壓電傳感器在射擊輔助訓練系統中的運用研究

熊穎　李璐

摘 要 射擊運動是一項重要的國際體育項目，射擊運動員在射擊時手部的發力情況會決定最終射擊效果，為了獲得射擊運動員的手部情況，研發出一套適合射擊輔助訓練的手部發力采集系統。該系統以PVDF壓電傳感器為采集設備，以stm32f107c8t6單片機為控制核心，配合外圍放大、濾波電路，通過GPRS模塊完成數據傳輸，用于實時記錄射擊運動員手部發力情況，并根據數據繪制出發力曲線，為射擊教練員提供精準的數據以輔助射擊。

關鍵詞 壓電傳感器 射擊輔助 射擊訓練

中圖分類號：TP391.4文獻標識碼：A

近幾年，我國射擊運動健兒的在許多國際比賽中拿到了好的成績，逐步成為高水平射擊運動的國家之一。射擊運動在外表看起來并不是非常復雜，持槍也不具有任何難度，但是其對于身體控制的精準程度以及射擊時的身體穩定性是一般體育類項目達不到的。因此，任何外界因素都可能影響到運動員發揮的穩定性，例如持槍手部的發力情況，運動員的心理素質等。目前的射擊輔助訓練多依賴教練員的主觀經驗，不能給予射擊運動員真實評價。利用壓電傳感器對運動員發力位置進行實時監測，并給出射擊時的曲線變化，最終對運動員的射擊形成客觀、全面的分析，幫助運動員提高成績。

1壓電傳感器的選用

傳統的壓電傳感器由于體積大，不能彎曲變換角度等原因，在實際應用中存在著許多限制。而PVDF壓電薄膜傳感器的具有輕薄、柔軟、質量輕等優點，并且非常適合在人體表面進行監測甚至植入體內進行信號監測。而且PVDF壓電薄膜傳感器的頻率響應范圍大，能很好的捕捉動態力，在無源條件下對其施加一定的力就可以使PVDF壓電薄膜傳感器產生極化現象，因此可以通過測量其兩端的帶電量從而測量出外力的大小。此輔助訓練系統正是采用壓電薄膜傳感器，通過導線將電信號引出，經過調制獲取壓力信息。

2系統的硬件設計

系統設計成上位機和下位機的形式，下位機是以單片機為處理核心，配合外圍電路采集壓電傳感器的數值，上位機利用Windows平臺軟件利用GPRS通信模塊實現下位機和上位機的通信。硬件電路設計的好壞決定這整個系統工作的穩定性和準確性，其采集部分以及數據傳輸部分可以簡化成模擬和數字兩個部分。

2.1放大電路及濾波電路的設計

模擬電路部分分為壓電薄膜傳感器的數據采集、放大以及濾波，數字部分為單片機、外圍電路以及GPRS通信模塊。在實際應用中因壓電薄膜傳感器的內阻R較大，因此輸出的是非常微弱的模擬電信號，不便于直接采集，必須利用前置放大電路對其進行濾波、整形，并轉換成數字信號供單片機模塊采集。

在壓電薄膜傳感器的兩極引出兩條導線，對輸出信號進行處理需要分為兩級來實現。一級是放大電路，一級是濾波電路。這里選用的是OPA2277運算放大器，成本低但測量精度高，適合便攜式設備的模擬信號放大。經過運算放大器運算出來的電壓值可以直接反饋壓電薄膜傳感器的受力情況，也就是反映出射擊運動員的發力情況。經過一級放大之后，OPA2277給出了具有一定信噪比的電壓信號，但信號中難免存在一定的噪聲，包括50赫茲工頻干擾和環境的低頻干擾，不利于我們觀察。為了去除噪聲干擾，我們需要在放大電路后加入濾波電路。經過大量測試，在射擊運動員射擊的過程中，產生的壓力信號是低頻的信號，通常小于40赫茲，但是選用低通濾波器其響應范圍存在過渡帶，不能很好的去除噪聲，因此濾波電路應該使用50赫茲和40赫茲兩極濾波共同組成，使用兩極濾波電路可以有效去除壓電薄膜傳感器的噪聲。

2.2微處理器的選用

控制器選擇的是stm32f107c8t6低功耗微處理，stm32f107c8t6處理器支持嵌入式開發，并且支持數模轉換，而且內部集成了溫度傳感器，非常適合移動嵌入式開發。

2.3通信模塊及電源模塊的選用

無線通信模塊選用的是GPRS遠程模塊，在通信條件好的情況下通信幾乎無延遲，而且遠程通信可以不受檢測位置限制，gu620型號GPRS模塊體積小，低功耗，性能穩定，而且支持GPS定位，非常適合本系統的設計，考慮到單片機和GPRS模塊的供電穩定性和體積要求，采用紐扣式鋰離子電池進行供電，并選用MAX660電源管理模塊對電池進行充電。

3系統軟件設計

3.1下位機軟件

下位機軟件可以實現對壓電薄膜傳感器的信號采集及通過GPRS模塊實現遠程通信，程序包括硬件初始化程序，壓力電信號檢測程序，通信中斷處理程序，模數轉換頻率可以通過系統時鐘分頻得到12兆赫茲的穩定頻率，通信波特率默認9600bps。利用序列通道對壓電薄膜傳感器進行多次采樣，微處理器對數據進行模數轉換后利用中斷通信子程序通過串口發送給GPRS模塊，再由GPRS模塊發送給上位機，從而實現下位機與上位機的數據通信。

3.2上位機軟件

上位機采用Windows開放平臺，設計功能包括GPRS認證服務，數據存儲、分析及處理程序。利用多線程技術可以實現多個模塊的并行處理，提高計算機軟件的運算效率。

軟件可以實現對gu260 GPRS模塊數據的采集，存儲到ACCESS數據庫中，并根據數據實時繪制多路電壓力波形，繪制波形時同時計算極值點、變化率，幫助我們更好的分析射擊運動員的動作。

4結束語

此套射擊輔助訓練系統是基于PVDF壓電薄膜傳感器而開發，系統包括上位機和下位機兩部分。下位機安裝在槍體上，利用安裝在射擊運動員手部各個位置的壓電薄膜傳感器采集手部的發力情況，并在上位機上繪制壓力曲線。通過此系統可以實施監測射擊運動員的手部發力情況，計算發力極值以及變化率，為射擊運動員提供科學的、客觀的訓練評價，為射擊教練提供精準的射擊參數，從而提高射擊的準確率。

參考文獻

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