基于AVR單片機的服裝壓力檢測系統(tǒng)設計

摘 要:設計了以AVR單片機為核心CPU的服裝壓力檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)測試、儲存和多通道采集功能。該系統(tǒng)通過對人體著裝后對不同部位服裝壓力進行檢測，根據(jù)測試數(shù)據(jù)結果可對該服裝的壓力舒適度性做出客觀評價，為服裝企業(yè)科學地設計、生產(chǎn)服裝提供科學依據(jù)。實驗結果表明，該系統(tǒng)使用方便、工作穩(wěn)定、可靠、功耗低。

關鍵詞:AVR; 服裝壓力檢測系統(tǒng); 服裝壓力; 服裝舒適性

中圖分類號:TP274.5 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0165-03

Clothing Pressure Detecting System Based on AVR Single Chip Microcontroller

TANG Ming-fei， GAO Xiao-ding， ZHANG Chun-li，TAN Dong-cai

(School of Mechanical Engineering， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China)

Abstract: The clothing pressure detecting system was designed based on the core of AVR single chip microcontroller. The system has functions of data survey， storage and multi-channel acquisition. The detection can be made on the clothing pressure in different parts of body after dressing， an objective evaluation of the comfort index about clothing pressure is given according to the test results. It can provide scientific basis for scientific design and production of clothing in clothing enterprises. The experimental results show that the system has convenient usage， excellent performance and low power consumption.

Keywords: AVR; system of clothing pressure detection; clothing pressure; clothing comfort index

0 引 言

服裝是人們生活的一個重要組成部分，它的設計除了款式、花色、光澤等外觀因素之外，舒適性也是服裝功能性的一個重要組成部分。所謂服裝舒適性是指人體著裝后，服裝具有滿足人體要求并排除任何不舒適因素的性能。服裝壓可分為兩種:由服裝自身重量形成的垂直壓和由服裝緊裹身體產(chǎn)生的束縛壓。

傳統(tǒng)服裝壓力舒適度測試方法主要有:流體壓力法、電阻法、石膏法。其中，使用流體水銀壓力計或水壓機來測量服裝壓力的方法簡單直接，但精度較低，尤其動態(tài)測量相當困難;電阻測量方法是將電阻應變片傳感器插入衣服內(nèi)，由于服裝壓力而使應變片變形導致電阻值的變化，從而將壓力變化轉換為變化的電壓信號，通過測量該變化的電壓值得出服裝壓力測試結果。該方法測試精度高，結果穩(wěn)定，但易受外部條件的影響，且對服裝壓力進行動態(tài)測量比較困難;石膏法主要是通過模型檢測實現(xiàn)，這種方法可以測出接近穿衣時的自然壓力值，但不能進行連續(xù)動作時的服裝壓力測試，并且石膏模型難以制作[1-3]。以上各種測試方法受時間和空間的限制，難以適應不同測試條件的需要，且測試數(shù)據(jù)的精度不高，沒有數(shù)據(jù)保存功能。

針對傳統(tǒng)測試方法的缺陷，本系統(tǒng)采用AVR低功耗、高性能單片機作為核心CPU，選用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來測量服裝壓力，并把其設計成為可便攜的，能夠進行動、靜態(tài)測量，具有數(shù)據(jù)儲存功能的服裝壓力測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的功能模塊主要有:參數(shù)檢測模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、儲存模塊、實時時鐘模塊、PC機通信模塊和控制模塊。服裝壓力檢測采用多點測試方法，即測試模塊上連接多個壓力傳感器。各個傳感器完成一次數(shù)據(jù)測試后，將其數(shù)據(jù)發(fā)送給核心CPU，然后主芯片對該數(shù)據(jù)做運算處理，并將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則儲存在存儲器中，同時將數(shù)據(jù)實時地顯示在液晶屏上。完成檢測后，可通過串口將儲存器中的數(shù)據(jù)讀入PC機中進行分析、存儲。控制模塊主要完成系統(tǒng)功能的設定[4]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 功能模塊設計

2.1 微處理器

本系統(tǒng)微處理器采用高性能、低功耗的AVR系列單片機中的ATmega16L，其內(nèi)部集成定時器、ADC、片內(nèi)時鐘、USART、SPI、TWI，中斷源達到21個。ATmega16L在1 MHz，3 V，25 ℃時的功耗，正常模式為11 mA，空閑模式為035 mA，掉電模式小于1 μA。AVR單片機采用大型快速存取寄存器組，快速單調指令系統(tǒng)和單級流水線技術，使得其處理速度高達1 MIPS/MHz的高速運行處理能力。其內(nèi)部的可編程FLASH為16 KB，擦寫次數(shù)可達到10 000次。AVR內(nèi)部集成8路10位逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣[5-6]。器件還支持16路差分電壓輸入組合，有可編程增益級控制功能。其強大的數(shù)據(jù)處理能力和高集成性的內(nèi)核完全滿足該系統(tǒng)的設計要求。

圖1 系統(tǒng)結構

2.2 服裝壓力檢測模塊

本系統(tǒng)利用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來測量服裝壓力。與傳統(tǒng)服裝壓力測試系統(tǒng)中所采用的傳感器相比，F(xiàn)lexiforce傳感器薄如紙張、柔韌性強，能夠測量幾乎所有接觸面之間的壓力。在線性、滯后性、漂移和溫度靈性方面具有更優(yōu)良的特性。根據(jù)待測的服裝壓力值，選用壓力范圍為0~1 lb(4.4 N)的Flexiforce A201型壓力傳感器。Flexiforce A201型壓力傳感器由兩層薄膜組成，每層薄膜上鋪設銀質導體并涂上一層特殊的壓敏半導體材料，兩片薄膜壓合在一起就形成了傳感器。銀質導體從傳感點處延伸至傳感器的連接端。Flexiforce A201的傳感器點在電路中起電阻作用。當外力作用到傳感點上時，傳感器點的阻值隨外力成比例變化，傳感器未受力時，傳感點阻值最大，壓力越大，傳感點阻值越小。

壓力傳感器的輸出信號為毫伏級，需要對檢測的信號進行放大后方能輸入到CPU端口。Flexiforce傳感器的放大器電路如圖2所示，RF=R1+RF1，Vout=-V0(RF+RS1)。其中，RF1為可變電阻，其阻值變化對應了加在傳感器上的外力變化。該電路采用MC34071型放大器，傳感器通過該放大器，輸出電壓值為Vout，經(jīng)過標定后的壓力與電壓的對應關系，即可得到所測量的服裝壓力值[7]。

本系統(tǒng)應用8個Flexiforce A201型壓力傳感器，采用并行連接方式與ATmega16L的PA端口直接連接。

圖2 Flexiforce 傳感器放大電路

2.3 數(shù)據(jù)儲存模塊

系統(tǒng)設計一個數(shù)據(jù)存儲模塊。由于該系統(tǒng)儲存數(shù)據(jù)所占的空間容量并不是很大，因此存儲器選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C256芯片，其為256 KB的數(shù)據(jù)存儲器[8]，采用I²C總線通信方式與主CPU進行數(shù)據(jù)交換。

為便于測試后更好的閱讀數(shù)據(jù)，采用一定的儲存模式將數(shù)據(jù)保存在AT24C256中，因此，在進行軟件設計時，采用該數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議:首先傳送檢測通道號，然后傳送測試時間，最后傳送壓力值[9]。具體傳輸格式如圖3所示。

圖3 傳輸數(shù)據(jù)幀格式

ATmega16L單片機內(nèi)部集成有I²C通信模塊，其外接端口與PC0和PC1端口復用，在使用該端口時，只需給兩根傳輸總線外連上拉電阻，每根一個。I²C通信芯片直接與該端口連接即可。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)采用SMG12864液晶，其體積小、重量輕、功耗小、顯示質量高[10]，可同時顯示4路采集數(shù)據(jù)，對于8路數(shù)據(jù)可采用循環(huán)顯示方法。顯示的數(shù)據(jù)為通道號和壓力數(shù)據(jù)。如果不需要顯示數(shù)據(jù)時，可采用功能鍵關掉顯示。

SMG12864液晶與ATmega16L的連接非常簡單。數(shù)據(jù)端口直接與PD口連接，功能控制端接在PB端口上。

2.5 串口模塊、實時時鐘模塊和功能模塊

串口模塊主要實現(xiàn)PC機與該檢測系統(tǒng)通信工作。PC機可通過該串口讀取AT24C256中的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用美信公司的MAX232串口通信轉換芯片。

本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司推出的DS1302實時時鐘芯片，其采用三線串行接口，芯片內(nèi)部集成了可編程日歷時鐘和31個字節(jié)的靜態(tài)RAM。DS1302時鐘可自動進行閏年補償。DS1302芯片自身還具備對備份電池進行涓流充電功能，可有效延長備份電池的使用壽命[11]。

對DS1302供電在系統(tǒng)正常工作情況下應用系統(tǒng)電源直接供電，而在系統(tǒng)不工作的情況下由專用的紐扣電池供電。

系統(tǒng)設置3個功能鍵完成系統(tǒng)的時間配置和輔助功能選擇。這些輔助功能主要有:其中一功能鍵實現(xiàn)在系統(tǒng)不需要檢測服裝舒適度壓力時，只顯示時間，這時可作為一個實時時鐘使用，在需要進行壓力測試實驗時，按下該功能鍵系統(tǒng)則進入系統(tǒng)壓力檢測模式。

系統(tǒng)啟動后，首先對整個系統(tǒng)進行初始化，初始化后對功能鍵進行檢測，如果該功能鍵按下，系統(tǒng)則啟動A/D轉換，并同時把檢測的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)格式存儲在AT24C256中，同時把檢測的數(shù)據(jù)循環(huán)顯示在SMG12864液晶屏上。在完成數(shù)據(jù)測試后，如果沒有進行壓力數(shù)據(jù)檢測，則關閉A/D轉換模塊，并且關閉數(shù)據(jù)存儲端口，系統(tǒng)因此進入休眠狀態(tài)。

3 壓力舒適度檢測算法實現(xiàn)

必須對采集到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)進行處理后才能得到具體的可讀性的服裝舒適度壓力值。首先，服裝壓力傳感器把采集的壓力值轉換為模擬電壓值，然后經(jīng)過A/D轉換為標準電壓值，在經(jīng)過MCU對該數(shù)據(jù)做運算后，把其轉換為服裝舒適度壓力值。

其具體算法如下:

ATmega16L A/D轉換的實際電壓值計算公式:

ADC=(Vin×1 024)/VREF

(1)

式中:ADC為壓力傳感器輸出模擬電壓值A/D轉換后對應的結果值;Vin為壓力傳感器輸出模擬電壓值;VREF為A/D轉換參考電壓值。為了提高精度，這里選用ATmega16L內(nèi)部A/D轉換參考電壓為256 V。

取G為給壓力傳感器加載100 g砝碼后，所得標準A/D轉換實際電壓值，則:

ADC標準=(G×1 024)/VREF

(2)

由式(1)和式(2)可得，服裝壓力可表示為:

F=(ADC×100)/ADC標準

(3)

式中:F為服裝壓力，單位:g。

4 測試實驗

本系統(tǒng)設計完成后，通過測試人體在著裝后肩部的一個點隨時間壓力的變化來檢測其穩(wěn)定性和可靠性。測試曲線如圖4所示:初著裝后壓力變化比較穩(wěn)定(0~12 min);在臂膀運動后服裝壓力也隨時間發(fā)生變化(12~18 min);臂膀停止活動壓力值又回到初值(18~23 min)。

圖4 壓力測試曲線

5 結 語

實驗結果表明該服裝壓力檢測系統(tǒng)能正確測試服裝舒適度壓力值，其使用方便、功能強大、性能優(yōu)良，是進行服裝測試的理想平臺，它解決了以往傳統(tǒng)服裝壓力測試中不能測量動態(tài)服裝壓力的困難，且具有數(shù)據(jù)儲存功能。該設備體積小，可隨身攜帶;功耗低，采用電池供電。其可為今后提高服裝壓力舒適性提供可靠的數(shù)據(jù)基礎和依據(jù)，通過對壓力的客觀測量及研究，將有助于數(shù)字化服裝壓力舒適性研究的發(fā)展。

參考文獻

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