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摘 要
随着人口老龄化问题的日益严重和人民生活水平的提高，人们对老年人和残疾人的关注日益增加。这是一个需要社会关怀的庞大特殊群体，对轮椅和其他助行器的需求越来越迫切。为了帮助他们提高行动自由度，更好地融入社会，本文介绍了一种新型智能速度控制电动轮椅。
本设计基于AT89C51单片机和数字集成电路技术，将软硬件相结合，形成电动轮椅速度控制电路。它实现了轮椅速度的实时显示、超速报警和当前时间显示等功能，因此轮椅使用者可以随时了解当前时间并更好地控制速度。此外，该系统还提供了三种按键组合，主要用于在遇到湿滑、颠簸和普通路况时一键控制速度。系统软件用C语言编写，需要对每个功能模块中的主逻辑芯片进行时序控制。硬件部分主要设计了一种工作轮椅的程序控制。如果轮椅在移动过程中遇到恶劣的路况，如湿滑或颠簸的道路，它可以选择轮椅上的相应按钮并激活相应的模式。这种一键调节模式可以帮助老年人和残疾人测量轮椅的速度。本设计实现的电动轮椅智能速度控制系统不仅实现了轮椅前进、后退和停止的传统功能，还额外设计了一个轮椅行驶速度测试模块，在轮椅行驶速度过快时提供即时报警，使用户可以更安全地使用它。
关键词：智能轮椅；单片机；传感器
ABSTRACT
With the increasingly serious problem of population aging and the improvement of people’s living standards, people’s attention to the elderly and disabled is growing. This is a large and special group that requires social care, and the demand for wheelchairs and other mobility aids is becoming increasingly urgent. In order to help them improve their mobility and better integrate into society, this article introduces a new type of intelligent speed controlled electric wheelchair.
This design is based on AT89C51 microcontroller and digital integrated circuit technology, combining software and hardware to form an electric wheelchair speed control circuit. It realizes functions such as real-time display of wheelchair speed, overspeed alarm, and current time display, so wheelchair users can always know the current time and better control their speed. In addition, the system also provides three button combinations, mainly used for one click speed control in wet, bumpy, and normal road conditions. The system software is written in C language and requires timing control of the main logic chip in each functional module. The hardware part mainly designs a program control for a work wheelchair. If the wheelchair encounters adverse road conditions during movement, such as slippery or bumpy roads, it can select the corresponding button on the wheelchair and activate the corresponding mode. This one click adjustment mode can help elderly and disabled people measure the speed of the wheelchair. The intelligent speed control system of the electric wheelchair implemented in this design not only realizes the traditional functions of wheelchair forward, backward, and stop, but also additionally designs a wheelchair driving speed testing module, which provides instant alarm when the wheelchair driving speed is too fast, allowing users to use it more safely.
Key words：Intelligent wheelchair; singlechip; sensor
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1课题背景及其研究意义 1
1.2国内外发展现状 1
1.3本文研究内容 4
2 系统方案论证和工作原理 5
2.1 设计方案的论证 5
2.1.1主控制器模块 5
2.1.2避障检测模块 5
2.1.3显示模块 6
2.2 结构框图 7
3 硬件电路设计 8
3.1单片机选择设计 8
3.1.1 单片机芯片 8
3.1.2 电源电路 10
3.1.3 晶振电路 11
3.1.4 复位电路 12
3.2红外避障模块电路设计 12
3.3按键电路设计 13
3.4 LCD显示电路设计 14
4 程序软件系统设计 16
4.1 Keil程序开发环境 16
4.2主程序设计 17
4.3 显示子程序设计 18
4.4 按键子程序设计 19
5 仿真功能测试 21
5,1 系统功能测试 21
5.2 测试结论 22
6结论 23
参考文献 24
致谢 25
1 绪论
1.1课题背景及其研究意义
随着人口老龄化的加剧和社会问题的日益严重，以及人们对物质和精神生活水平的要求越来越高，为老年人和先天性或后天性残疾人士提供轮椅等高质量的辅助和行动工具已成为整个社会的优先事项之一。许多轮椅使用者依靠他人来控制轮椅的运动，这对轮椅的独立性和生活质量产生了重大影响。普通的轮椅需要使用双臂进行控制，这对许多没有护理人员的老年人来说非常烦人。行动自由和行动自由也受到严重限制，而智能轮椅为您独立和自由驾驶自己的车辆提供了先决条件。
为全球数十亿老年人和残疾人提供性能卓越的轮椅，帮助他们在各个方面提高行动能力和行动自由度，通过行动和社交更好地融入社会。目前，美国、韩国、英国、俄罗斯、德国和中国等许多国家都进行了研究，以智能、舒适和更实惠的成本更新一代电动轮椅，使现代智能轮椅具有智能避障、手动操作和位置监控等多种功能。由于目前商业市场上销售的智能轮椅成本高昂，普通人和家庭难以承受高昂的购销费用。此外，它们的功能不全面，安全性能差，引起了消费者对其安全性和其他方面的担忧。因此，我们迫切需要开发一种功能更强大、安全性能更好、价格实惠的智能轮椅。
因此，面对这样的市场，对智能轮椅的研究越来越多，越来越多的电动轮椅进入了消费者的视野。由于大多数电动轮椅的许多缺点，进口轮椅通常性能良好，但价格昂贵，超过了普通人的购买力。在中国，较为常见的电动轮椅具有显著的特点，但并不实用。因此，大多数家庭或医院仍然使用传统的手摇轮椅。对于那些使用电动轮椅的人来说，他们只依靠电机来控制速度，无法智能有效地控制速度。对于一些老年人和残疾人来说，电动轮椅在安全性和可靠性方面存在不足。与目前市场上大多数智能轮椅相比，我们在这种设计中避免了一些明显的特点，更加注重系统的可操作性、实用性和安全性。系统中的简单按钮，包括前进、后退、左、右和停止按钮，更加用户友好和易于使用。系统中的速度测量模块可以实时测量轮椅的速度。如果轮椅超过限速，可以及时减速，以避免危险，并为用户安全提供额外保障。
1.2国内外发展现状
（1）国外研究现状
为了有效保护没有腿的老年人和身体残疾的人，帮助他们改善行动自由，扩大活动范围，许多国家目前正在发展具有不同功能的智力残疾，无论是在国外还是国外。电动轮椅的研究始于20世纪40年代，当时汽车电池和电动机被用来制造普通的电动汽车。在研究开始时，小车只以不可调节的固定速度工作。后来，发明了一种滑动离合器机制，允许用户控制电动轮椅的速度。20世纪50年代，随着电动轮椅的发展，20世纪70年代微控制器的出现为残疾人提供了新的能源。电动轮椅脉冲测试。随着机器人技术、人工智能、导航技术、多传感器融合技术的发展，以及各种新型控制算法的出现，人们开始将这些先进技术和控制算法应用于电动轮椅，从而产生了智能轮椅。1986年，英国开始了对智能轮椅的首次研究，许多国家在智能轮椅的研发上投入了大量资金。其中最著名的是法国的VAHM项目，该项目始于1989年。该项目分为两个阶段，最终开发出功能更齐全、盈利能力更高、目标群体更广的第二代产品。西班牙SIAMO项目在ONCE基金会的支持下，完成了智能轮椅原型的生产。该项目始于1996年，为用户提供了极其丰富的人机交互方式，用户可以根据自己的实际身体状况进行选择，显著提高了轮椅的人性化和智能化。有五种驾驶模式可供选择：语音或呼吸控制、眼电法、头部运动驱动和操纵杆。麻省理工学院的Wheelesley项目开发了一种半自主机器人轮椅，允许用户从三种不同的控制方法中进行选择，包括先进的眼球运动控制。此外，还有德国乌尔姆大学的老年人和残疾人行动辅助项目、韩国开发的KAIST智能轮椅、加拿大AAI公司的TAO项目、日本国家残疾人康复中心将WIFI技术应用于Orpheu智能轮椅以及KISS学院的TINMAN项目等项目。国外对智能轮椅的研究起步较早，技术相对成熟，智能轮椅商业化发展。
（2）国内研究现状
中国在研究智能轮椅方面的时间和财力投入无法与海外相比。因此，智能轮椅的结构复杂性、操作灵活性和稳定性都无法与国外相比。然而，随着几家研究机构和大型大学的不断努力，我们与国外的差距正在逐渐缩小。目前，国内市场上销售的大多数智能轮椅都使用从国外进口的高性能控制器，包括美国PG Driver Technology和新西兰Dynamic Controls的知名控制器，这些控制器都是在国内安装的，成本很高。然而，大多数残疾人失去了部分劳动力，他们的收入不高，这使得他们很难支付。因此，我们迫切需要将研发重点放在具有成本效益的智能轮椅控制上，这些控制具有民用、成本效益和自主知识产权。
我们研发的智能电子轮椅作为一种现代公共服务设备，必须具备GPS跟踪定位、超声波避障、人机交互、应急救援等各种必要功能，使老年人和残疾人能够管理自己的生活，提高生活和工作质量，更好地适应生活和社会保障。目前，国内外研究机构对智能轮椅的关键技术进行了深入的探索和研究。智能轮椅是人工智能机器人技术的综合应用网络平台，集成了机器人研究领域的各种中低端技术。例如，机器人运动控制、图像处理、模型识别、多传感器信息技术集成、人机交互等。经过二十多年的研发，智能轮椅的交互性、自主性和安全性得到了显著提高。本节重点介绍国内外智能轮椅技术的研究现状、核心技术和发展趋势。
一般来说，智能轮椅是通过在标准电动轮椅平台上添加一台允许人机交互的计算机，以及各种传感器或在移动机器人上添加座位来制造的。第一项研究工作始于1986年，为轮椅导航设备引入了视觉控制系统。康奈尔和维奥拉随后在IBMT和沃森研究中心工作，在那里他们开发了一个移动机器人网络平台，通过控制棒、超声波和红外传感器实现行走、避障和导航等功能。Jaffe等人的智能轮椅训练计划使用两个超声波传感器来检测人体头部的位置，然后通过头部的姿势和运动来控制轮椅。经过二十多年的发展，国内外科学家先后开发了各种智能轮椅平台，如美国麻省理工学院、密歇根大学、匹兹堡大学、加拿大TA0、西班牙SIAMO、法国VAHM、德国乌尔姆大学AId、不来梅大学Roland FRIEDNSI、II、希腊SENARI0等。智能轮椅在中国起步较晚，但也有自己独特的技术优势和特点。我们自主研发了具有自主知识产权的智能轮椅，如中国科学院自动化研究所的多模式智能轮椅、嵌入式智能轮椅、上海交通大学的智能轮椅和深圳科技学院的智能轮椅。在控制架构方面，目前大多数智能轮椅平台使用从控制器方案。整个软件系统的整体管理由上位机接管，包括各功能组件的协作、任务规划、系统管理、人机交互等。还需要对运动控制变量进行计算并将其输入下位机，以实现智能轮椅信息系统的运动管理。由于其相对简单的硬件要求和简单的控制器设置，这种控制器模式是系统测试中使用的经典架构。但目前，大多数上位机使用普通的C计算机。由于信息系统的集成和处理，上位机的数据处理工作量大，系统负载也重，实时性能差，无法满足实际应用的需要。随着嵌入式信息技术的蓬勃发展，利用嵌入式控制系统构建智能轮椅平台也越来越受到科学家的关注。中国科学院自动化研究所开发的嵌入式智能轮椅管理系统已经在该技术领域进行了测试。在管理系统中，采用AR+DSP+FPGA的方法依次建立了智能轮椅的中央控制、传感器系统、视觉控制系统和运动控制。整个系统运行平稳，具有实时性高、能耗低、使用寿命长等优点。它在智能轮椅的工业化方面迈出了一大步。
1.3本文研究内容
采用AT89C51单片机作为主控制器，结合电源外围振动电路、直流电机驱动模块、实时时钟模块、液晶显示和声音报警模块。AT89C51微控制器与8051系列微控制器完全兼容，具有丰富的系统资源，完全满足该系统的设计要求。该系统通过旋转直流电机模拟轮椅运动过程，通过直流电机的速度模拟轮椅运动速度，并通过红外光检测测量轮椅运动速度。蜂鸣器、LCD1602显示和实时时钟的控制由微控制器IO引脚的TTL电平控制。在微控制器中，除了电源、晶体振荡器和接地连接外，所有其他引脚都可以直接连接到功能模块的驱动器引脚。
2 系统方案论证和工作原理
2.1 设计方案的论证
2.1.1主控制器模块
（1）AT89C51单片机
AT89C51单片机作为一种经典的8位微控制器，拥有广泛的用户基础和成熟的技术支持。它拥有稳定可靠的性能、相对简单的编程接口和适中的成本，特别适合于简单控制系统的设计。然而，由于其内部资源相对有限，对于复杂的数据处理和控制逻辑可能不够灵活[9]。
（2）STM32微控制器
STM32微控制器以其强大的性能、丰富的外设接口和高效的运算能力而著称。它适用于复杂且高性能的控制系统设计，能够轻松应对大量数据处理和实时控制需求。然而，STM32的价格相对较高，且编程复杂度也较大，对于小型项目或初学者可能不够友好[10]。
（3）STC89C52单片机
STC89C52单片机结合了高性能和适中成本的优点。它拥有稳定的性能、丰富的资源和灵活的编程接口，能够满足本设计的基本需求。同时，由于其指令系统与传统的8051单片机兼容，我们在开发过程中能够充分利用已有的资源和经验，降低开发难度和成本[11]。
综合考虑性能、成本和易用性等因素，最终选择了AT89C51单片机作为主控模块。它不仅能够满足本设计的基本需求，而且具有稳定的性能和较低的成本。此外，其灵活的编程接口和丰富的资源也将为后续的软件开发和维护工作提供便利。
2.1.2避障检测模块
（1） 采用红外光电开关
由于其方向性强、在介质中传播时间长，红外辐射被广泛应用于距离测量、障碍物检测等领域。红外障碍物检测和避障模块使用红外发射器在特定方向上发射红外线。红外线在空中传播，当障碍物击中时会立即返回。红外接收器接收反射光，并通过适当的电路对其进行处理，以确定障碍物的方向和距离。该模块是一个纯模拟电路，简单稳定。
（2） 采用超声波传感器
超声波传感器通过使用超声波传输模块在特定方向上发射超声波来检测障碍物。超声波在空气中传播，并立即返回超声波接收模块，以接收一定距离内的测量障碍物。然后，它们被相关电路处理，以相对较高的测量精度确定障碍物的相关方向和距离。但是程序处理相当复杂。
（3） 采用红外测距传感器对距离进行检测
GP2YOA21YKOF是基于PSD的距离传感器单元。它是一种微型传感器，有效距离测量范围为10-80cm，有效测量角度大于40度。输出信号是一个模拟电压，在0-8cm范围内与junine呈比例非线性关系，在10-80cm范围内呈逆非线性关系。平均工作信号约为30mA，响应时间约为5ms，对背光和温度具有很强的适应性。由于其输出信号为模拟电压且成本低，在工程和其他领域具有巨大的测量前景。但成本很高，程序也很复杂。
综合考虑之下选择方案一。
2.1.3显示模块
（1）1602液晶显示屏
1602液晶显示屏具有显示内容丰富、清晰易读和价格适中的特点。它能够显示多行文本和数字信息，适用于各种显示需求。同时，其接口简单、易于编程，方便我们进行显示控制[12]。
（2）OLED显示屏
OLED显示屏以其高对比度、鲜艳的色彩和快速的响应速度而备受青睐。能够呈现出更为生动、逼真的显示效果，为用户提供更佳的视觉体验。然而，OLED显示屏的价格相对较高，超出一些项目的预算范围。
（3）TFT彩色液晶屏
TFT彩色液晶屏以其高分辨率、广视角和丰富的色彩表现而受到广泛应用。它能够提供更为细腻、清晰的图像显示效果，适用于对显示效果要求较高的场合。但同样地，其价格相对较高，不适合所有项目[13]。
综合考虑显示效果、成本和应用需求等因素，选择1602液晶显示屏作为本设计的显示模块。
2.2 结构框图
本设计是一种基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统。它基于数字集成电路技术，以AT89C51单片机为核心，软硬件相结合，构成电动轮椅速度测试系统。系统结构框图如图 2.1 所示。
图2.1 系统结构框图本设计主要实现了一种基于51单片机的电动轮椅智能速度控制系统，包括实时时钟设置、显示当前系统时间、驱动直流电机、速度检查等。实物可以充分展示轮椅的速度检查和调节功能。该系统由硬件系统和软件系统两部分组成。系统软件采用C语言编写，易于阅读，具有良好的可移植性。各功能模块中的主要逻辑芯片定时控制要求：硬件部分主要实现电动轮椅速度控制电路，实现轮椅速度实时显示、超速报警和当前时间显示等功能，方便轮椅使用者了解当前时间，随时更好地控制速度。系统软件采用C语言编写，易于阅读，具有良好的可移植性。各功能模块中主逻辑芯片所需的时序控制：硬件部分主要为功能正常的轮椅设计一个程序控制器。如果轮椅在移动过程中遇到路面湿滑或颠簸等恶劣路况，可以选择轮椅上的相应按钮并启动相应模式。这种一键调节模式可以帮助老年人和残疾人测量轮椅的速度。
3 硬件电路设计
3.1单片机选择设计
3.1.1 单片机芯片
（1）AT89C51单片机的简介
图3.1 AT89C51单片机电路原理图
AT89C51是一种能量刺激和高活性的CMOS 8位微控制器，系统中具有较小的8K可编程闪存。使用Atmel高技术，该技术不会被储存技术压平，它与89C51的说明书和针头完全兼容。在我的芯片闪存上，你可以在系统中编程你的软件，它也适合普通软件用户。
AT89C51具有以下标准特性：8k无位闪存、256位无位RAM、256位RAM、32位I/O门线、狗时、2个数据、3-16位时间/talman、3-16位数时间/talmen、1个矢量2级停止结构、1个向量2级停止结构、全双线、片上晶体振荡器和1小时、256位内存、256位随机存取存储器、32位输入/输出门线、32位I/O门线、RAM、32位数输入/输出门线、2数据、3-16bit时间、3-16，并支持两种选择能源的软件选项。在非活动模式下，CPU停止运行并允许RAM、时间/数字、常规网关和停止运行。禁用控制可保存RAM内容，并停止所有微控制操作，直到恢复下一个停止或设置。
主要性能：
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
（2）AT89C51的时钟介绍
微控制器的工作过程是接收一条指令，对其进行解码，执行一个操作，然后接收另一条指令、对其进行编码并执行微操作。通过这种方式，微进程自动逐步完成相应语句指定的功能。每条指令的微操作都是严格按时间顺序排列的，不同微操作的时间顺序称为定时。AT89C51微控制器上的时间通常有两种产生方式：一种是内部时钟，另一种是外部时钟。
② AT89C51的时钟信号
晶体振荡器周期最小的时间单位。晶体振荡器信号被分频器分成两个交错的时钟信号P1和P2。时钟信号的周期也称为S状态，它是晶体振荡器的两倍周期。也就是说，一个时钟周期包含两个晶体振荡器周期。阶段1在每个时钟周期的前半部分有效，阶段2在每个时钟循环的后半部分有效。每个时钟周期有两个时钟P1和P2，CPU根据两相P1和P2手表的基本时钟控制不同组件的协调。
晶体振荡器信号除以12，形成一个机器周期。晶体振荡器周期包含12个晶体振荡器周期或6冲程周期。因此，每个机器周期的12个晶体振荡器脉冲可以是S1P1、S2P2……S6P6。晶体振荡器周期和机器周期是计算微控制器内其他时间值的基本时间单位。如果晶体振荡器频率为12Hz，则机器周期为1us，指令周期为1-4us。
（3）单片机中断的介绍
设计中使用了外部中断INT0/INT1和定时器T0。它们的中断请求标志是IE0、IE1和TF0。这些中断请求标志由特殊功能寄存器TCON和TMOD的相应位锁定。此设计侧重于中断权限寄存器。
① 中断允许IE寄存器控制CPU打开或阻止中断源。
在EA=0时，所有中断请求都被阻止，CPU不接受请求。
当EA=1时，CPU打开一个中断。只要来自五个中断源的中断请求可以是1，中断就打开。
② TMOD工作模式寄存器
它用于通过将89H和8位分为两组的字节来选择定时器/选择器的工作模式。用4位高校验T1，用4位低校验T0。作业模式说明：
位M1 M0模式选项，M1 M0 4编码选项，适用于4种操作模式：0模式，13位定时器/计数器模式。方法1 16位定时器/计数器；方法2：自动加载8位定时器/选择器；方法3仅适用于T0，它将这两个8位数字除。。
停止计数中断的触发方法：电平触发法和下降沿触发法。
3.1.2 电源电路
微控制器电源采用DC 5V电源，电源模块包括3针插座和6针电源开关。插座用于连接外部电源插头，其中引脚1连接到电源开关的引脚3。电源开关的引脚1、3、4和6具有相同的功能，用于电源的正输出。电源开关的第二和第五引脚用作微控制器的接地引脚。使用时，进行相对选择，即如果选择第一和第三引脚作为输出，则应选择第五引脚作为接地引脚，选择第四和第六引脚作为输出连接器，选择第二引脚作为接地线引脚。这次传感器和微控制器的无线传输scape的电压在5V以内，因此5V的电压就足以满足要求。如果有12V或其他电压的传感器，可以使用升压模块将5V增加到更高的电源电压。由于这种设计中的水泵在启动时会拉低整个电路的电流，因此在充电时添加了1000UF的电解电容器。该设计的电路如图3.2所示：
（支持资料、图片参考_相关定制）)
