膝踝协调控制器设计与调试毕业设计说明书(编辑修改稿)

膝踝协调控制器设计与调试毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 6 图 4 TPS77001外围电路图 图 5 LTC3426外围电路图 图 6 TP4056外围电路图 传感器模块设计 本系统在样机调试时使用了 3个 EST248 型霍尔传感器，用来识别膝踝假肢的步态。 霍尔元件由 5V电源供电，有磁场感应时的输出是 0，没有磁场感应时输出是高电平 ； MSP430 单片机 I/O 接口电压在 3V 左右，低于霍尔传感器没有磁场时的输出电压，低电平为 0V 左右，所以需要信号调理电路将霍尔传感器无磁场输出电压降低到 3V。 信号调理电路如图 7。 河北工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 7 图 7 信号调理电路图 在信号调理电路中，三极管集电极电压由 DVCC_Board(3v)供电，当霍尔元件没有磁场时的输出电压为 时，三极管导通，因此 HALL 处输出 3V信号；当霍尔传感器有磁场感应时，其输出电压是 0，三极管不导通， HALL 处电平也是 0。 故 HALL处可直接连接单片机 I/O口。 当采集试验数据时，前后脚掌均使用 FSR402 型压力传感器。 压力传感器需接入一个运算放大器才可得出输出信号。 当压力传感器与地面接触的时候，其输出电压是0V，当压力传感器离开地面的时候，其输出电压是。 因此两个压力传感器需要连接调理电路进行电压转换，如图 8 所示。 两个压力传感器需要两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器的 LM358 芯片（如图 9），可以满足同时接入两个压力传感器。 为了采集假肢膝关节与踝关节的角度变化数据，还需在假肢膝关节与踝关节的 同轴上安装 RDC50 型角度传感器，其输出电压是 0V～ 5V，由 5V 电源供电，也需要将输出电压转换为 3V 以内并且连接到 MSP430 单片机具有 A/D 能力的 I/O 接口。 其外部调理电路与霍尔传感器所使用的外部电路相同，如图 7 所示。 图 8 电压调理电路 河北工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 8 图 9 LM358芯片 步进电机驱动模块设计 智能膝踝协调控制系统主要是通过点击调整气缸针阀开度，从而实现不同步速下对膝关节和踝关节气缸阻尼调节的目的。 步进电机具有响应速度快、控制精度高、体积小重量轻、电池寿命长等特点，符合智能下肢对电机的要求，因此本课题使用的电机是海顿直线电机公司生产的 20200 系列永磁式直线步进电机，它使用双极性绕组，工作电压 5V，功率 ，步距角 15。 ，步长 ，最小推力 6N。 本步进电机的驱动方式为双极性驱动，每极只有一个绕组，通过改变绕组中的电流方向，改变相应极上大电磁极性。 在智能假肢膝踝协调控制系统中，我们选用 FAN8200D 同时控制两个步进电机。 FAN8200D 是一款集成低电压单片式步进电机驱动器，能同时驱动两相电路。 可以满足假肢控制器电源模块的需求，输出时序稳定，没有电机抖动和丢步现象，其电路原理图如图 10 所示。 其中 FAN8200D 的 IN IN2 引脚接 MSP430 单片机的 、 引脚， CE CE2 引脚同时接 引脚， OUT OUT OUT OUT4 引脚直接和步进电机相对应的引脚连接。 由 FAN8200D 的控制时序可知，在电机运动开始后，在一个周期内， CE CE2 引脚保持高电平，即单片机 口输出高电平。 而 IN1 引脚电平的变化顺序为低、高、高、低 ,IN2 引脚电平的变化顺序为高、高、低、低，对应 的输出电平的变化顺序是低、高、高、低， 输出电平的变化顺序为高、高、低、低。 故对应 MSP430 单片机 P1OUT 的输出变化为 0x0 0x0 0x0 0x02。 河北工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 9 图 10 FAN8200D电路图 串口通信模块设计 串口通信用途非常广泛，很多工业总线都是以串口通信为基础。 本课题中，我们通过 PC 上位机软件来调试控制器的参数，控制器通过 RS232 接口与 PC 机相连。 由于MSP430 芯片的 I/O 口是 TTL 电平，不能与 RS232 直接相连，需要进行电平转换才能正常工作。 使用 SP3232EEN 数字芯片进行电平转换，可以加强电路的稳定性，它的电源电压区间是 ，非常方便，并能够支持进行两路串口的电平转换。 TXD、RXD 引脚与 MSP430 单品机带有 UART 功能的 I/O 引脚直接相连， TIOUT、 RIN 引脚直接和九针串口的 3管脚连接，实物图如图 11。 图 11 SP3232EEN电路图 本系统里，通过 SP3232EEN 芯片进行电平转换，串口通信波特率设为 9600bps，实现上位机和 MSP430 单片机进行数据传输。 河北工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 10 红外通信模块 除上述通过串口通信调整膝踝协调假肢控制器参数的方法外，我还设计了一款基于红外通信的手持遥控器，它使用红外传输的方法来调整控制器参数。 红外数据通信是一种通过红外线在两台设备间进行数据信息交换传输的通信方法，这种通信方法采用红外线波长在 m~25μ m之间。 本课题设计的红外通信系统主要由单片机、编解码装置、收发装置组成。 由于在红外通信中采取特定的脉冲编码标准，这和 MSP430单片机的 RS232通信标准不一样，所以我们要进行红外脉冲编码标准与 RS232通信标准之间的转换。 我选用HSDL7001芯片来实现这两种标准的转换，它主要完成对发送的数据进行编码和对接收到的数据进行解码。 HSDL7001芯片特点包括：符合 ；接口与 SIR收发器相兼容；可直接与单片机的 UART相连；可发送 /接收 s或 3/16脉冲形式；内部或外部时钟模式；波特率可编程；工作电压范围为 ~。 电路原理图如图 12。 其中 ， 3引脚直接与 MSP430单片机带有 UART功能的 I/O引脚相连， 11引脚与HSDL3201芯片的 7引脚相连，实现 TTL电平串行数据的相互转换， Y1为 ，用来提供芯片内部工作时钟。 收发装置主要实现以红外方式进行信息的接收和发送。 收发器使用 HSDL3201芯片，比较廉价工作电压为 ，符合 (低功耗的 )物理层规范，可直接与 HSDL7001编解码芯片连接使用，电路原理图如图 13。 图 12 HSDL7001芯片电路原理图 河北工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 11 图 13 HSDL3201芯片电路原理图 2． 3 小结 综上所述，在本课题的红外通信系统中， HSDL7001芯片将 MSP430单片机串口发送的数据按照红外脉冲的特定格式编码，再由 HSDL3201芯片将编码好的数据发送出去。 HSDL3201芯片接受其他红外线设备发送的信息，并把数据传递给 HSDL7001芯片实施解码，解码完成把信息再传递给 MSP430单片机。 3 膝踝关节针阀开度曲线测定 为了完成对智能假肢的膝踝协调实时控制，我们需要在不同步速下，对一个周期内膝关节与踝关节的针阀开度进行测定，即步进电机运行的步数，形成一个完整的专家知识库，从而达到良好的控制效果。 3． 1 测试方案设计 图 14 测试示意图 轨迹 磁铁 霍尔 1 霍尔 2 霍尔 3 河北工业大学城市学院 2020 届本科毕业设计说明书 12 如图 14 所示，三个霍尔元件的位置固定，磁铁从第一个霍尔元件开始，运动到第三个霍尔元件，然后从第三个霍尔传感器返回到第一个霍尔传感器，即为一个步态周期； ClassWizard 把程序代码填写到基本框架中。 3． 2 MFC测试程序开发 MFC 简介 MFC（ Microsoft Foundation Class Library）中有一个基本的应用程序框架，这歌框架是由各类组合形成的，程序员可以在这个框架的基础下编写 windows 的各种程序。 MFC还为用户提供了各种接口，用户可以按照基本框架编写程序，并通过接口实现更多的功能。 Microsoft Visual C++提供了相应的工具来完成这个工作：AppWizard 可以自动生成程序基本的框架；资源编辑器可以协助用户简洁明了的实现用户接口；然后进行编译。 用 MFC 编写上位机程序，原理简单，集成了许多功能，可以大大简化开发过程，减少错误，极大程度降低了开发难度。 MFC 具有以下优点： (1)MFC 捆绑了一系列的套件，这些捆绑的套件给程序员提供了非常大的方便，减少了许多程序员的编写内容，也使得用户编写的程序更加优质可靠。 (2)RUNTIME_CLASS 给开发者提供了一个通过接口创建对象的机制。 在面向接口的编程里，这样的机制是非常重要的。 (3)MFC 采用消息映射机制。 因此， MFC在编写 windows 程序上受到了众多用户的欢迎。