一種拉壓式康復(fù)器械肌力測定系統(tǒng)研究

秦有年+牛文平+余紅英+韓曉東

摘 要：研制了一套拉壓式康復(fù)器械拉壓力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以stc89c51單片機(jī)為電路核心，設(shè)計了運(yùn)動過程中康復(fù)器械的壓力信號采集電路，并通過串口發(fā)送至上位機(jī)軟件，實時監(jiān)測運(yùn)動特性參數(shù)。其應(yīng)用于康復(fù)器械產(chǎn)品，并得到了國內(nèi)外康復(fù)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：康復(fù)器械；監(jiān)測系統(tǒng)；單片機(jī)；計算機(jī)控制

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.115

近年來，隨著科技的進(jìn)步和行業(yè)的發(fā)展，康復(fù)器械的適用領(lǐng)域也不單單是傷殘病人這一群體，生活節(jié)奏的加快使很多人的身體機(jī)能都處于一種亞健康狀況，這類群體是康復(fù)器械服務(wù)的對象。從功能結(jié)構(gòu)上看，康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)一步綜合化、集成化、微型化，出現(xiàn)了各種機(jī)電一體化和計算機(jī)相關(guān)的新產(chǎn)品，涉及機(jī)械、電子、計算機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互等多種高新技術(shù)。因此，相關(guān)單位要提高康復(fù)器械產(chǎn)品的質(zhì)量，才能獲得行業(yè)立足之本。

肌力測定是指康復(fù)病人在運(yùn)用拉壓式康復(fù)器械進(jìn)行肌康復(fù)運(yùn)動中對康復(fù)器械受力的測定。本文針對基于傳統(tǒng)的拉壓式康復(fù)器械設(shè)計研發(fā)了一套拉壓力實時采集與顯示系統(tǒng)，使康復(fù)器械的運(yùn)動鍛煉更加人性化。

1 總體方案

監(jiān)測系統(tǒng)主要由壓力采集電路與肌力評測軟件組成。壓力采集電路由單片機(jī)、壓力傳感器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。評測軟件接收康復(fù)病人肌力信息，并予以存儲分析等。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

采集電路主要通過拉壓傳感器進(jìn)行肌力傳感，其信號經(jīng)調(diào)理放大傳至AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸給主控芯片；主控單片機(jī)再將信號轉(zhuǎn)換為肌力信號，上傳至評測軟件進(jìn)行存儲分析。

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 拉壓力傳感器

采集系統(tǒng)硬件如圖2所示。

采用JLBS型拉壓力傳感器，其量程范圍在0～1 000 N，靈敏度為2.0±0.2 mV/V，屬于高精度設(shè)備，輸出有效電壓范圍為0～20 mV，可線性表示0～1 000 N壓力值。

2.2 信號放大模塊

拉壓力傳感器屬于電阻應(yīng)變式傳感器，它由彈性元件受力承力并發(fā)生形變，使其貼在內(nèi)部也發(fā)生形變，從而使阻值變化。在輸入電壓的情況下，輸出為毫伏（mV）信號，mV信號抗擾能力差，不易被接收和采集，所以，需要使用信號放大器。設(shè)計采用INA126作為信號放大模塊，INA126是運(yùn)放電路專用的儀表放大器，其放大倍數(shù)可調(diào)，測試回路將信號區(qū)間放大至0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號，隨后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TLC2543，TLC2543是美國TI公司生產(chǎn)的多通道、低價格、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該款A(yù)DC擁有11路模擬信號輸入端，且內(nèi)部可配置8～11位分辨率，其輸出接口為SPI接口，與主控單片機(jī)是通過片選（adcs）、時鐘信號（clock）、指令輸入（int）、數(shù)據(jù)輸出端口（dataout）進(jìn)行通信。硬件采集電路圖如圖2所示。

2.4 電源電路模塊

系統(tǒng)各模塊的電路供電電壓不盡相同，需要設(shè)計多電壓輸出的電源電路。系統(tǒng)總電源采用9 V向傳感模塊供電，通過7805電壓轉(zhuǎn)換芯片9 V轉(zhuǎn)5 V供電單片機(jī)；放大器模塊則需要將5 V通過A0515轉(zhuǎn)換為±15 V供電。

2.5 采集程序軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序包括對TLC2543的轉(zhuǎn)換模式初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)采集，串口上傳部分組成，采集軟件流程如圖3所示。

初始化是用于設(shè)置模擬數(shù)據(jù)通道口、轉(zhuǎn)換位數(shù)。模擬通道選擇AIN0（第0通道），轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)設(shè)定為8.數(shù)據(jù)采集則是對ADC的讀取過程，需要在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行模擬SPI通信方式采集。采集子程序為：

uchar read_ad（）{

uchar temp，i，j，addata； uint k；

adcs=0； clock=0； //打開片選，時鐘歸0

For（i=0；i<8；i++）{

j=dataout；addata=（addata<<1）|j；

//將dataout輸出數(shù)據(jù)讀取至addata

clock=1；delayms（1）；clock=0； delayms（1）；

//clock上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并復(fù)位}

adcs=1；//數(shù)據(jù)傳輸完畢，關(guān)片選

return addata；}

Addata即為采集得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而交給單片機(jī)處理。采集得到的數(shù)據(jù)為模擬輸入電壓的數(shù)字值，因為從AD讀取的為8位值，而當(dāng)AD滿量程表示1 000 kg，計算公式為：

式（1）中：F為器材承受的拉力值，即拉壓肌力值。

2.6 上位機(jī)軟件

上位機(jī)功能豐富，包括康復(fù)病人信息管理，肌力拉壓數(shù)據(jù)實時顯示、存儲及比對分析等，便于醫(yī)生把握康復(fù)病人的康復(fù)程序。

3 結(jié)束語

本文研究的測定系統(tǒng)是針對拉壓式康復(fù)器械提出的。在課題研究中，采用基于計算機(jī)、單片機(jī)及其外圍電路相結(jié)合一線式采集手段，在設(shè)計中，根據(jù)力度測定范圍進(jìn)行采集電路設(shè)計、程序編寫等。以串口通信的方式將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，經(jīng)過驗證系統(tǒng)能有效完成測定任務(wù)，向康復(fù)器械的信息化邁出了重要一步。

參考文獻(xiàn)

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