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

摘 要:設(shè)計(jì)了以AVR單片機(jī)為核心CPU的服裝壓力檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)測(cè)試、儲(chǔ)存和多通道采集功能。該系統(tǒng)通過對(duì)人體著裝后對(duì)不同部位服裝壓力進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可對(duì)該服裝的壓力舒適度性做出客觀評(píng)價(jià)，為服裝企業(yè)科學(xué)地設(shè)計(jì)、生產(chǎn)服裝提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用方便、工作穩(wěn)定、可靠、功耗低。

關(guān)鍵詞:AVR; 服裝壓力檢測(cè)系統(tǒng); 服裝壓力; 服裝舒適性

中圖分類號(hào):TP274.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0165-03

Clothing Pressure Detecting System Based on AVR Single Chip Microcontroller

TANG Ming-fei， GAO Xiao-ding， ZHANG Chun-li，TAN Dong-cai

(School of Mechanical Engineering， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China)

Abstract: The clothing pressure detecting system was designed based on the core of AVR single chip microcontroller. The system has functions of data survey， storage and multi-channel acquisition. The detection can be made on the clothing pressure in different parts of body after dressing， an objective evaluation of the comfort index about clothing pressure is given according to the test results. It can provide scientific basis for scientific design and production of clothing in clothing enterprises. The experimental results show that the system has convenient usage， excellent performance and low power consumption.

Keywords: AVR; system of clothing pressure detection; clothing pressure; clothing comfort index

0 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[1-3]。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Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來測(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)。控制模塊主要完成系統(tǒng)功能的設(shè)定[4]。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ATmega16L，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)。ATmega16L在1 MHz，3 V，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1 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10 000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)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣[5-6]。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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 服裝壓力檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)利用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來測(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)lexiforce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0~1 lb(4.4 N)的Flexiforce A201型壓力傳感器。Flexiforce A201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，RF=R1+RF1，Vout=-V0(RF+RS1)。其中，RF1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，傳感器通過該放大器，輸出電壓值為Vout，經(jīng)過標(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[7]。

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。

圖2 Flexiforce 傳感器放大電路

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[8]，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[9]。具體傳輸格式如圖3所示。

圖3 傳輸數(shù)據(jù)幀格式

ATmega16L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SMG12864液晶，其體積小、重量輕、功耗小、顯示質(zhì)量高[10]，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。

SMG12864液晶與ATmega16L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DALLAS公司推出的DS1302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。DS1302時(shí)鐘可自動(dòng)進(jìn)行閏年補(bǔ)償。DS1302芯片自身還具備對(duì)備份電池進(jìn)行涓流充電功能，可有效延長備份電池的使用壽命[11]。

對(duì)DS1302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A/D轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，在經(jīng)過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:

ATmega16L A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)際電壓值計(jì)算公式:

ADC=(Vin×1 024)/VREF

(1)

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;Vin為壓力傳感器輸出模擬電壓值;VREF為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓值。為了提高精度，這里選用ATmega16L內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換參考電壓為256 V。

取G為給壓力傳感器加載100 g砝碼后，所得標(biāo)準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)際電壓值，則:

ADC標(biāo)準(zhǔn)=(G×1 024)/VREF

(2)

由式(1)和式(2)可得，服裝壓力可表示為:

F=(ADC×100)/ADC標(biāo)準(zhǔn)

(3)

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(0~12 min);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)。

圖4 壓力測(cè)試曲線

5 結(jié) 語

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。

參考文獻(xiàn)

[1]孟振華，李津.一種新型服裝壓力測(cè)試方法的研究[J].山東紡織科技，2006(5):42-45.

[2]李東平，夏濤，李俊.服裝壓力測(cè)試方法的研究進(jìn)展[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2007(12):98-100.

[3]徐杰，錢曉明，徐先林.服裝壓力測(cè)試方法的探討[J].針織工業(yè)，2008(9):35-39.

[4]張軍.AVR單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M].北京:中國電力出版社，2005.

[5]Atmel. ATmega16L 單片機(jī)芯片使用說明書[ EB/OL] .[ 2006-09-12] .http://www.atmel.com/dyn/products/datasheets.asp?family_id=607.

[6]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[7]Tekscan. Flexiforce sensors user manual[ EB/OL] .[ 2007-08-22] . http://www.tekscan.com/flexiforce/flexiforce.html.

[8]Atmel. AT24C256使用說明書[ EB/OL] . [ 2007-04-13] . http://www.atmel.com/dyn/products/datasheets.asp?family_id=647.

[9]趙建領(lǐng)，薛園園.51單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[10]上海星研電子科技有限公司.12864液晶顯示器技術(shù)手冊(cè)[ M] .上海:上海星研電子科技有限公司，2008.

[11]MAXIM. DS1302 Trickle-charge timekeeping chip[ EB/OL] .[ 2005-05-17] . http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS1302.pdf.