坐姿压力分布测量系统的设计

论文摘要

人的一生中许多人有大部分时间是处于坐姿状态的,当人体长期处于坐姿状态时,由于局部受压过大或受力不平衡,可能会导致坐疮和一些腰椎疾病如脊柱损伤、腰椎间盘突出等。研究表明,不良的坐姿会引发很多疾病,尤其是对于那些半身不遂或患有褥疮的病人,由坐姿不当而引起的疾病有时会是致命的。坐姿压力分布指当人坐在座椅上时,座椅对人体各部分压力的大小及其分布状态。测量人坐时各个部分特别是关节的受力状况,是非常必要的。人体压力分布测量系统是预防上述疾病的有效工具,但目前国内对压力分布的测量主要集中在足底压力的测量上,在坐姿压力分布测量上目前研究较少。人体压力分布和坐姿有着密切的联系,坐姿压力分布测量系统可对人体的压力分布进行测量、坐姿进行分析。该系统可以指导人们正确的坐姿,帮助人们预防由于坐姿不当而产生的疾病。坐姿压力分布测量系统主要由四大部分组成:压力传感器阵列,多路信号切换电路,信号采集及接口电路,计算机图形处理系统。压力传感器阵列由上版面,下版面及许多传感点组成,传感点采用导电橡胶作为传感器阵列的敏感单元。利用导电橡胶的压力-电阻特性,采用特殊的分层结构和制作方法制作出压力传感器阵列。针对系统信号通道比较多,选用多路模拟开关来对传感器的信号进行高速切换。对于连接传感器的模拟开关,为了减少非导通通道漏电流的影响,采用两级串联的设计方案。信号采集部分A/D转换芯片选用的是MAXIN公司生产的12位逐次逼近型A/D转换器MAX174A。系统中采用RS232串口与PC机的串行口进行串行通讯。计算机图形处理系统包括实时压力数据采集,数据显示及分析两个内容,对于采集到的每一帧电压数据,根据电阻-压力的拟合线性方程统一转换为对应的压强数据,用色谱图表示。在颜色的分配上,为了符合人眼对色彩的分辨特性,按照光谱顺序设计配色方案;最后综合运用插值算法,将压力分布图显示出来。最后,应用本系统对正常人和腰脊椎病患者进行实例测试,系统可对人体的坐姿情况进行简单的判别,测试结果对比效果明显、合理。分析和实验结果表明:本文研究的坐姿压力分布测量的系统设计方案合理可行,能实现人体与座椅之间压力分布的动态、实时测量,为课题的进一步研究及后续的产品开发打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 坐姿压力分布及坐姿压力分布和人体的关系
• 1.1.1 坐姿压力分布的概念与坐姿理论
• 1.1.2 坐姿压力分布和人体的关系
• 1.2 人体压力分布测量技术的国内外发展现状
• 1.2.1 人体压力分布测量技术国外的研究现状
• 1.2.2 人体压力分布测量国内研究及市场发展状况
• 1.2.3 人体压力分布测量系统发展中存在的问题
• 1.2.4 人体压力分布测量技术的发展趋势
• 1.3 项目的提出及研究的意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 基于导电橡胶的传感器阵列的设计
• 2.1 坐姿压力分布测量系统的基本组成及功能
• 2.2 传感器阵列设计的基本要素
• 2.2.1 传感器的基本组成
• 2.2.2 传感器传感原理的对比评价
• 2.2.3 传感器敏感材料的评价
• 2.2.4 本系统中选用的传感器原理和敏感材料
• 2.3 导电橡胶的特性及其在传感器中的应用
• 2.3.1 导电橡胶概述与其导电机理
• 2.3.2 导电橡胶作为敏感材料的优点及其在传感器中的应用
• 2.4 本系统中基于导电橡胶的传感器阵列的设计和制作
• 2.4.1 传感器阵列的设计
• 2.4.2 传感器阵列的信息采集原理
• 2.4.3 导电橡胶的压-电特性曲线的拟合
• 2.5 本章小结
• 3 系统的软硬件设计
• 3.1 系统的硬件电路概述
• 3.2 系统的硬件电路设计
• 3.2.1 多路信号选通电路的设计
• 3.2.2 抗干扰设计
• 3.2.3 A/D 转换模块
• 3.2.4 单片机对模拟多路开关的控制电路设计
• 3.2.5 串口数据通信
• 3.3 软件系统主要实现的功能
• 3.4 软件系统的设计
• 3.4.1 单片机端软件设计
• 3.4.2 PC 端软件的基本功能模块
• 3.5 本章小结
• 4 坐姿压力分布测量的可视化实现
• 4.1 Visual Basic 6.0 简介
• 4.2 在VB6.0 的环境下实现单片机与PC 的串口通信
• 4.2.1 串口通信控件MSComm 简介
• 4.2.2 串口通信中部分参数设置及技术分析
• 4.2.3 单片机与PC 机的串口通信模块的设计
• 4.3 坐姿压力分布测量系统中数据处理程序的设计
• 4.4 在VB6.0 下实现压力数据的图像显示
• 4.5 本章小结
• 5 系统的性能分析及实例测试
• 5.1 试验平台
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 硬件的连接和系统参数设置
• 5.2.2 压力数据的采集和显示
• 5.2.3 系统调试具体试验步骤
• 5.2.4 测试实例结果
• 5.3 系统误差分析
• 5.3.1 导电橡胶特性引起的误差
• 5.3.2 模拟开关引起的误差
• 5.3.3 信号传输与处理电路的误差分析
• 5.3.4 A/D 转换器引入的误差
• 5.3.5 其他原因引起的误差
• 5.4 系统性能分析
• 5.4.1 传感器的稳定性
• 5.4.3 系统的运行时间
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 本文主要完成的工作
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录