基于PVDF压电薄膜的“智能鞋垫”测试分析系统研究

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近几十年,由于传感技术、计算机技术及电子技术的不断进步,以及人们对健康穿鞋的日渐重视,足底压力测量技术得到了迅速发展,并且普遍应用于步态分析、鞋体设计、临床医疗等众多领域。本文设计了一种基于PVDF压电薄膜用于足底压力测量的“智能鞋垫”测试分析系统。系统采用MSP430系列单片机作为核心处理器,辅以nRF24L01无线模块实现数据的处理与无线传输,最后在由Visual Studio编程设计的上位机界面上实现数据的进一步处理与实时显示。  论文首先简述了足压测量技术的研究意义及趋势,回顾了该技术的分类及原理,总结了国内外研究现状及发展过程,分析了国内外研究的优缺点,指出了当前该技术的研究和应用方面存在的不足,在此基础上提出了本文的主要研究内容。接着从压电效应、材料参数和材料分类等方面介绍了压电材料并阐述其传感原理。结合本系统需求,选用PVDF压电薄膜并阐述了其特性及优势。基于其输出信号微弱,但具有良好的压电线性度等特性,采用双层PVDF薄膜进行传感器设计以提高压电输出。利用ANSYS Workbench对其进行压电仿真分析,并进行了电压实验,结合足部生物力学及测量需求设计了传感器足底分布图。  然后结合系统需求,从信号调理电路、微处理器、无线模块、其他硬件电路、PCB设计等方面进行了系统硬件设计。其中信号调理电路包括:多路模拟开关、放大电路、滤波电路等,可实现信号的多路采集与调理;其他硬件电路包括电源电路、单片机最小系统相关电路等。采用Altium Designer绘制了各电路原理图并进行PCB设计,制作了PCB样板并焊接了元器件,制成系统硬件。为实现硬件功能,从单片机软件设计与上位机界面设计两方面进行了系统软件设计。前者通过IAR EW430编程实现,主要实现功能包括:A/D转换、串口通讯和控制无线收发;后者采用Visual Studio编程设计,主要实现功能包括:串口通讯、数据处理和界面显示。  最后,为验证系统测量效果,进行了准静载荷测试和运动测试并分析了实验数据。利用砝码进行了准静载荷测试;通过平地步行与平地跑步进行了运动测试。数值模拟和试验结果表明,本文设计的足底压力传感器动态响应迅速,数据传输稳定,上位机曲线效果良好。
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