氣動觸點式服裝壓力檢測儀的研制

高 志，蔡傳東

（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

1 引言

服裝壓力舒適性是影響服裝舒適性的一個重要因素。不適合的服裝壓力會對人體產(chǎn)生較大的影響。壓力過大可能導(dǎo)致血液循環(huán)障礙、呼吸加快、心肺功能低下等問題。而服裝壓力過小會影響肢體活動，帶來較差的體感[1]。另一方面，在醫(yī)療和體育運動中，壓力服裝也被廣泛應(yīng)用[2]。在臨床醫(yī)學(xué)上，壓力服裝已經(jīng)被用作治療手段。其中，彈力襪的使用可以有效的防止下肢靜脈曲張，具有促進靜脈血液回流心臟的功能。體育運動中，適當(dāng)?shù)膲毫ψ饔每梢詾檫\動員提供幫助，更好的投入到體育活動中。例如，護腕在球類運動中可以有效降低使用者腕部的酸痛感，并能在一定程度上降低受傷的風(fēng)險[3]。

先進的服裝壓力檢測系統(tǒng)是服裝壓力等級判斷的重要手段。目前，主要通過建立理論模型以及改進測量方法獲取服裝壓力值。其中，文獻[4]建立了人體圓形截面模型。通過不共線的三點確定曲率半徑，再基于力學(xué)理論和拉普拉斯定律預(yù)測人體的服裝壓力。預(yù)測方程的計算結(jié)果與前人測試結(jié)果基本一致。在測量方法上，文獻[5]提及的氣囊式測量法結(jié)構(gòu)簡單。將氣囊放置在人體與壓力服之間，由于橡膠球內(nèi)壓力變化可獲取水銀壓力計的數(shù)值。

該測試方法原理簡單，成本相對低廉，但測量誤差較大，并易受人體部位曲率變化的影響。文獻[6]提出了一種薄膜式測試方法，不同部位的電阻應(yīng)變片變形程度不同，壓力和電阻存在反比關(guān)系，通過檢測應(yīng)變片的阻值得到服裝在該處的壓力。但存在傳感器本身精度較低且應(yīng)變片無法緊密貼合人體皮膚等問題，導(dǎo)致測量誤差較大。為了最大程度上減小感應(yīng)元件本身引起的壓力服變形問題，降低受人體曲率的影響，設(shè)計制作了新型的感應(yīng)元件（檢測帶）。

并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)出一種氣動觸點式服裝壓力檢測儀。通過氣泵不斷向檢測帶內(nèi)充入氣體，感應(yīng)電路上的觸點逐一分開，實現(xiàn)一次測量即可獲取多點壓力值，測量準確，實用性和推廣性較高。

2 壓力檢測儀的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

2.1 檢測儀的工作原理

將一個含有感應(yīng)電路的檢測帶放置在人體（模型）和壓力服之間。由于檢測帶是一種輕薄且柔軟的氣帶，能夠和人體部位貼合，其實物，如圖1（a）所示。當(dāng)檢測帶內(nèi)無氣體充入時，檢測帶內(nèi)正反兩個面的多個觸點兩兩貼合，如圖1（b）所示。隨著氣體的不斷充入，檢測帶內(nèi)的氣壓不斷升高，當(dāng)氣壓等于或略大于壓力服對人體表面產(chǎn)生的壓力時，兩兩貼合的觸點分離，如圖1（c）所示。再通過外部檢測電路獲取通斷信號。認為觸點分離的時刻，檢測帶內(nèi)的氣壓等于壓力服作用在人體該點處的壓力。在持續(xù)增壓的過程中，多個測量部位的接觸點會相繼分開，所以可同時測量多點的壓力值。其感應(yīng)電路，如圖1 所示。左右六個點依次一一對應(yīng)。

圖1 傳感檢測帶電路圖Fig.1 Circuit Diagram of Sensor Test Strip

通過對氣泵的PWM控制可改變充入氣體的流量，調(diào)節(jié)排氣閥高低電平輸入實現(xiàn)開閉。在充氣時讀取感應(yīng)電路的通斷信號，通過壓力變送器獲取測量部位的電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊存儲在單片機內(nèi)，最終通過數(shù)據(jù)的無線傳輸顯示在上位機LabVIEW 和顯示屏中。該檢測系統(tǒng)屬于直接測量方式，原理簡單，測量準確。

2.2 檢測儀結(jié)構(gòu)組成

氣動觸點式服裝壓力檢測儀系統(tǒng)硬件主要由STM32 單片機、氣泵、排氣閥、傳感檢測帶、壓力變送器、WIFI模塊、TFT液晶屏等模塊組成，如圖2所示。氣動回路由氣泵、單向閥、傳感檢測帶、排氣閥等組成。主控制系統(tǒng)由STM32、氣泵、WIFI模塊、MOS場效應(yīng)管驅(qū)動模塊等組成。用戶顯示部分包含TFT液晶屏顯示、Lab?VIEW上位機、手機APP端，用戶操作方便，不受工作環(huán)境限制。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall System Block Diagram

3 壓力檢測儀硬件選擇與設(shè)計

3.1 氣泵的選擇與控制

微型氣泵型號為D23L，額定電壓為12VDC，最大輸出氣壓約17kPa。其中人體所受舒適壓力閾值為（0～6）kPa，該氣泵可滿足條件。并且氣泵采用高品質(zhì)直流無刷電機，體積小、調(diào)速范圍廣、質(zhì)量輕。并且，還擁有可靠性高、過載能力強、穩(wěn)定性好、噪音低等優(yōu)點。

氣泵通過PWM 技術(shù)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速達到控制輸入氣體的流量的目的，從而改變檢測帶內(nèi)的升壓率。其中，可通過STM32F1 的定時器產(chǎn)生PWM 信號。氣泵的信號頻率范圍為（15～25）kHz，使用單片機的通用定時器TIM3 的CH3 通道輸出PWM信號，其完全重映射對應(yīng)的端口為PC8，通過自動裝載寄存器設(shè)置信號頻率為20kHz，改變占空比即可實現(xiàn)調(diào)速功能[7]。

3.2 壓力變送器的選擇與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)系統(tǒng)檢測精度要求及傳感器性能比較，選擇CYYZ11系列壓力變送器。鑒于壓力服的壓力范圍，選擇傳感器的測量量程為（0～20）kPa，輸出電壓范圍為（1～5）VDC。該傳感器性能穩(wěn)定，不易受溫度變化的影響，并且測量精度高，制作工藝精良。

由于單片機只能處理數(shù)字信號，因此需要對放大后的模擬信號進行A/D 轉(zhuǎn)換[8]。所以，采用STM32F1 作為主控單元，內(nèi)部帶有16 路12位A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度符合系統(tǒng)要求，不需另置外部轉(zhuǎn)換模塊。單片機中轉(zhuǎn)換單元的參考電壓為3.3V，因此ADC的輸入電壓范圍為：（0～3.3）V。經(jīng)過測試，3V的電壓輸出對應(yīng)約10KPa的氣壓，滿足測量條件。在接線上，選擇ADC1的CH3作為數(shù)據(jù)采集通道，對應(yīng)外部IO口為PA3。并且，為了保證采樣的精度和提高運算速度，采用平均值法的軟件濾波方式。能夠有效的抑制隨機干擾信號和周期性干擾信號，選擇采樣周期為239.5，采樣次數(shù)為N=10。

3.3 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

本系統(tǒng)中選用了型號為Elfin-EW10的無線通信模塊，該模塊能通過串口轉(zhuǎn)WIFI實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能。模塊遵循TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并配備RS232、RS485等豐富的外部接口。用戶可以通過網(wǎng)頁或物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)軟件即可實現(xiàn)對模塊參數(shù)的配置以及通信調(diào)試。由于STM32 的引腳為TTL 電平，因此需要TTL 轉(zhuǎn)RS232 模塊，并遵循RS232 的通訊協(xié)議115200.N.8.1 格式，再通過串口發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)。

在網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)上，WIFI 模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。結(jié)合檢測儀使用環(huán)境，系統(tǒng)采用AP 模式，即將WIFI模塊作為服務(wù)器端，手機或電腦作為客戶端，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制功能[9]。

3.4 TFT液晶屏顯示

選擇的TFT液晶顯示屏尺寸為3.5寸，模塊驅(qū)動芯片型號是IL19325，分辨率為320*480（長*高），接口為16 位的8080 并口，自帶觸摸功能。由于STM32自帶FSMC 接口，可以方便的將顯示屏安插在接口上。在軟件中只需進行讀寫時序圖的控制以及管腳的配置，即可在顯示屏中實時顯示測量點的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 TFT液晶屏顯示圖Fig.3 TFT LCD Screen Display

3.5 傳感檢測帶的設(shè)計

傳感檢測帶由上下兩片薄膜組成，在其內(nèi)表面印刷有感應(yīng)電路，在開口端設(shè)計有外部接口。其中薄膜選用PVC膜，其特點是：柔軟性好，保護膜粘性好，印刷在PVC膜上的感應(yīng)電路不易損壞，經(jīng)超聲波焊接之后的氣帶具有良好的密封性，可以有效的減小誤差。

感應(yīng)電路主要通過絲網(wǎng)印刷在PVC基材上，其導(dǎo)電漿料由銀漿組成，表面碳漿可防氧化，具備方阻小、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點。感應(yīng)電路主要包括七根引線，其中的一根引線連接在STM32的3.3V電源輸出引腳，如圖4所示。剩余的六根引線分別對應(yīng)六個測量點A～F，可連接在STM32 的IO 端口上，分別對應(yīng)為PF0～PF5。壓力狀態(tài)下，各測量點貼合對應(yīng)導(dǎo)通，處于高電平狀態(tài)；當(dāng)氣壓達到壓力服作用力時，觸點分開，對應(yīng)的測量點為斷路，處于低電平狀態(tài)。因此，可通過單片機檢測端口的高/低電平狀態(tài)，判斷測量點是否斷開，從而獲取當(dāng)前的壓力值，即為壓力服作用在人體該點處的壓力。

圖4 檢測帶設(shè)計圖Fig.4 Test Strip Design

超聲波焊接后的檢測帶還要進行接口的封裝設(shè)計，如圖5所示。接頭的表面設(shè)計了三個圓弧槽，檢測帶套入接頭后可在外部安裝密封橡膠圈，保證其氣密性；接頭中間留有直徑為4mm的通孔，方便插入外徑為4mm 的氣管；接頭表面上留有7 個直徑為1.5mm的通孔，分別對應(yīng)檢測帶上的七根引線。在外部可將七根導(dǎo)線穿過圓孔，一端分別焊接在感應(yīng)電路上，另一端接在單片機的通斷檢測IO口，結(jié)構(gòu)簡單，實用性較強。

圖5 檢測帶接頭圖Fig.5 Test Strip Connector Diagram

4 軟件程序設(shè)計

4.1 控制流程

軟件設(shè)計流程，如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，包括串口初始化、按鍵初始化、檢測電路端口初始化等。系統(tǒng)會首先判斷傳感檢測帶的測量點是否接觸，檢測到六個測量點全部為高電平時，點亮LED燈，提示測量點全部接觸。接下來通過按鍵延時消抖后，控制氣泵工作。在充氣過程中，六個測試點會相繼斷開，斷開的瞬間進行數(shù)據(jù)采集并在液晶屏上顯示該點的壓力值。當(dāng)電腦端和手機端均連接到特定的WIFI信號時，會在相應(yīng)的LabVIEW上位機和手機APP端實時顯示測量點數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感檢測帶內(nèi)氣壓達到10kPa時，數(shù)據(jù)采集完成，此時關(guān)閉氣泵，并打開排氣閥，將氣動回路內(nèi)氣體排空，測試完成。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow Diagram of the Main Program

4.2 LabVIEW上位機程序設(shè)計

后面板程序，如圖7所示。LabVIEW 軟件中自帶TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控件，只需配置目標IP地址和端口，即可實現(xiàn)和WIFI模塊的無線通訊[10]。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问綖樽址愋停虼嗽谙挛粰C中將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)成字符串。以測量點A為例，Lab?VIEW 接收的字符串形式為“ValA2.56 ”，共占10個字節(jié)。上位機通過截取字符串控件取出字符串前四位，判斷是否在“ValA”～“ValF”之間，然后再截取數(shù)據(jù)位字符串，在前面板中顯示輸出。該上位機可實時顯示多個測量點的壓力值。

圖7 LabVIEW上位機程序框圖Fig.7 LabVIEW Host Computer Block Diagram

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 傳感器數(shù)據(jù)標定

在此檢測系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)的準確度，需要對壓力變送器進行靜態(tài)標定實驗。向傳感檢測帶內(nèi)充入不同壓力的氣體，通過串口打印輸出對應(yīng)的電壓值。其數(shù)據(jù)擬合曲線，如圖8所示。

圖8 標定數(shù)據(jù)擬合圖Fig.8 Calibration Data Fitting Graph

得出輸出電壓與氣壓之間的線性擬合的關(guān)系為：

y=5(x-1.01)

其中，擬合優(yōu)度R2=0.99，表明實際測量數(shù)據(jù)曲線和擬合曲線具有很高的相似度。因此，本服裝壓力檢測儀的準確度高，可行性好。

5.2 重復(fù)性實驗分析

實驗使用標準的腿模和壓力襪進行重復(fù)性實驗，現(xiàn)場測試，如圖9所示。將傳感檢測帶塞入壓力襪和腿模之間，在同一位置連續(xù)進行六次測量，其測量結(jié)果，如表1所示。由表1可知，在相同的工作條件下，經(jīng)過連續(xù)六次的重復(fù)性實驗，各點的標準偏差小，表明數(shù)據(jù)的離散程度也小。并且，最大偏差為0.052kPa（0.4mmHg）。表明該檢測儀具備良好的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性和精密度。

圖9 現(xiàn)場測試圖Fig.9 Field Test Chart

表1 六次重復(fù)測量數(shù)據(jù)Tab.1 Six Repeated Measurements（kPa）

6 結(jié)束語

提出了一種新的服裝壓力檢測方法，創(chuàng)新設(shè)計了傳感檢測帶作為測量元件。設(shè)計并開發(fā)了一種新型的氣動觸點式服裝壓力檢測儀，詳細闡述了控制系統(tǒng)和程序設(shè)計。該設(shè)備不僅能同時測量多點的壓力值，還具備多種顯示方式，便于用戶的使用。

實驗結(jié)果表明，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，測量準確，精密度高。與傳統(tǒng)的壓力服測試系統(tǒng)相比，該檢測儀具有更好的可操作性和成本優(yōu)勢。并且整個檢測儀的集成度高，能夠準確而客觀的測量人體各部位的壓力值，為服裝壓力舒適性研究以及疾病治療提供了技術(shù)支持。