作者/ 杨航 董维杰 大连理工大学 电子科学与技能学院(辽宁 大连 116023)
摘要：本文介绍了一种依据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体系，运用DT1-028K压电薄膜传感器感知肘部运动，输出电压信号经过扩大，运用单片机完结数字滤波、参数丈量和数据显现。丈量参数包含单点击球次数、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运用的可行性。
导言
可穿戴技能的研讨和市场化开展迅猛，多用于健康监测和运动检测等。依据市场剖析公司CCS Insight的调查报告，健身和活动盯梢设备2015年销售较2014年增长了2倍[1]。这些老练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能是必然趋势。WU等人研讨的智能膝套是由莱卡面料涂上一层薄的导电聚吡咯组成，该可穿戴式传感体系能够对人体监测并供给及时、客观的反应[2]。李建清等人规划了一种柔性肩关节运动传感器，该传感器包含两片相同的传感极片，每片极片具有榜首绝缘层、电容极板层、第二绝缘层及静电屏蔽层四层叠合结构。该专利广泛用于恢复医疗、运动检测等范畴[3]。本文展现了柔性压电薄膜传感器在乒乓球运动检测中的运用，可实时监测单点击球次数、频率和击球总数。在乒乓球12点制竞赛中，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安稳度，击球总数可表明训练者的体能耗费。
1 传感器选型
运用传感器来检测肘部运动，能够选用传统加速度传感器或许PVDF压电薄膜传感器。加速度传感器的长处是输出量为数字量，单片机能够直接处理。但是，传统加速度传感器较硬，与人体触摸性欠好。而压电传感器薄、柔软、质轻，比较合适丈量肘部运动，一起，它还具有丈量频带宽、动态规模宽、声阻抗低、安稳性高、灵敏度高级特色[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。该传感器合适丈量动态力，其作业原理是压电效应，即资料遭到拉伸或紧缩会发生与其所受形变成正比的电压或电荷[5]。挥动球拍时，肘部曲折，使压电薄膜遭到拉伸，在两个电极间发生一个电压脉冲，如图1(b)所示。
2 硬件电路规划
运动检测体系由STM32单片机最小体系、电压扩大电路、限幅电路、复位电路、SWD接口、发动形式设置接口、LCD显现电路和5V转3.3V直流电压转化电路组成，体系原理框图如图2所示。
压电传感器常用的调度电路包含电压扩大与电荷扩大。运用单电源供电芯片LM324N进行同向电压扩大，扩大倍数为10倍。为了避免过高的电压输入单片机IO口损坏芯片，运用IN4728A型稳压二极管约束输入单片机的最高电压为3.3V。STM32单片机ADC采样电压的规模是0V~3.3V。
挥动乒乓球拍一次，扩大前后信号如图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代表扩大后的信号，图中为2.2V。
3 软件规划
软件部分完结模数转化、数字滤波、阈值处理、计算计数等，主程序框图如图4所示。
3.1 AD采样
STM32自带分辩率为12位的ADC，其分辩的最小模仿电压约为0.8mV，满意规划要求[6]。经过合理地设置采样频率以及作业形式，能够将传感器输入的模仿信号转变为计算机便于剖析处理的数字信号，本文采样频率为1000Hz。
3.2 滤波器规划
将经扩大、稳压、A/D采样后的数据导入MATLAB，发现一次挥拍动作发生相距很近的两个尖峰，因而，要规划低通滤波器滤除高频搅扰。为了避免误判，滤波器规划成为了运动检测体系中十分重要的部分。
常用的滤波办法分为硬件滤波和软件滤波。软件滤波能够节省硬件本钱，方法灵敏，能够到达硬件电路难以到达的滤波作用，仅仅依靠处理器的数字信号处理才干，而且耗费必定的CPU时刻[7]。首要经过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、频域图画如图5所示。由图可见，几赫兹处信号的起伏比较高，这契合人们挥拍频率较低的规则;50Hz工频的搅扰以及39Hz左右的信号起伏也很大。因为挥拍的频率一般只要几赫兹，因而滤除36Hz以上的频率。用汉明窗函数法规划FIR滤波器，FIR滤波器的特色是没有反应回路，而且体系一向安稳[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、频域图画如图6所示。由图可见，滤波后，时域波形十分滑润，高频搅扰遭到较大按捺，证明FIR滤波器的运用是可行的。
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，一个完成数据的更新和移位;另一个完成系数与输入数据的乘法累加运算。
3.3 阈值比较
调查图6，滤波后，信号的峰值电压有所下降。经过屡次实验，发现将阈值设定为0.7V时，丈量的成果比较精确。因而，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;不然记为0，以为无挥拍动作。处理后的信号易于剖析，最终完成丈量单点挥拍次数、频率、挥拍总数的功用。
3.4 参数丈量
挥拍总数的计算是针对经过阈值比较后的样本进行的，看接连输入的两个样本是否相同。不同则阐明电平有跳变，然后再判别样本是1仍是0，检测到一次上升沿，则将计数值加一，由此，完成了计数功用。
在乒乓球运动中，若一段时刻后仍没有挥拍动作，能够以为此刻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完毕，该段时刻依据经验值设定为6.5s。单点挥拍次数的丈量是经过守时器/计数器的溢出中止完成的，装备溢出中止时刻为6.5s，在此刻刻内若没有任何的挥拍动作，则触发溢出中止，在中止处理函数中将计数值清零、挥拍次数清零。这对应了一次练球完毕，计数重新开始。
击球频率的丈量能够经过守时器守时10s，计输入信号从0到1跳变的个数，用单位时刻击球的次数来表明。这种方法计算出来是击球频率的平均值。为了丈量击球频率瞬时值，本文经过检测两次0到1跳变的时刻距离，其倒数即为瞬时击球频率。若在某一时刻规模内，没有挥拍动作，则设置挥拍频率为0Hz。
4 小结
本文运用压电薄膜传感器获取乒乓球运动中肘部运动的信号，经过规划合理的信号调度电路并进行体系的软硬件规划，完成了乒乓球运动中挥拍频率、挥拍次数的丈量。当然，只要与无线发射设备结合才干真实用作可穿戴设备。跟着第三代可穿戴设备的呈现，穿戴式传感器从身体健康监测到运动监测、才智日子，能够运用于人类活动的方方面面。该体系与无线发射器集成后能够推行到网球、茸毛球类的运动检测。
参考文献：
[1]MarkdeClercq.传感器、集成和电源办理的前进推进可穿戴技能的开展[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丈量办法:CN,CN 102927899 A[P].2013.
[4]压电薄膜传感器的特色及运用介绍.http://www.sensorway.cn/knowledge/7296.html.
[5]何道清.传感器与传感器技能[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.嵌入式体系软件规划中的常用算法[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、原理及运用[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，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
