基于压电薄膜传感器的肘部运动检测系统设计

作者/ 杨航 董维杰 大连理工大学 电子科学与技术学院(辽宁 大连 116023)

摘要：本文介绍了一种基于可贴在衣服上的柔性传感器和STM32单片机的乒乓球运动检测系统，利用DT1-028K压电薄膜传感器感知肘部运动，输出电压信号经过放大，利用单片机完成数字滤波、参数测量和数据显示。测量参数包括单点击球次数、击球频率和击球总数等。实验验证了穿戴式柔性传感器在运动检测方面应用的可行性。

引言

　　可穿戴技术的研究和市场化发展迅猛，多用于健康监测和运动检测等。根据市场分析公司CCS Insight的调查报告，健身和活动跟踪设备2015年销售较2014年增长了2倍^[1]。这些成熟产品一般是智能手表、手环、夹式装饰品，未来将柔性传感器与织物结合的可穿戴技术是必然趋势。WU等人研究的智能膝套是由莱卡面料涂上一层薄的导电聚吡咯组成，该可穿戴式传感系统可以对人体监测并提供及时、客观的反馈^[2]。李建清等人设计了一种柔性肩关节运动传感器，该传感器包括两片相同的传感极片，每片极片具有第一绝缘层、电容极板层、第二绝缘层及静电屏蔽层四层叠合结构。该专利广泛用于康复医疗、运动检测等领域^[3]。本文展示了柔性压电薄膜传感器在乒乓球运动检测中的应用，可实时监测单点击球次数、频率和击球总数。在乒乓球12点制比赛中，单点击球次数即每打1点(或1分)所击中球的次数，频率常用来衡量乒乓球爱好者的击球稳定度，击球总数可表示锻炼者的体能消耗。

1 传感器选型

　　利用传感器来检测肘部运动，可以选用传统加速度传感器或者PVDF压电薄膜传感器。加速度传感器的优点是输出量为数字量，单片机能够直接处理。可是，传统加速度传感器较硬，与人体接触性不好。而压电传感器薄、柔软、质轻，比较适合测量肘部运动，同时，它还具有测量频带宽、动态范围宽、声阻抗低、稳定性高、灵敏度高等特点^[4]，适于做运动检测传感器。

　　本文选用压电薄膜传感器，将传感器贴在护肘上，如图1(a)所示。该传感器适合测量动态力，其工作原理是压电效应，即材料受到拉伸或压缩会产生与其所受形变成正比的电压或电荷^[5]。挥动球拍时，肘部弯曲，使压电薄膜受到拉伸，在两个电极间产生一个电压脉冲，如图1(b)所示。

2 硬件电路设计

　　运动检测系统由STM32单片机最小系统、电压放大电路、限幅电路、复位电路、SWD接口、启动模式设置接口、LCD显示电路和5V转3.3V直流电压转换电路组成，系统原理框图如图2所示。

　　压电传感器常用的调理电路包括电压放大与电荷放大。使用单电源供电芯片LM324N进行同向电压放大，放大倍数为10倍。为了防止过高的电压输入单片机IO口损坏芯片，使用IN4728A型稳压二极管限制输入单片机的最高电压为3.3V。STM32单片机ADC采样电压的范围是0V~3.3V。

　　挥动乒乓球拍一次，放大前后信号如图3所示。图中，L₁代表原始信号，电压峰值为0.22V，一般为250mV左右;L₂代表放大后的信号，图中为2.2V。

3 软件设计

　　软件部分完成模数转换、数字滤波、阈值处理、统计计数等，主程序框图如图4所示。

3.1 AD采样

　　STM32自带分辨率为12位的ADC，其分辨的最小模拟电压约为0.8mV，满足设计要求^[6]。通过合理地设置采样频率以及工作模式，可以将传感器输入的模拟信号转变为计算机便于分析处理的数字信号，本文采样频率为1000Hz。

3.2 滤波器设计

　　将经放大、稳压、A/D采样后的数据导入MATLAB，发现一次挥拍动作产生相距很近的两个尖峰，因此，要设计低通滤波器滤除高频干扰。为了防止误判，滤波器设计成为了运动检测系统中非常重要的部分。

　　常用的滤波方法分为硬件滤波和软件滤波。软件滤波能够节约硬件成本，方式灵活，可以达到硬件电路难以达到的滤波效果，只是依赖处理器的数字信号处理能力，并且消耗一定的CPU时间^[7]。首先通过MATLAB生成FIR(有限长单位冲激响应滤波器)滤波系数，仿真验证后，再移植到STM32单片机里。

　　滤波前采样信号的时域、频域图像如图5所示。由图可见，几赫兹处信号的幅度比较高，这符合人们挥拍频率较低的规律;50Hz工频的干扰以及39Hz左右的信号幅度也很大。由于挥拍的频率一般只有几赫兹，因而滤除36Hz以上的频率。用汉明窗函数法设计FIR滤波器，FIR滤波器的特点是没有反馈回路，并且系统一直稳定^[8]。滤波器的截止频率为36Hz，得到滤波器系数为17个。

　　在MATLAB中滤波后的时域、频域图像如图6所示。由图可见，滤波后，时域波形非常平滑，高频干扰受到较大抑制，证明FIR滤波器的应用是可行的。

　　将MATLAB生成的17个滤波系数存入STM32中FIR滤波子程序的系数数组，FIR滤波子程序由两个函数组成，一个实现数据的更新和移位;另一个实现系数与输入数据的乘法累加运算。

3.3 阈值比较

　　观察图6，滤波后，信号的峰值电压有所降低。通过多次试验，发现将阈值设定为0.7V时，测量的结果比较准确。因此，当滤波后，输出的数值大于等于0.7V时，则置为1，记为一次挥拍;否则记为0，认为无挥拍动作。处理后的信号易于分析，最后实现测量单点挥拍次数、频率、挥拍总数的功能。

3.4 参数测量

　　挥拍总数的统计是针对经过阈值比较后的样本进行的，看连续输入的两个样本是否相同。不同则说明电平有跳变，然后再判断样本是1还是0，检测到一次上升沿，则将计数值加一，由此，实现了计数功能。

　　在乒乓球运动中，若一段时间后仍没有挥拍动作，可以认为此时并不是在正常的击球过程中。也许是球落地，人去捡球，这意味着该轮击球的结束，该段时间根据经验值设定为6.5s。单点挥拍次数的测量是通过定时器/计数器的溢出中断实现的，配置溢出中断时间为6.5s，在此时间内若没有任何的挥拍动作，则触发溢出中断，在中断处理函数中将计数值清零、挥拍次数清零。这对应了一次练球结束，计数重新开始。

　　击球频率的测量可以通过定时器定时10s，计输入信号从0到1跳变的个数，用单位时间击球的次数来表示。这种方式计算出来是击球频率的平均值。为了测量击球频率瞬时值，本文通过检测两次0到1跳变的时间间隔，其倒数即为瞬时击球频率。若在某一时间范围内，没有挥拍动作，则设置挥拍频率为0Hz。

4 小结

　　本文应用压电薄膜传感器获取乒乓球运动中肘部运动的信号，通过设计合理的信号调理电路并进行系统的软硬件设计，实现了乒乓球运动中挥拍频率、挥拍次数的测量。当然，只有与无线发射装置结合才能真正用作可穿戴设备。随着第三代可穿戴设备的出现，穿戴式传感器从身体健康监测到运动监测、智慧生活，可以应用于人类活动的方方面面。该系统与无线发射器集成后可以推广到网球、羽毛球类的运动检测。

参考文献：

　　[1]MarkdeClercq.传感器、集成和电源管理的进步推动可穿戴技术的发展[J].电子产品世界,2016(5):21-23.

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

　　[3]李建清,吴剑锋,杨华,等.一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法:CN,CN 102927899 A[P].2013.

　　[4]压电薄膜传感器的特点及应用介绍.http://www.sensorway.cn/knowledge/7296.html.

　　[5]何道清.传感器与传感器技术[M].北京:科学出版社,2008:154-178.

　　[6]张洋.原子教你玩STM32(库函数版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015:13-30.

　　[7]周航慈.嵌入式系统软件设计中的常用算法[M].北京：北京航空航天大学出版社,2009:70-84.

　　[8]戴明桢. TMS320C54X DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:247-258.

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第41页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。