基于壓電薄膜傳感器的肘部運動檢測系統(tǒng)設(shè)計

作者/ 楊航 董維杰 大連理工大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(遼寧 大連 116023)

摘要：本文介紹了一種基于可貼在衣服上的柔性傳感器和STM32單片機(jī)的乒乓球運動檢測系統(tǒng)，利用DT1-028K壓電薄膜傳感器感知肘部運動，輸出電壓信號經(jīng)過放大，利用單片機(jī)完成數(shù)字濾波、參數(shù)測量和數(shù)據(jù)顯示。測量參數(shù)包括單點擊球次數(shù)、擊球頻率和擊球總數(shù)等。實驗驗證了穿戴式柔性傳感器在運動檢測方面應(yīng)用的可行性。

引言

　　可穿戴技術(shù)的研究和市場化發(fā)展迅猛，多用于健康監(jiān)測和運動檢測等。根據(jù)市場分析公司CCS Insight的調(diào)查報告，健身和活動跟蹤設(shè)備2015年銷售較2014年增長了2倍^[1]。這些成熟產(chǎn)品一般是智能手表、手環(huán)、夾式裝飾品，未來將柔性傳感器與織物結(jié)合的可穿戴技術(shù)是必然趨勢。WU等人研究的智能膝套是由萊卡面料涂上一層薄的導(dǎo)電聚吡咯組成，該可穿戴式傳感系統(tǒng)可以對人體監(jiān)測并提供及時、客觀的反饋^[2]。李建清等人設(shè)計了一種柔性肩關(guān)節(jié)運動傳感器，該傳感器包括兩片相同的傳感極片，每片極片具有第一絕緣層、電容極板層、第二絕緣層及靜電屏蔽層四層疊合結(jié)構(gòu)。該專利廣泛用于康復(fù)醫(yī)療、運動檢測等領(lǐng)域^[3]。本文展示了柔性壓電薄膜傳感器在乒乓球運動檢測中的應(yīng)用，可實時監(jiān)測單點擊球次數(shù)、頻率和擊球總數(shù)。在乒乓球12點制比賽中，單點擊球次數(shù)即每打1點(或1分)所擊中球的次數(shù)，頻率常用來衡量乒乓球愛好者的擊球穩(wěn)定度，擊球總數(shù)可表示鍛煉者的體能消耗。

1 傳感器選型

　　利用傳感器來檢測肘部運動，可以選用傳統(tǒng)加速度傳感器或者PVDF壓電薄膜傳感器。加速度傳感器的優(yōu)點是輸出量為數(shù)字量，單片機(jī)能夠直接處理?？墒?，傳統(tǒng)加速度傳感器較硬，與人體接觸性不好。而壓電傳感器薄、柔軟、質(zhì)輕，比較適合測量肘部運動，同時，它還具有測量頻帶寬、動態(tài)范圍寬、聲阻抗低、穩(wěn)定性高、靈敏度高等特點^[4]，適于做運動檢測傳感器。

　　本文選用壓電薄膜傳感器，將傳感器貼在護(hù)肘上，如圖1(a)所示。該傳感器適合測量動態(tài)力，其工作原理是壓電效應(yīng)，即材料受到拉伸或壓縮會產(chǎn)生與其所受形變成正比的電壓或電荷^[5]。揮動球拍時，肘部彎曲，使壓電薄膜受到拉伸，在兩個電極間產(chǎn)生一個電壓脈沖，如圖1(b)所示。

2 硬件電路設(shè)計

　　運動檢測系統(tǒng)由STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓放大電路、限幅電路、復(fù)位電路、SWD接口、啟動模式設(shè)置接口、LCD顯示電路和5V轉(zhuǎn)3.3V直流電壓轉(zhuǎn)換電路組成，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

　　壓電傳感器常用的調(diào)理電路包括電壓放大與電荷放大。使用單電源供電芯片LM324N進(jìn)行同向電壓放大，放大倍數(shù)為10倍。為了防止過高的電壓輸入單片機(jī)IO口損壞芯片，使用IN4728A型穩(wěn)壓二極管限制輸入單片機(jī)的最高電壓為3.3V。STM32單片機(jī)ADC采樣電壓的范圍是0V~3.3V。

　　揮動乒乓球拍一次，放大前后信號如圖3所示。圖中，L₁代表原始信號，電壓峰值為0.22V，一般為250mV左右;L₂代表放大后的信號，圖中為2.2V。

3 軟件設(shè)計

　　軟件部分完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、閾值處理、統(tǒng)計計數(shù)等，主程序框圖如圖4所示。

3.1 AD采樣

　　STM32自帶分辨率為12位的ADC，其分辨的最小模擬電壓約為0.8mV，滿足設(shè)計要求^[6]。通過合理地設(shè)置采樣頻率以及工作模式，可以將傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)便于分析處理的數(shù)字信號，本文采樣頻率為1000Hz。

3.2 濾波器設(shè)計

　　將經(jīng)放大、穩(wěn)壓、A/D采樣后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，發(fā)現(xiàn)一次揮拍動作產(chǎn)生相距很近的兩個尖峰，因此，要設(shè)計低通濾波器濾除高頻干擾。為了防止誤判，濾波器設(shè)計成為了運動檢測系統(tǒng)中非常重要的部分。

　　常用的濾波方法分為硬件濾波和軟件濾波。軟件濾波能夠節(jié)約硬件成本，方式靈活，可以達(dá)到硬件電路難以達(dá)到的濾波效果，只是依賴處理器的數(shù)字信號處理能力，并且消耗一定的CPU時間^[7]。首先通過MATLAB生成FIR(有限長單位沖激響應(yīng)濾波器)濾波系數(shù)，仿真驗證后，再移植到STM32單片機(jī)里。

　　濾波前采樣信號的時域、頻域圖像如圖5所示。由圖可見，幾赫茲處信號的幅度比較高，這符合人們揮拍頻率較低的規(guī)律;50Hz工頻的干擾以及39Hz左右的信號幅度也很大。由于揮拍的頻率一般只有幾赫茲，因而濾除36Hz以上的頻率。用漢明窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器的特點是沒有反饋回路，并且系統(tǒng)一直穩(wěn)定^[8]。濾波器的截止頻率為36Hz，得到濾波器系數(shù)為17個。

　　在MATLAB中濾波后的時域、頻域圖像如圖6所示。由圖可見，濾波后，時域波形非常平滑，高頻干擾受到較大抑制，證明FIR濾波器的應(yīng)用是可行的。

　　將MATLAB生成的17個濾波系數(shù)存入STM32中FIR濾波子程序的系數(shù)數(shù)組，F(xiàn)IR濾波子程序由兩個函數(shù)組成，一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新和移位;另一個實現(xiàn)系數(shù)與輸入數(shù)據(jù)的乘法累加運算。

3.3 閾值比較

　　觀察圖6，濾波后，信號的峰值電壓有所降低。通過多次試驗，發(fā)現(xiàn)將閾值設(shè)定為0.7V時，測量的結(jié)果比較準(zhǔn)確。因此，當(dāng)濾波后，輸出的數(shù)值大于等于0.7V時，則置為1，記為一次揮拍;否則記為0，認(rèn)為無揮拍動作。處理后的信號易于分析，最后實現(xiàn)測量單點揮拍次數(shù)、頻率、揮拍總數(shù)的功能。

3.4 參數(shù)測量

　　揮拍總數(shù)的統(tǒng)計是針對經(jīng)過閾值比較后的樣本進(jìn)行的，看連續(xù)輸入的兩個樣本是否相同。不同則說明電平有跳變，然后再判斷樣本是1還是0，檢測到一次上升沿，則將計數(shù)值加一，由此，實現(xiàn)了計數(shù)功能。

　　在乒乓球運動中，若一段時間后仍沒有揮拍動作，可以認(rèn)為此時并不是在正常的擊球過程中。也許是球落地，人去撿球，這意味著該輪擊球的結(jié)束，該段時間根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定為6.5s。單點揮拍次數(shù)的測量是通過定時器/計數(shù)器的溢出中斷實現(xiàn)的，配置溢出中斷時間為6.5s，在此時間內(nèi)若沒有任何的揮拍動作，則觸發(fā)溢出中斷，在中斷處理函數(shù)中將計數(shù)值清零、揮拍次數(shù)清零。這對應(yīng)了一次練球結(jié)束，計數(shù)重新開始。

　　擊球頻率的測量可以通過定時器定時10s，計輸入信號從0到1跳變的個數(shù)，用單位時間擊球的次數(shù)來表示。這種方式計算出來是擊球頻率的平均值。為了測量擊球頻率瞬時值，本文通過檢測兩次0到1跳變的時間間隔，其倒數(shù)即為瞬時擊球頻率。若在某一時間范圍內(nèi)，沒有揮拍動作，則設(shè)置揮拍頻率為0Hz。

4 小結(jié)

　　本文應(yīng)用壓電薄膜傳感器獲取乒乓球運動中肘部運動的信號，通過設(shè)計合理的信號調(diào)理電路并進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了乒乓球運動中揮拍頻率、揮拍次數(shù)的測量。當(dāng)然，只有與無線發(fā)射裝置結(jié)合才能真正用作可穿戴設(shè)備。隨著第三代可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)，穿戴式傳感器從身體健康監(jiān)測到運動監(jiān)測、智慧生活，可以應(yīng)用于人類活動的方方面面。該系統(tǒng)與無線發(fā)射器集成后可以推廣到網(wǎng)球、羽毛球類的運動檢測。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]MarkdeClercq.傳感器、集成和電源管理的進(jìn)步推動可穿戴技術(shù)的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2016(5):21-23.

　　[2]J WU.Conducting polymer coated lycra[J].Synthetic Metals.2005,155:698-701.

　　[3]李建清,吳劍鋒,楊華,等.一種柔性肩關(guān)節(jié)運動傳感器及其測量方法:CN,CN 102927899 A[P].2013.

　　[4]壓電薄膜傳感器的特點及應(yīng)用介紹.http://www.sensorway.cn/knowledge/7296.html.

　　[5]何道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2008:154-178.

　　[6]張洋.原子教你玩STM32(庫函數(shù)版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015:13-30.

　　[7]周航慈.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的常用算法[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2009:70-84.

　　[8]戴明楨. TMS320C54X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:247-258.

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第41頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。