基于壓電薄膜傳感器的肘部運動(dòng)檢測系統設計

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單片機的乒乓球運動(dòng)檢測系統，利用DT1-028K壓電薄膜傳感器感知肘部運動(dòng)，輸出電壓信號經(jīng)過(guò)放大，利用單片機完成數字濾波、參數測量和數據顯示。測量參數包括單點(diǎn)擊球次數、擊球頻率和擊球總數等。實(shí)驗驗證了穿戴式柔性傳感器在運動(dòng)檢測方面應用的可行性。

引言

　　可穿戴技術(shù)的研究和市場(chǎng)化發(fā)展迅猛，多用于健康監測和運動(dòng)檢測等。根據市場(chǎng)分析公司CCS Insight的調查報告，健身和活動(dòng)跟蹤設備2015年銷(xiāo)售較2014年增長(cháng)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(lái)將柔性傳感器與織物結合的可穿戴技術(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電聚吡咯組成，該可穿戴式傳感系統可以對人體監測并提供及時(shí)、客觀(guān)的反饋^[2]。李建清等人設計了一種柔性肩關(guān)節運動(dòng)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構。該專(zhuān)利廣泛用于康復醫療、運動(dòng)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(dòng)檢測中的應用，可實(shí)時(shí)監測單點(diǎn)擊球次數、頻率和擊球總數。在乒乓球12點(diǎn)制比賽中，單點(diǎn)擊球次數即每打1點(diǎn)(或1分)所擊中球的次數，頻率常用來(lái)衡量乒乓球愛(ài)好者的擊球穩定度，擊球總數可表示鍛煉者的體能消耗。

1 傳感器選型

　　利用傳感器來(lái)檢測肘部運動(dòng)，可以選用傳統加速度傳感器或者PVDF壓電薄膜傳感器。加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出量為數字量，單片機能夠直接處理?？墒?，傳統加速度傳感器較硬，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(dòng)，同時(shí)，它還具有測量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍寬、聲阻抗低、穩定性高、靈敏度高等特點(diǎn)^[4]，適于做運動(dòng)檢測傳感器。

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

2 硬件電路設計

　　運動(dòng)檢測系統由STM32單片機最小系統、電壓放大電路、限幅電路、復位電路、SWD接口、啟動(dòng)模式設置接口、LCD顯示電路和5V轉3.3V直流電壓轉換電路組成，系統原理框圖如圖2所示。

　　壓電傳感器常用的調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，放大倍數為10倍。為了防止過(guò)高的電壓輸入單片機IO口損壞芯片，使用IN4728A型穩壓二極管限制輸入單片機的最高電壓為3.3V。STM32單片機ADC采樣電壓的范圍是0V~3.3V。

　　揮動(dòng)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 軟件設計

　　軟件部分完成模數轉換、數字濾波、閾值處理、統計計數等，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(mǎn)足設計要求^[6]。通過(guò)合理地設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變?yōu)橛嬎銠C便于分析處理的數字信號，本文采樣頻率為1000Hz。

3.2 濾波器設計

　　將經(jīng)放大、穩壓、A/D采樣后的數據導入MATLAB，發(fā)現一次揮拍動(dòng)作產(chǎn)生相距很近的兩個(gè)尖峰，因此，要設計低通濾波器濾除高頻干擾。為了防止誤判，濾波器設計成為了運動(dòng)檢測系統中非常重要的部分。

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

　　濾波前采樣信號的時(shí)域、頻域圖像如圖5所示。由圖可見(jiàn)，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。用漢明窗函數法設計FIR濾波器，FIR濾波器的特點(diǎn)是沒(méi)有反饋回路，并且系統一直穩定^[8]。濾波器的截止頻率為36Hz，得到濾波器系數為17個(gè)。

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

　　將MATLAB生成的17個(gè)濾波系數存入STM32中FIR濾波子程序的系數數組，FIR濾波子程序由兩個(gè)函數組成，一個(gè)實(shí)現數據的更新和移位;另一個(gè)實(shí)現系數與輸入數據的乘法累加運算。

3.3 閾值比較

　　觀(guān)察圖6，濾波后，信號的峰值電壓有所降低。通過(guò)多次試驗，發(fā)現將閾值設定為0.7V時(shí)，測量的結果比較準確。因此，當濾波后，輸出的數值大于等于0.7V時(shí)，則置為1，記為一次揮拍;否則記為0，認為無(wú)揮拍動(dòng)作。處理后的信號易于分析，最后實(shí)現測量單點(diǎn)揮拍次數、頻率、揮拍總數的功能。

3.4 參數測量

　　揮拍總數的統計是針對經(jīng)過(guò)閾值比較后的樣本進(jìn)行的，看連續輸入的兩個(gè)樣本是否相同。不同則說(shuō)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，則將計數值加一，由此，實(shí)現了計數功能。

　　在乒乓球運動(dòng)中，若一段時(shí)間后仍沒(méi)有揮拍動(dòng)作，可以認為此時(shí)并不是在正常的擊球過(guò)程中。也許是球落地，人去撿球，這意味著(zhù)該輪擊球的結束，該段時(shí)間根據經(jīng)驗值設定為6.5s。單點(diǎn)揮拍次數的測量是通過(guò)定時(shí)器/計數器的溢出中斷實(shí)現的，配置溢出中斷時(shí)間為6.5s，在此時(shí)間內若沒(méi)有任何的揮拍動(dòng)作，則觸發(fā)溢出中斷，在中斷處理函數中將計數值清零、揮拍次數清零。這對應了一次練球結束，計數重新開(kāi)始。

　　擊球頻率的測量可以通過(guò)定時(shí)器定時(shí)10s，計輸入信號從0到1跳變的個(gè)數，用單位時(shí)間擊球的次數來(lái)表示。這種方式計算出來(lái)是擊球頻率的平均值。為了測量擊球頻率瞬時(shí)值，本文通過(guò)檢測兩次0到1跳變的時(shí)間間隔，其倒數即為瞬時(shí)擊球頻率。若在某一時(shí)間范圍內，沒(méi)有揮拍動(dòng)作，則設置揮拍頻率為0Hz。

4 小結

　　本文應用壓電薄膜傳感器獲取乒乓球運動(dòng)中肘部運動(dòng)的信號，通過(guò)設計合理的信號調理電路并進(jìn)行系統的軟硬件設計，實(shí)現了乒乓球運動(dòng)中揮拍頻率、揮拍次數的測量。當然，只有與無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置結合才能真正用作可穿戴設備。隨著(zhù)第三代可穿戴設備的出現，穿戴式傳感器從身體健康監測到運動(dòng)監測、智慧生活，可以應用于人類(lèi)活動(dòng)的方方面面。該系統與無(wú)線(xiàn)發(fā)射器集成后可以推廣到網(wǎng)球、羽毛球類(lèi)的運動(dòng)檢測。

參考文獻：

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