按摩椅.docx

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按摩椅

摘要

按摩椅是根据物理学，仿生学学，生物电学、中医学以及多年临床实践而研制开发出的新一代保健器材。

本设计所选择的是电子按摩器中的震动按摩椅，利用单片机PWM控制直流步进电机的转速，从而控制震动的快慢和幅度。

步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。

它易于实现与计算机或其它数字元件接口，适用于数字控制系统。

本文介绍了基于AVR-ATmega16单片机的按摩椅调速系统的软硬件设计方法。

该系统接收到信号后，转化成步进电机的步进脉冲，然后通过单片机控制器驱动步进电机旋转，以带动丝杆传动系统，进而控制进步电机运动。

通过按键，用户可以让按摩机工作在最具舒适的按摩工作方式和振动速度上；利用蜂鸣器来告警或提示按摩完成；利用发光二极管显示当前的工作状态。

此按摩椅具有显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，具有广阔的市场前景。

关键词：

按摩椅；单片机；PWM；步进电机

Title：

Designofspeedregulatingsystemofintelligent

MassageChair

Abstract

Massagerchairisbasedonphysics,bionics,bio-electricity,medicineandclinicalpracticeformanyyearsanddevelopedanewgenerationofhealth-careequipment.Thedesignwaschosenbythevibrationintheelectronicmassagechair,useofmicrocontrollerPWMcontrolDCmotorspeedtocontrolthespeedandmagnitudeofvibration.Steppermotorisapulsedsignalconversionintolinearorangulardisplacementcontrolofmicro-motor，itsmechanicalangulardisplacementandspeedseparatelyandenteredmotorwindingisproportionaltothenumberofpulsesandpulsefrequency.Itiseasytorealizeandthecomputerorotherdigitalpartconnections,issuitabletothenumericalcontrolsystem.

ThisarticledescribesAT89C51microcontrollerMassageChairmethodofspeedcontrolsystemofhardwareandsoftware.Thesystemisthatthesignalisreceived,andturningthemintosteppermotorstep-by-steppulse,andthenclickthecontrollerdriveasteppermotortoturnscrewdrivesystem,whichcontrolsmotormotionprogress.Bykey,userscanleaveamassageinoneofthemostcomfortablemassageworkonspeedandvibration;usingabuzzertoalertorpromptmassagescomplete;workusinglight-emittingdiodedisplaysthecurrentstatus.Thismassagehasavisualdisplay,versatile,circuitsimplicity,lowcostandmanyotheradvantages,andhasbroadmarketprospects.

KeyWords：

MassageChair；Monolithicintegratedcircuit；PWM；

StepperMotor

1绪论

1.1选题背景

按摩是通过手法作用于人体的肌表，以调整人体的生理、病理状态，从而达到治病和保健的作用。

其作用原理与各种手法有密切关系，是依据祖国医学中的经络学说。

经络贯通于人体内外、上下联络脏腑，贯通九窍，是气血运行的途径，也是津液输布的网络。

经络壅阻，人体气血不畅，阴阳失调，就会产生疲劳和病变。

　　根据我国的中医经典理论，按摩能调解阴阳平衡，疏通气血经络，而且还能够活血化瘀、强身壮骨、调整脏腑、增强人体抗病能力等。

通过不同的按摩手法，能够达到平衡阴阳、疏通气血、平和脏腑、旺盛正气，使邪气不得侵袭。

故对儿童正常发育，青年健康成长，中老年人防止早衰具有独特的功效、尤其对从事伏案工作、商业、广告业、贸易及汽车驾驶人员（因长期缺乏锻炼而引起的倦怠无力，饮食障碍及颈、肩、背、腰等部位的酸痛）疗效显著，且无任何副作用；

　　现代西医则认为，按摩不但可以调整内分泌、加强胃肠蠕动、拨离组织粘连、缓和复位等作用，而且具有调节大脑皮层、皮质功能，使大脑神经产生冲动，进而达到兴奋或抑制神经作用。

　　我国传统中医认为，经络在人体内有运行血气，沟通内外，联络脏腑，贯穿上下的作用。

人体通过经络系统把各个组织器官连成一个有机整体，以进行正常的生命活动。

按摩治病，就是根据脏腑经络、营卫气血等学说，并视疾病发生的不同病因和症状，运用不同的补泻手法，以柔和、轻按之劲，按穴道，走经络，以改善经络的功能活动和调节卫气营血，并通过经络的传导作用，调整脏腑组织器官的功能，从而扶正气、祛邪气，达到治疗疾病的目的[1]。

　　大量科学研究实践证明，各种按摩手法是由各种动作所产生的力在机体上引起的一系列反应，人体接受按摩以后，能使大小循环系统畅通、血流丰富、改善血液循环，加速人体各器官组织的新陈代谢、消除疲劳、解除病痛，具有延年益寿之功效。

随着社会经济的发展、生活节奏的加快以及工作压力的增大，人们对健康越来越关注，由于家庭和办公室里个人电脑的普遍使用，导致肩部僵硬成为常见病。

按摩椅这种依据按摩原理而产生的保健器械越来越得到人们的亲睐，作为一种可以在短时间内缓解身体疲劳、放松神经的保健器械，得到广大消费者的喜爱，而且越来越普遍地进入寻常百姓家中。

人疲倦了，坐上按摩椅，听听音乐松弛神经，这就是科学的休息。

对于长时间坐着工作和学习的人来说，按摩令血液循环通畅，改善腰酸背痛及预防病症，还能提高睡眠质量，改善姿势及锻炼健康身体。

按摩椅的原理是利用机械的滚动力作用和机械力挤压来进行按摩。

人工推拿按摩能够疏通经络，使气血循环，保持机体的阴阳平衡，所以按摩后可感到肌肉放松、关节灵活，使人精神振奋、消除疲劳，对保证身体健康有重要作用。

对正常人来说，人工按摩能增强人体的自然抗病能力，取得保健效果。

但按摩椅的机械按摩与人工按摩是不同的，按摩椅虽有几个触点，但不能选穴、点穴和进行类似人工推拿的动作，只是模仿人“揉”、“捏”的动作，如图1所示。

因此，按摩椅只能消除疲劳、减轻不适，起到放松作用，不会有治疗作用，而且它的力道不易控制，力道小时，作用不大，力道大时则会使肌肉疼痛。

使用按摩椅要调整椅子按摩的力度，因为用力过小起不到应有的刺激作用，过大易产生疲劳，且损伤皮肤，按摩力量和次数要由少到多，由轻渐重。

要使用按摩椅掌握好按摩的时间，每次以20分钟为宜，最好早晚各一次，如清晨起床后和临睡前。

因此为按摩椅市场提供一款结构简单、功能多样、经济实惠的智能化按摩椅显得十分必要。

按摩椅构造图

1.2按摩椅的发展状况

按摩又称推拿，是一种古老的医治疾病的方法，远在两千余年前的春秋战国时期，按摩疗法就被广泛应用于医疗实践，以脏像经络理论为指导，根据不同的病情，在人体一定部位或穴位上运用不同的手法以疏通经络、畅通血气、调节脏腑功能，从而起到保健与治疗作用。

按摩分为医疗按摩和保健按摩。

医疗按摩是应用按摩手法以治疗疾病为目的的物理方法；保健按摩是运用按摩手法以达到防病健身、休闲娱乐和巩固疗效之目的的方法。

按摩是我国古代中医养生保健方法之一，它通过对身体各处的轻柔，达到行气活血、祛病强身的目的。

其中人工按摩是最受欢迎的消除疲劳的一种途径，但在外接受按摩，需要花费大量的时间和金钱，普通收入的人群很难承受；选择在家中完成，又因需要配合和手法力度未必到位等客观因素制约而难以达到预期效果，甚至可能带来副作用。

为此，近年来，国内外相关企业花费大量人力、物力和财力，开发出各种代替人工按摩的按摩器具，如：

按摩椅、脚部按摩器、按摩垫、按摩床、手持式按摩器、气血循环机（生氧机）及足浴按摩椅等。

  按摩器具是指通过机械、电子以及电热的技术方法产生模拟人手的各种按摩、揉捏、锤打以及电热等刺激人体某些穴位，以消除疲劳并起到定保健作用的电动器具。

按摩器具最早起源于日本，后在欧洲、北美等发达国家兴起，上世纪九十年代引进中国，经过短短的十几年，现已发展成为集设计、生产、销售和服务为一体的庞大的产业链，中国设计和制造的按摩器具在功能、性能上已达到了国际先进的水平，并成为世界出口量较大的国家。

据统计，2008年，全球按摩器具市场规模约56亿美元。

其中，美国按摩器具市场容量约为13．8亿美元；亚洲按摩器具市场容量约为20.2亿美元；欧洲按摩器具市场容量约为15.9亿美元；大洋洲按摩器具市场容量约为1.l亿美元。

2008年，全球按摩椅的市场容量约为16亿美元。

2009年全球按摩器具市场仍有望保持稳定小幅增长，但受金融危机影响，增幅会出现回落态势。

预计随着全球经济复苏，我国按摩器具的出口金额年均增长率仍可恢复到15-20%的较高水平。

到2012年，全球按摩椅的市场规模将达到33亿美元。

对国外市场的调研报告表明，日本仅按摩椅市场每年销售量就高达60万台，销售额约80亿人民币，由此可见该类产品的市场需求量之大。

  我国设计和制造的按摩器具在功能、性能上已达到了国际先进的水平，并成为世界出口量较大的国家。

据权威部门统计，目前全国生产和经营按摩器具的企业有1786家，出口销售额达千万美元的有14家，达百万美元的有172家，全国从业人员超过20万。

中国按摩器具的出口量越来越大，品种越来越多，2008年，我国按摩器具出口额达10．47亿美元，其中加工贸易2．73亿美元，因受金融危机的影响，同比仅增长8．9％，出口金额增幅明显回落。

预计随着全球经济复苏，我国按摩器具的出口金额年均增长率仍可恢复到15～20%的较高水平。

至2012年，按摩器具市场规模预计达到81．47亿美元[2]。

  近年来，随着科学技术的不断发展，人们的生活水平也发生了翻天覆地的变化：

但越来越多的物质诱惑使得我国目前的“亚健康”人群的比重已达到70%左右，超过了9亿人。

所谓亚健康，通俗一点讲就是指在健康与不健康之间的中问状态。

那何为健康呢?

1948年世界卫生组织指出：

人不但要没有疾病，而且要没有缺陷，同时还要有良好的生理、心理状态，以及社会适应能力。

如此看来，现代人的健康状态很不乐观。

而利用推拿按摩进行保健和治疗，是我国医学的传统项目，而随着具有保健治疗功能的各种按摩器具如按摩椅、脚部按摩器、按摩床、按摩垫等因对缓解疲劳、消除亚健康效果显著，备受处于亚健康生活状态的消费者欢迎。

臣大的需求与发展空间，使得我国的各种类型的家用按摩器具发展势头正劲，市场需求旺盛，已成为健康产品的一新的增长点。

除了传统的人工按摩外，按摩器具在现代人体闲保健生活中起着越来越重要的作用。

按摩器具不仅突破了传统人工按摩空间的限制，让人们有一个物美价廉的“家庭按摩师”，而且蕴涵着高新科技，使消费者能享受到高端技术带来的健康与舒适。

因此按摩椅正处在高速增长的黄金期、成长期。

理由如下：

第一：

现代消费新观念，为按摩椅的销售打下了坚实的基础。

一方面，人们有购买“按摩椅”的心理需求。

随着时代的进步，科学技术的广泛应用，人们希望自己的亲密座椅使用更加舒适，功能更加齐全，造型更加美观高档。

如目前市场上已有售价几万元的按摩椅，其购买者不在少数。

与此同时，现代社会中，人们工作节奏加快，工作效率高，竞争压力大，休息时间相对减少。

因此，人们非常珍惜休息时间，重视休息的质量，需要一个休闲康体的按摩椅。

传统的椅子已经不能达到人们休闲康体的需求，然而按摩椅的出现，正好填补了人们需求的空白。

另一方面，人们有购买和使用“按摩椅”的条件。

一是从经济条件看，人们的生活水平越来越高，消费水平越来越高，买得起，用得起。

二是从家具的品种来看，无论是办公室，还是在家庭，人们想到的品种都有了，正在寻找新的消费空间--按摩椅。

第二：

中国人口年龄结构变化趋势，是按摩椅的销售的前奏。

据报道，中国60岁以上的人口已超过1.3亿，占全国总人口的10%，已经进入了老龄化时代，老年人问题已成为全社会倍加关注的大问题。

在城市，“一对夫妇牵挂四个老人几乎是每一个家庭所面临的困难。

特别是在人们生活快节奏、工作高效率的今天和明天，对老年人特别是对长期卧床的老年人的照料问题，是每一个家庭，每一个做晚辈要遇到的问题。

有一张“按摩椅”，有利于老年人修心养性之外，还能为老人提供保健按摩，因此，必将受到每个家庭的欢迎。

第三：

中华民族的优秀传统文化，是按摩椅的销售的温床。

中国是世界闻名的礼仪之邦，文明之邦。

忠、孝、仁、义缺一不可。

“按摩椅”作为高级礼品，送给上司和朋友及商业伙伴以表忠心；送给父母、岳父岳母、公婆以尽孝心；送给情侣浪漫型；给新婚的亲朋好友表真情；更是人之常情。

老人群体、办公群体、休闲群体、新婚群体等，无处不在，爱心、孝心、事业心、激情、友情、爱情、感情无处不有，为按摩椅市场提供了无数的商机。

随着按摩椅市场的不断扩大，产品的推广与应用将会更加的广泛，而这种广泛的应用必然会导致产品以前只能揉腰捶背不同，现在的按摩椅几乎从头到脚都可以按摩到。

一些企业通过发展具有自主知识产权的核心技术，也给整个保健医疗器械行业带来了新的生气和更多的信心。

企业技术的更新换代，单靠模仿和仿制，以后将难以在市场上生存，按摩椅厂商必须加大自己的技术和产品开发力度，不断推出新产品。

随着企业在芯片、电脑程序等核心技术上不断进步，目前的按摩器具较之以前有了很大的变化，行业普遍感到只有专注于技术更新，加强产品品质和内部管理，才能谋求更高、更快的发展。

1.3按摩椅的研究意义

按摩椅可以疏通经络，使气血循环，保持机体的阴阳平衡，所以按摩后可感到肌肉放松、关节灵活，使人精神振奋、消除疲劳，对保持身体健康有重要作用，并可根据实际情况，选择需要的按摩力度和按摩压力。

系统按摩功能速度调节可以通过快慢按键实现。

按摩功能可以上下运行，局部以及定点进行按摩。

该按摩器控制系统中的主要硬件为AT89C51微处理器。

。

本控制系统采用的是AT89C51单片机驱动L298的输入和输出来进行控制进步电机从而实现按摩功能。

按摩椅是指通过机电、电子以及电热的技术方法产生模拟人手的各种按摩、揉捏、以及电热等刺激人体某些穴位，以消除疲劳并起到一定保健作用的电动工具。

如图2所示，按摩椅主要有两部分组成：

颈部、背系统控制电路板、电动机、丝杆及其润滑装置、s型滑动槽、机械手等。

各个区域划分为颈部、中部、腰图1.2按摩椅机械结构图

部以及尾椎四个按摩区间。

以大规模集成电路为主的微型计算机――单片微型计算机（Singlechipmicrocomputer），简称单片机，又称嵌入式微控制器[3]（Embeddedmicrocontroller）。

单片机具有优异的性能价格比，集成度高、体积小、可靠性高，控制功能强和低电压、低功耗等特点，在工业控制、智能化仪器仪表、智能接口、家用电器、儿童玩具、健身器材等许多领域都得到了广泛的应用。

随着社会的发展和进步，随着电子信息技术的飞跃，单片机开发与应用技术已经显得越来越重要，成为了一门重要的电子电气技术学科，同时亦成为了新产品研发设计的关键技术[4]。

现代社会发展越来越快，人们生活节奏也快，随之而来工作压力也越来越大。

人们渴望休闲，渴望健康。

于是当前人们对健康非常关注和重视，而按摩对人体健康有特殊促进功效。

按摩椅就是在这一背景下产生。

为了满足人们的需要和市场的需求，按摩椅控制系统开发技术应运而生。

本毕业设计采用单片机开发与应用技术而设计一种简易的按摩椅调速系统，以实现基本按摩功能。

本按摩椅传动控制电路可实现市面上各类型按摩椅的基本功能，并且结构简单，成本低廉，体积不大，可满足人体背部、腰部、足部以及颈部的按摩需要。

1.4本课题研究内容

本按摩椅调速系统利用AVR-ATmega16单片机完成系统总体控制功能，并利用按键、L12864液晶显示芯片、L298等外围设备为用户提供服务，实现人机交换，实现其按摩功能；通过按键，用户可以让按摩椅工作在最具舒适的按摩工作方式和振动速度上；利L12864液晶屏显示电机当前的转速快慢正反转等。

本按摩椅由步进电机的转动形成振动，而单片机可以通过控制振动的方式和时间来按用户的需要进行按摩，其具体按摩描述如下：

1）可以有5档速度进行按摩，按摩椅选用调速性能较好的进步电机，利用按键SB3和SB4对进步电机进行调速，共设5档速度。

按键SB3可以实现对步进电机加速；按键SB4可以实现对步进电机加速。

2）用户可根据个人喜好利用按键调节速度档次、按摩方式及预约。

按摩椅提供了5个按键：

两个调速定时按键，分别为SB3和SB4；一个启停转换按键SB1；一个正反转按键SB2；一个功能预约键SB5。

3）通过液晶显示当前按摩状态及速度变化情况。

4）通过蜂鸣器提示超时运转。

5）当按摩椅正常运转后，发光二极管显示运行状态。

2系统控制原理

2．1PWM脉宽调制

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

2.1.1PWM控制技术简介

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一[14]。

2.1.2PWM的基本原理

1）PWM信号简介

脉宽调制（PWM:

PulseWidthModulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

如图2.1所示，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

图2.1模拟电平的PWM数字编码

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码[15]。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式[16]。

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面[17]。

从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。

由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注[18]。

为求得改善，随机PWM方法应运而生。

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。

2）PWM调速原理

脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。

运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。

加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。

一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。

只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的。

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断