基于壓電薄膜傳感器的肘部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，利用DT1-028K壓電薄膜傳感器感知肘部運(yùn)動(dòng)，輸出電壓信號(hào)經(jīng)過放大，利用單片機(jī)完成數(shù)字濾波、參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)顯示。測(cè)量參數(shù)包括單點(diǎn)擊球次數(shù)、擊球頻率和擊球總數(shù)等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了穿戴式柔性傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面應(yīng)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(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。根據(jù)市場(chǎng)分析公司CCS Insight的調(diào)查報(bào)告，健身和活動(dòng)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(shì)。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(duì)人體監(jiān)測(cè)并提供及時(shí)、客觀的反饋^[2]。李建清等人設(shè)計(jì)了一種柔性肩關(guān)節(jié)運(yùn)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(jié)構(gòu)。該專利廣泛用于康復(fù)醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域^[3]。本文展示了柔性壓電薄膜傳感器在乒乓球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單點(diǎn)擊球次數(shù)、頻率和擊球總數(shù)。在乒乓球12點(diǎn)制比賽中，單點(diǎn)擊球次數(shù)即每打1點(diǎn)(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(cè)肘部運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)是輸出量為數(shù)字量，單片機(jī)能夠直接處理?？墒牵瑐鹘y(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(cè)量肘部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，它還具有測(cè)量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍寬、聲阻抗低、穩(wěn)定性高、靈敏度高等特點(diǎn)^[4]，適于做運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(cè)量動(dòng)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(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(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(dòng)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(dòng)乒乓球拍一次，放大前后信號(hào)如圖3所示。圖中，L₁代表原始信號(hào)，電壓峰值為0.22V，一般為250mV左右;L₂代表放大后的信號(hào)，圖中為2.2V。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、閾值處理、統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jì)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)便于分析處理的數(shù)字信號(hào)，本文采樣頻率為1000Hz。

3.2 濾波器設(shè)計(jì)

　　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(dòng)作產(chǎn)生相距很近的兩個(gè)尖峰，因此，要設(shè)計(jì)低通濾波器濾除高頻干擾。為了防止誤判，濾波器設(shè)計(jì)成為了運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(hào)處理能力，并且消耗一定的CPU時(shí)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(yàn)證后，再移植到STM32單片機(jī)里。

　　濾波前采樣信號(hào)的時(shí)域、頻域圖像如圖5所示。由圖可見，幾赫茲處信號(hào)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(hào)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(jì)FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器的特點(diǎn)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(gè)。

　　在MATLAB中濾波后的時(shí)域、頻域圖像如圖6所示。由圖可見，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(yīng)用是可行的。

　　將MATLAB生成的17個(gè)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(gè)函數(shù)組成，一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新和移位;另一個(gè)實(shí)現(xiàn)系數(shù)與輸入數(shù)據(jù)的乘法累加運(yùn)算。

3.3 閾值比較

　　觀察圖6，濾波后，信號(hào)的峰值電壓有所降低。通過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將閾值設(shè)定為0.7V時(shí)，測(cè)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(shí)，則置為1，記為一次揮拍;否則記為0，認(rèn)為無揮拍動(dòng)作。處理后的信號(hào)易于分析，最后實(shí)現(xiàn)測(cè)量單點(diǎn)揮拍次數(shù)、頻率、揮拍總數(shù)的功能。

3.4 參數(shù)測(cè)量

　　揮拍總數(shù)的統(tǒng)計(jì)是針對(duì)經(jīng)過閾值比較后的樣本進(jìn)行的，看連續(xù)輸入的兩個(gè)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(cè)到一次上升沿，則將計(jì)數(shù)值加一，由此，實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)功能。

　　在乒乓球運(yùn)動(dòng)中，若一段時(shí)間后仍沒有揮拍動(dòng)作，可以認(rèn)為此時(shí)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(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定為6.5s。單點(diǎn)揮拍次數(shù)的測(cè)量是通過定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的溢出中斷實(shí)現(xiàn)的，配置溢出中斷時(shí)間為6.5s，在此時(shí)間內(nèi)若沒有任何的揮拍動(dòng)作，則觸發(fā)溢出中斷，在中斷處理函數(shù)中將計(jì)數(shù)值清零、揮拍次數(shù)清零。這對(duì)應(yīng)了一次練球結(jié)束，計(jì)數(shù)重新開始。

　　擊球頻率的測(cè)量可以通過定時(shí)器定時(shí)10s，計(jì)輸入信號(hào)從0到1跳變的個(gè)數(shù)，用單位時(shí)間擊球的次數(shù)來表示。這種方式計(jì)算出來是擊球頻率的平均值。為了測(cè)量擊球頻率瞬時(shí)值，本文通過檢測(cè)兩次0到1跳變的時(shí)間間隔，其倒數(shù)即為瞬時(shí)擊球頻率。若在某一時(shí)間范圍內(nèi)，沒有揮拍動(dòng)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(yùn)動(dòng)中肘部運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，通過設(shè)計(jì)合理的信號(hào)調(diào)理電路并進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了乒乓球運(yùn)動(dòng)中揮拍頻率、揮拍次數(shù)的測(cè)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(cè)到運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、智慧生活，可以應(yīng)用于人類活動(dòng)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

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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(shí)引用，并注明出處。