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基于PVDF压电薄膜足底压力分布采集系统研究与设计

作　者: 王司洋
导　师: 元文学
学　校: 大连理工大学
专　业: 运动人体学
关键词: 足底压力 PVDF压电薄膜 传感器阵列 滤波器
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着社会不断进步,生活水平不断提高,人们对健康的关注越来越多,全民健身的理念已经逐渐深入人心。在平时生活和运动中对于足部的依赖很大,足部承受着全身的压力。压力的变化也与很多疾病的发生有着紧密的联系。特别的,对足底压力分布进行研究,对于运动员选材,训练过程中的动作分析,会给教练员提供更为有针对性的理论指导,有助于运动员成绩进一步提高。因此对于足底压力的研究是非常重要而且有意义的。在研究前人工作的基础上,本文采用PVDF高分子薄膜元件作为传感元件,发挥其易加工,柔软,韧性好的特点,在研究其压电特性的基础上,首先制作单体的电荷采集单元,实现了对单体薄膜的电荷量到AD可以采集的电压量转换,且有较好的低频响应。其次,将其制作成阵列分布,通过两行四列8个点的分布,来完成对于一个区域压力分布的采集,从而实现实时采集足底压力分布的情况。在设计过程中,对于电荷放大器的设计给予了详尽的论述,还有针对性的设计了滤波电路,保证信号的准确获取。特别的还设计了键盘和显示功能,配合控制。在计算机通信的环节,设计了串口通信和USB通信两种方式,将数据传给计算机,这样有助于对数据进一步的分析和处理。最后给出了系统的组成结构和控制器设计的软件流程。给出了足底压力分布采集系统的测试情况。首先,更改电荷放大器各环节参数,通过对实际测试情况分析,与理论计算相符,并且根据具体的测试需要,给出相对合适的一组参数。其次,对于滤波电路,也从仿真和实际测试两个方面进行对比,结果证明与理论计算相一致。最后,给出阵列数据的获取情况,通过对数据分析,表明数据符合实际的压力情况,达了预期设计要求。实践证明,本设计方案在实现压力分布采集是可行的。课题研究可扩展到压力鞋垫和压力平板等领域,其应用领域十分广泛。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 现阶段国内外研究情况  8-11
    1.1.1 课题背景  8
    1.1.2 应用领域介绍  8-9
    1.1.3 国内外研究情况  9-11
  1.2 本课题的研究意义及工作安排  11-13
    1.2.1 本课题的研究意义  11-12
    1.2.2 课题工作安排  12-13
2 足底生物力学分析  13-17
  2.1 足部生理结构  13-14
  2.2 足部生物运动力学分析  14-17
    2.2.1 静态分析  15-16
    2.2.2 动态分析  16-17
3 PVDF压电薄膜传感器结构设计  17-23
  3.1 压电传感器基础  17-18
  3.2 PVDF参数和特性分析  18-19
  3.3 PVDF传感器结构设计  19-23
    3.3.1 PVDF压电薄膜传感器单体设计  19-20
    3.3.2 PVDF压电薄膜传感器阵列设计  20-21
    3.3.3 阵列扩展设计  21-23
4. 系统模拟量部分设计  23-34
  4.1 电荷放大器设计  23-29
    4.1.1 PVDF压电薄膜等效  23-24
    4.1.2 电荷放大器等效  24-26
    4.1.3 电荷放大器输入输出关系  26
    4.1.4 电荷放大器放电时间  26-29
  4.2 滤波电路  29-31
    4.2.1 50Hz陷波电路  29-30
    4.2.2 低通滤波电路  30-31
  4.3 后级调整输出  31-32
  4.4 通道选择和放电回路  32-34
5 系统数字量部分设计  34-48
  5.1 A/D转换电路  34-36
  5.2 串口通信  36-39
    5.2.1 串口通信特点  36
    5.2.2 串口通信设计方案  36-39
  5.3 USB通信  39-42
    5.3.1 USB技术特点  39-41
    5.3.2 USB通信控制器  41-42
    5.3.3 USB接口电路设计  42
  5.4 键盘及显示  42-44
  5.5 控制器设计  44-47
    5.5.1 系统硬件总体框架设计  44-46
    5.5.2 系统软件工作流程  46-47
  5.6 设计中遇到的问题  47-48
6 仿真与测试  48-53
  6.1 电荷放大器电路测试  48-49
  6.2 滤波电路仿真与测试  49-50
  6.3 阵列数据采集测试  50-53
结论  53-54
参考文献  54-57
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  57-58
致谢  58-59

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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