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基于PVDF压电薄膜的“智能鞋垫”测试分析系统研究

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目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容及结构安排

第二章 PVDF压电薄膜传感器

2.1 压电材料

2.2 传感器材料选择与材料性能

2.3 传感器结构设计

2.4 压电仿真分析及电压实验

2.5 传感器足底分布设计

2.6 本章小结

第三章 系统硬件设计

3.1 信号调理电路

3.2 微处理器的选择

3.3 无线模块的选择

3.4 其他硬件电路设计

3.5 PCB设计

3.6 本章小结

第四章 系统软件设计

4.1 单片机软件设计

4.2 上位机界面设计

4.3 本章小结

第五章 实验测试与分析

5.1 准静载荷测试与分析

5.2 运动测试与分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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摘要

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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