acceleration sensors，it has variety of physical therapy mode，such as，Vibration massage，acupoint fixed point massage，sliding massage by silicone gel，infrared therapy，electromagnetic therapy，and any combination of above modes.Through reasonable software algorithm，realize intelligentize，humanization of control mode，and realize optimization of physical therapy effect.

eye physiotherapy instrument；intelligent controller；infrared therapy；constant current source；vibration massage

TP212

B

1000—9787（2016）06—0085—04

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0085—04

2015—08—10

魏明（1979-），男，江蘇徐州人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。