基于AVR單片機(jī)的服裝壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
    服裝是人們生活的一個(gè)重要組成部分，它的設(shè)計(jì)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(gè)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(cè)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(jì)或水壓機(jī)來(lái)測(cè)量服裝壓力的方法簡(jiǎn)單直接，但精度較低，尤其動(dòng)態(tài)測(cè)量相當(dāng)困難；電阻測(cè)量方法是將電阻應(yīng)變片傳感器插入衣服內(nèi)，由于服裝壓力而使應(yīng)變片變形導(dǎo)致電阻值的變化，從而將壓力變化轉(zhuǎn)換為變化的電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量該變化的電壓值得出服裝壓力測(cè)試結(jié)果。該方法測(cè)試精度高，結(jié)果穩(wěn)定，但易受外部條件的影響，且對(duì)服裝壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量比較困難；石膏法主要是通過(guò)模型檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，這種方法可以測(cè)出接近穿衣時(shí)的自然壓力值，但不能進(jìn)行連續(xù)動(dòng)作時(shí)的服裝壓力測(cè)試，并且石膏模型難以制作。以上各種測(cè)試方法受時(shí)間和空間的限制，難以適應(yīng)不同測(cè)試條件的需要，且測(cè)試數(shù)據(jù)的精度不高，沒(méi)有數(shù)據(jù)保存功能。
    針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法的缺陷，本系統(tǒng)采用AVR低功耗、高性能單片機(jī)作為核心CPU，選用美國(guó)Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來(lái)測(cè)量服裝壓力，并把其設(shè)計(jì)成為可便攜的，能夠進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量，具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能的服裝壓力測(cè)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(cè)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、儲(chǔ)存模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、PC機(jī)通信模塊和控制模塊。服裝壓力檢測(cè)采用多點(diǎn)測(cè)試方法，即測(cè)試模塊上連接多個(gè)壓力傳感器。各個(gè)傳感器完成一次數(shù)據(jù)測(cè)試后，將其數(shù)據(jù)發(fā)送給核心CPU，然后主芯片對(duì)該數(shù)據(jù)做運(yùn)算處理，并將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在液晶屏上。完成檢測(cè)后，可通過(guò)串口將儲(chǔ)存器中的數(shù)據(jù)讀入：PC機(jī)中進(jìn)行分析、存儲(chǔ)?？刂颇K主要完成系統(tǒng)功能的設(shè)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 功能模塊設(shè)計(jì)
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(jī)中的ATmegal6L，其內(nèi)部集成定時(shí)器、ADC、片內(nèi)時(shí)鐘、USART、SPI、TWI，中斷源達(dá)到21個(gè)。ATmegal6L在1 MHz，3V，25℃時(shí)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μA。AVR單片機(jī)采用大型快速存取寄存器組，快速單調(diào)指令系統(tǒng)和單級(jí)流水線技術(shù)，使得其處理速度高達(dá)1 MIPS／MHz的高速運(yùn)行處理能力。其內(nèi)部的可編程FLASH為16 KB，擦寫次數(shù)可達(dá)到10000次。AVR內(nèi)部集成8路10位逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸
入電壓進(jìn)行采樣。器件還支持16路差分電壓輸入組合，有可編程增益級(jí)控制功能。其強(qiáng)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(shè)計(jì)要求。
2．2 服裝壓力檢測(cè)模塊
    本系統(tǒng)利用美國(guó)Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來(lái)測(cè)量服裝壓力。與傳統(tǒng)服裝壓力測(cè)試系統(tǒng)中所采用的傳感器相比，F(xiàn)lexifo-rce傳感器薄如紙張、柔韌性強(qiáng)，能夠測(cè)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(cè)的服裝壓力值，選用壓力范圍為O～1 lb(4．4 N)的Flexiforce A201型壓力傳感器。FlexiforceA201型壓力傳感器由兩層薄膜組成，每層薄膜上鋪設(shè)銀質(zhì)導(dǎo)體并涂上一層特殊的壓敏半導(dǎo)體材料，兩片薄膜壓合在一起就形成了傳感器。銀質(zhì)導(dǎo)體從傳感點(diǎn)處延伸至傳感器的連接端。  Flexiforce A201的傳感器點(diǎn)在電路中起電阻作用。當(dāng)外力作用到傳感點(diǎn)上時(shí)，傳感器點(diǎn)的阻值隨外力成比例變化，傳感器未受力時(shí)，傳感點(diǎn)阻值最大，壓力越大，傳感點(diǎn)阻值越小。

    壓力傳感器的輸出信號(hào)為毫伏級(jí)，需要對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)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，RF=R1 +RF1，Vout=-V0(RF+RS1)。其中，RF1為可變電阻，其阻值變化對(duì)應(yīng)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(guò)該放大器，輸出電壓值為Vout，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的壓力與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可得到所測(cè)量的服裝壓力值。
    本系統(tǒng)應(yīng)用8個(gè)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。
2．3 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。由于該系統(tǒng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)所占的空間容量并不是很大，因此存儲(chǔ)器選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C256芯片，其為256 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用I2C總線通信方式與主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
    為便于測(cè)試后更好的閱讀數(shù)據(jù)，采用一定的儲(chǔ)存模式將數(shù)據(jù)保存在AT24C256中，因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用該數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：首先傳送檢測(cè)通道號(hào)，然后傳送測(cè)試時(shí)間，最后傳送壓力值。具體傳輸格式如圖3所示。

    ATmegal6L單片機(jī)內(nèi)部集成有I2C通信模塊，其外接端口與PC0和PC1端口復(fù)用，在使用該端口時(shí)，只需給兩根傳輸總線外連上拉電阻，每根一個(gè)。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SMGl2864液晶，其體積小、重量輕、功耗小、顯示質(zhì)量高，可同時(shí)顯示4路采集數(shù)據(jù)，對(duì)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(hào)和壓力數(shù)據(jù)。如果不需要顯示數(shù)據(jù)時(shí)，可采用功能鍵關(guān)掉顯示。
    SMGl2864液晶與ATmegal6L的連接非常簡(jiǎn)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(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和功能模塊
    串口模塊主要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與該檢測(cè)系統(tǒng)通信工作。PC機(jī)可通過(guò)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(zhuǎn)換芯片。
    本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司推出的。DSl302實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)鐘和31個(gè)字節(jié)的靜態(tài)RAM。DSl302時(shí)鐘可自動(dòng)進(jìn)行閏年補(bǔ)償。DSl302芯片自身還具備對(duì)備份電池進(jìn)行涓流充電功能，可有效延長(zhǎng)備份電池的使用壽命。
    對(duì)DSl302供電在系統(tǒng)正常工作情況下應(yīng)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(shè)置3個(gè)功能鍵完成系統(tǒng)的時(shí)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(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)不需要檢測(cè)服裝舒適度壓力時(shí)，只顯示時(shí)間，這時(shí)可作為一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用，在需要進(jìn)行壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，按下該功能鍵系統(tǒng)則進(jìn)入系統(tǒng)壓力檢測(cè)模式。
    系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化后對(duì)功能鍵進(jìn)行檢測(cè)，如果該功能鍵按下，系統(tǒng)則啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，并同時(shí)把檢測(cè)的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在AT24C256中，同時(shí)把檢測(cè)的數(shù)據(jù)循環(huán)顯示在SMG12864液晶屏上。在完成數(shù)據(jù)測(cè)試后，如果沒(méi)有進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)檢測(cè)，則關(guān)閉A／D轉(zhuǎn)換模塊，并且關(guān)閉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端口，系統(tǒng)因此進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3 壓力舒適度檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)
    必須對(duì)采集到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)換為模擬電壓值，然后經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，在經(jīng)過(guò)MCU對(duì)該數(shù)據(jù)做運(yùn)算后，把其轉(zhuǎn)換為服裝舒適度壓力值。
    其具體算法如下：
    ATmegal6L A／D轉(zhuǎn)換的實(shí)際電壓值計(jì)算公式：
   
式中：ADC為壓力傳感器輸出模擬電壓值A(chǔ)／D轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的結(jié)果值；Vin為壓力傳感器輸出模擬電壓值；VREF為A／D轉(zhuǎn)換參考電壓值。為了提高精度，這里選用ATmegal6L內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換參考電壓為2．56V。
    取G為給壓力傳感器加載100g砝碼后，所得標(biāo)準(zhǔn)A／D轉(zhuǎn)換實(shí)際電壓值，則：     
   
式中：F為服裝壓力，單位：g。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)測(cè)試人體在著裝后肩部的一個(gè)點(diǎn)隨時(shí)間壓力的變化來(lái)檢測(cè)其穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試曲線如圖4所示：初著裝后壓力變化比較穩(wěn)定(O～12min)；在臂膀運(yùn)動(dòng)后服裝壓力也隨時(shí)間發(fā)生變化(12～18 min)；臂膀停止活動(dòng)壓力值又回到初值(18～23 min)。

5 結(jié)語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該服裝壓力檢測(cè)系統(tǒng)能正確測(cè)試服裝舒適度壓力值，其使用方便、功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良，是進(jìn)行服裝測(cè)試的理想平臺(tái)，它解決了以往傳統(tǒng)服裝壓力測(cè)試中不能測(cè)量動(dòng)態(tài)服裝壓力的困難，且具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能。該設(shè)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(chǔ)和依據(jù)，通過(guò)對(duì)壓力的客觀測(cè)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。