基于AVR單片機的服裝壓力檢測系統(tǒng)設計

O 引言
    服裝是人們生活的一個重要組成部分，它的設計除了款式、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或水壓機來測量服裝壓力的方法簡單直接，但精度較低，尤其動態(tài)測量相當困難；電阻測量方法是將電阻應變片傳感器插入衣服內(nèi)，由于服裝壓力而使應變片變形導致電阻值的變化，從而將壓力變化轉換為變化的電壓信號，通過測量該變化的電壓值得出服裝壓力測試結果。該方法測試精度高，結果穩(wěn)定，但易受外部條件的影響，且對服裝壓力進行動態(tài)測量比較困難；石膏法主要是通過模型檢測實現(xiàn)，這種方法可以測出接近穿衣時的自然壓力值，但不能進行連續(xù)動作時的服裝壓力測試，并且石膏模型難以制作。以上各種測試方法受時間和空間的限制，難以適應不同測試條件的需要，且測試數(shù)據(jù)的精度不高，沒有數(shù)據(jù)保存功能。
    針對傳統(tǒng)測試方法的缺陷，本系統(tǒng)采用AVR低功耗、高性能單片機作為核心CPU，選用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來測量服裝壓力，并把其設計成為可便攜的，能夠進行動、靜態(tài)測量，具有數(shù)據(jù)儲存功能的服裝壓力測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)的功能模塊主要有：參數(shù)檢測模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、儲存模塊、實時時鐘模塊、PC機通信模塊和控制模塊。服裝壓力檢測采用多點測試方法，即測試模塊上連接多個壓力傳感器。各個傳感器完成一次數(shù)據(jù)測試后，將其數(shù)據(jù)發(fā)送給核心CPU，然后主芯片對該數(shù)據(jù)做運算處理，并將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則儲存在存儲器中，同時將數(shù)據(jù)實時地顯示在液晶屏上。完成檢測后，可通過串口將儲存器中的數(shù)據(jù)讀入：PC機中進行分析、存儲?？刂颇K主要完成系統(tǒng)功能的設定。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 功能模塊設計
2．1 微處理器
    本系統(tǒng)微處理器采用高性能、低功耗的AVR系列單片機中的ATmegal6L，其內(nèi)部集成定時器、ADC、片內(nèi)時鐘、USART、SPI、TWI，中斷源達到21個。ATmegal6L在1 MHz，3V，25℃時的功耗，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)和單級流水線技術，使得其處理速度高達1 MIPS／MHz的高速運行處理能力。其內(nèi)部的可編程FLASH為16 KB，擦寫次數(shù)可達到10000次。AVR內(nèi)部集成8路10位逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸
入電壓進行采樣。器件還支持16路差分電壓輸入組合，有可編程增益級控制功能。其強大的數(shù)據(jù)處理能力和高集成性的內(nèi)核完全滿足該系統(tǒng)的設計要求。
2．2 服裝壓力檢測模塊
    本系統(tǒng)利用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來測量服裝壓力。與傳統(tǒng)服裝壓力測試系統(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，能夠測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，每層薄膜上鋪設銀質導體并涂上一層特殊的壓敏半導體材料，兩片薄膜壓合在一起就形成了傳感器。銀質導體從傳感點處延伸至傳感器的連接端。  Flexiforce A201的傳感器點在電路中起電阻作用。當外力作用到傳感點上時，傳感器點的阻值隨外力成比例變化，傳感器未受力時，傳感點阻值最大，壓力越大，傳感點阻值越小。

    壓力傳感器的輸出信號為毫伏級，需要對檢測的信號進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，其阻值變化對應了加在傳感器上的外力變化。該電路采用MC34071型放大器，傳感器通過該放大器，輸出電壓值為Vout，經(jīng)過標定后的壓力與電壓的對應關系，即可得到所測量的服裝壓力值。
    本系統(tǒng)應用8個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)儲存模塊
    系統(tǒng)設計一個數(shù)據(jù)存儲模塊。由于該系統(tǒng)儲存數(shù)據(jù)所占的空間容量并不是很大，因此存儲器選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C256芯片，其為256 KB的數(shù)據(jù)存儲器，采用I2C總線通信方式與主CPU進行數(shù)據(jù)交換。
    為便于測試后更好的閱讀數(shù)據(jù)，采用一定的儲存模式將數(shù)據(jù)保存在AT24C256中，因此，在進行軟件設計時，采用該數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：首先傳送檢測通道號，然后傳送測試時間，最后傳送壓力值。具體傳輸格式如圖3所示。

    ATmegal6L單片機內(nèi)部集成有I2C通信模塊，其外接端口與PC0和PC1端口復用，在使用該端口時，只需給兩根傳輸總線外連上拉電阻，每根一個。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、顯示質量高，可同時顯示4路采集數(shù)據(jù)，對于8路數(shù)據(jù)可采用循環(huán)顯示方法。顯示的數(shù)據(jù)為通道號和壓力數(shù)據(jù)。如果不需要顯示數(shù)據(jù)時，可采用功能鍵關掉顯示。
    SMGl2864液晶與ATmegal6L的連接非常簡單。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、實時時鐘模塊和功能模塊
    串口模塊主要實現(xiàn)PC機與該檢測系統(tǒng)通信工作。PC機可通過該串口讀取AT24C256中的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用美信公司的MAX232串口通信轉換芯片。
    本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司推出的。DSl302實時時鐘芯片，其采用三線串行接口，芯片內(nèi)部集成了可編程日歷時鐘和31個字節(jié)的靜態(tài)RAM。DSl302時鐘可自動進行閏年補償。DSl302芯片自身還具備對備份電池進行涓流充電功能，可有效延長備份電池的使用壽命。
    對DSl302供電在系統(tǒng)正常工作情況下應用系統(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)設置3個功能鍵完成系統(tǒng)的時間配置和輔助功能選擇。這些輔助功能主要有：其中一功能鍵實現(xiàn)在系統(tǒng)不需要檢測服裝舒適度壓力時，只顯示時間，這時可作為一個實時時鐘使用，在需要進行壓力測試實驗時，按下該功能鍵系統(tǒng)則進入系統(tǒng)壓力檢測模式。
    系統(tǒng)啟動后，首先對整個系統(tǒng)進行初始化，初始化后對功能鍵進行檢測，如果該功能鍵按下，系統(tǒng)則啟動A／D轉換，并同時把檢測的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)格式存儲在AT24C256中，同時把檢測的數(shù)據(jù)循環(huán)顯示在SMG12864液晶屏上。在完成數(shù)據(jù)測試后，如果沒有進行壓力數(shù)據(jù)檢測，則關閉A／D轉換模塊，并且關閉數(shù)據(jù)存儲端口，系統(tǒng)因此進入休眠狀態(tài)。

3 壓力舒適度檢測算法實現(xiàn)
    必須對采集到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)進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換為模擬電壓值，然后經(jīng)過A／D轉換為標準電壓值，在經(jīng)過MCU對該數(shù)據(jù)做運算后，把其轉換為服裝舒適度壓力值。
    其具體算法如下：
    ATmegal6L A／D轉換的實際電壓值計算公式：
   
式中：ADC為壓力傳感器輸出模擬電壓值A／D轉換后對應的結果值；Vin為壓力傳感器輸出模擬電壓值；VREF為A／D轉換參考電壓值。為了提高精度，這里選用ATmegal6L內(nèi)部A／D轉換參考電壓為2．56V。
    取G為給壓力傳感器加載100g砝碼后，所得標準A／D轉換實際電壓值，則：     
   
式中：F為服裝壓力，單位：g。

4 測試實驗
    本系統(tǒng)設計完成后，通過測試人體在著裝后肩部的一個點隨時間壓力的變化來檢測其穩(wěn)定性和可靠性。測試曲線如圖4所示：初著裝后壓力變化比較穩(wěn)定(O～12min)；在臂膀運動后服裝壓力也隨時間發(fā)生變化(12～18 min)；臂膀停止活動壓力值又回到初值(18～23 min)。

5 結語
    實驗結果表明該服裝壓力檢測系統(tǒng)能正確測試服裝舒適度壓力值，其使用方便、功能強大、性能優(yōu)良，是進行服裝測試的理想平臺，它解決了以往傳統(tǒng)服裝壓力測試中不能測量動態(tài)服裝壓力的困難，且具有數(shù)據(jù)儲存功能。該設備體積小，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)基礎和依據(jù)，通過對壓力的客觀測量及研究，將有助于數(shù)字化服裝壓力舒適性研究的發(fā)展。