气动触点式服装压力检测仪的研制

高 志，蔡传东

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

1 引言

服装压力舒适性是影响服装舒适性的一个重要因素。不适合的服装压力会对人体产生较大的影响。压力过大可能导致血液循环障碍、呼吸加快、心肺功能低下等问题。而服装压力过小会影响肢体活动，带来较差的体感[1]。另一方面，在医疗和体育运动中，压力服装也被广泛应用[2]。在临床医学上，压力服装已经被用作治疗手段。其中，弹力袜的使用可以有效的防止下肢静脉曲张，具有促进静脉血液回流心脏的功能。体育运动中，适当的压力作用可以为运动员提供帮助，更好的投入到体育活动中。例如，护腕在球类运动中可以有效降低使用者腕部的酸痛感，并能在一定程度上降低受伤的风险[3]。

先进的服装压力检测系统是服装压力等级判断的重要手段。目前，主要通过建立理论模型以及改进测量方法获取服装压力值。其中，文献[4]建立了人体圆形截面模型。通过不共线的三点确定曲率半径，再基于力学理论和拉普拉斯定律预测人体的服装压力。预测方程的计算结果与前人测试结果基本一致。在测量方法上，文献[5]提及的气囊式测量法结构简单。将气囊放置在人体与压力服之间，由于橡胶球内压力变化可获取水银压力计的数值。

该测试方法原理简单，成本相对低廉，但测量误差较大，并易受人体部位曲率变化的影响。文献[6]提出了一种薄膜式测试方法，不同部位的电阻应变片变形程度不同，压力和电阻存在反比关系，通过检测应变片的阻值得到服装在该处的压力。但存在传感器本身精度较低且应变片无法紧密贴合人体皮肤等问题，导致测量误差较大。为了最大程度上减小感应元件本身引起的压力服变形问题，降低受人体曲率的影响，设计制作了新型的感应元件（检测带）。

并在此基础上，设计开发出一种气动触点式服装压力检测仪。通过气泵不断向检测带内充入气体，感应电路上的触点逐一分开，实现一次测量即可获取多点压力值，测量准确，实用性和推广性较高。

2 压力检测仪的工作原理与结构组成

2.1 检测仪的工作原理

将一个含有感应电路的检测带放置在人体（模型）和压力服之间。由于检测带是一种轻薄且柔软的气带，能够和人体部位贴合，其实物，如图1（a）所示。当检测带内无气体充入时，检测带内正反两个面的多个触点两两贴合，如图1（b）所示。随着气体的不断充入，检测带内的气压不断升高，当气压等于或略大于压力服对人体表面产生的压力时，两两贴合的触点分离，如图1（c）所示。再通过外部检测电路获取通断信号。认为触点分离的时刻，检测带内的气压等于压力服作用在人体该点处的压力。在持续增压的过程中，多个测量部位的接触点会相继分开，所以可同时测量多点的压力值。其感应电路，如图1 所示。左右六个点依次一一对应。

图1 传感检测带电路图Fig.1 Circuit Diagram of Sensor Test Strip

通过对气泵的PWM控制可改变充入气体的流量，调节排气阀高低电平输入实现开闭。在充气时读取感应电路的通断信号，通过压力变送器获取测量部位的电压值，经A/D转换模块存储在单片机内，最终通过数据的无线传输显示在上位机LabVIEW 和显示屏中。该检测系统属于直接测量方式，原理简单，测量准确。

2.2 检测仪结构组成

气动触点式服装压力检测仪系统硬件主要由STM32 单片机、气泵、排气阀、传感检测带、压力变送器、WIFI模块、TFT液晶屏等模块组成，如图2所示。气动回路由气泵、单向阀、传感检测带、排气阀等组成。主控制系统由STM32、气泵、WIFI模块、MOS场效应管驱动模块等组成。用户显示部分包含TFT液晶屏显示、Lab⁃VIEW上位机、手机APP端，用户操作方便，不受工作环境限制。

图2 系统总体结构框图Fig.2 Overall System Block Diagram

3 压力检测仪硬件选择与设计

3.1 气泵的选择与控制

微型气泵型号为D23L，额定电压为12VDC，最大输出气压约17kPa。其中人体所受舒适压力阈值为（0～6）kPa，该气泵可满足条件。并且气泵采用高品质直流无刷电机，体积小、调速范围广、质量轻。并且，还拥有可靠性高、过载能力强、稳定性好、噪音低等优点。

气泵通过PWM 技术调节电机的转速达到控制输入气体的流量的目的，从而改变检测带内的升压率。其中，可通过STM32F1 的定时器产生PWM 信号。气泵的信号频率范围为（15～25）kHz，使用单片机的通用定时器TIM3 的CH3 通道输出PWM信号，其完全重映射对应的端口为PC8，通过自动装载寄存器设置信号频率为20kHz，改变占空比即可实现调速功能[7]。

3.2 压力变送器的选择与数据采集

根据系统检测精度要求及传感器性能比较，选择CYYZ11系列压力变送器。鉴于压力服的压力范围，选择传感器的测量量程为（0～20）kPa，输出电压范围为（1～5）VDC。该传感器性能稳定，不易受温度变化的影响，并且测量精度高，制作工艺精良。

由于单片机只能处理数字信号，因此需要对放大后的模拟信号进行A/D 转换[8]。所以，采用STM32F1 作为主控单元，内部带有16 路12位A/D 转换，转换精度符合系统要求，不需另置外部转换模块。单片机中转换单元的参考电压为3.3V，因此ADC的输入电压范围为：（0～3.3）V。经过测试，3V的电压输出对应约10KPa的气压，满足测量条件。在接线上，选择ADC1的CH3作为数据采集通道，对应外部IO口为PA3。并且，为了保证采样的精度和提高运算速度，采用平均值法的软件滤波方式。能够有效的抑制随机干扰信号和周期性干扰信号，选择采样周期为239.5，采样次数为N=10。

3.3 数据无线传输模块

本系统中选用了型号为Elfin-EW10的无线通信模块，该模块能通过串口转WIFI实现数据无线传输功能。模块遵循TCP/IP 网络协议，并配备RS232、RS485等丰富的外部接口。用户可以通过网页或物联网服务软件即可实现对模块参数的配置以及通信调试。由于STM32 的引脚为TTL 电平，因此需要TTL 转RS232 模块，并遵循RS232 的通讯协议115200.N.8.1 格式，再通过串口发送字符串数据。

在网络组网上，WIFI 模块支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式。结合检测仪使用环境，系统采用AP 模式，即将WIFI模块作为服务器端，手机或电脑作为客户端，实现局域网无线控制功能[9]。

3.4 TFT液晶屏显示

选择的TFT液晶显示屏尺寸为3.5寸，模块驱动芯片型号是IL19325，分辨率为320*480（长*高），接口为16 位的8080 并口，自带触摸功能。由于STM32自带FSMC 接口，可以方便的将显示屏安插在接口上。在软件中只需进行读写时序图的控制以及管脚的配置，即可在显示屏中实时显示测量点的数据，如图3所示。

图3 TFT液晶屏显示图Fig.3 TFT LCD Screen Display

3.5 传感检测带的设计

传感检测带由上下两片薄膜组成，在其内表面印刷有感应电路，在开口端设计有外部接口。其中薄膜选用PVC膜，其特点是：柔软性好，保护膜粘性好，印刷在PVC膜上的感应电路不易损坏，经超声波焊接之后的气带具有良好的密封性，可以有效的减小误差。

感应电路主要通过丝网印刷在PVC基材上，其导电浆料由银浆组成，表面碳浆可防氧化，具备方阻小、导电性能好等优点。感应电路主要包括七根引线，其中的一根引线连接在STM32的3.3V电源输出引脚，如图4所示。剩余的六根引线分别对应六个测量点A～F，可连接在STM32 的IO 端口上，分别对应为PF0～PF5。压力状态下，各测量点贴合对应导通，处于高电平状态；当气压达到压力服作用力时，触点分开，对应的测量点为断路，处于低电平状态。因此，可通过单片机检测端口的高/低电平状态，判断测量点是否断开，从而获取当前的压力值，即为压力服作用在人体该点处的压力。

图4 检测带设计图Fig.4 Test Strip Design

超声波焊接后的检测带还要进行接口的封装设计，如图5所示。接头的表面设计了三个圆弧槽，检测带套入接头后可在外部安装密封橡胶圈，保证其气密性；接头中间留有直径为4mm的通孔，方便插入外径为4mm 的气管；接头表面上留有7 个直径为1.5mm的通孔，分别对应检测带上的七根引线。在外部可将七根导线穿过圆孔，一端分别焊接在感应电路上，另一端接在单片机的通断检测IO口，结构简单，实用性较强。

图5 检测带接头图Fig.5 Test Strip Connector Diagram

4 软件程序设计

4.1 控制流程

软件设计流程，如图6所示。系统上电后，首先进行系统初始化，包括串口初始化、按键初始化、检测电路端口初始化等。系统会首先判断传感检测带的测量点是否接触，检测到六个测量点全部为高电平时，点亮LED灯，提示测量点全部接触。接下来通过按键延时消抖后，控制气泵工作。在充气过程中，六个测试点会相继断开，断开的瞬间进行数据采集并在液晶屏上显示该点的压力值。当电脑端和手机端均连接到特定的WIFI信号时，会在相应的LabVIEW上位机和手机APP端实时显示测量点数据。当传感检测带内气压达到10kPa时，数据采集完成，此时关闭气泵，并打开排气阀，将气动回路内气体排空，测试完成。

图6 主程序流程图Fig.6 Flow Diagram of the Main Program

4.2 LabVIEW上位机程序设计

后面板程序，如图7所示。LabVIEW 软件中自带TCP/IP网络协议控件，只需配置目标IP地址和端口，即可实现和WIFI模块的无线通讯[10]。由于数据传输的形式为字符串类型，因此在下位机中将A/D转换后的数据再转成字符串。以测量点A为例，Lab⁃VIEW 接收的字符串形式为“ValA2.56 ”，共占10个字节。上位机通过截取字符串控件取出字符串前四位，判断是否在“ValA”～“ValF”之间，然后再截取数据位字符串，在前面板中显示输出。该上位机可实时显示多个测量点的压力值。

图7 LabVIEW上位机程序框图Fig.7 LabVIEW Host Computer Block Diagram

5 实验结果与分析

5.1 传感器数据标定

在此检测系统中，为了保证数据的准确度，需要对压力变送器进行静态标定实验。向传感检测带内充入不同压力的气体，通过串口打印输出对应的电压值。其数据拟合曲线，如图8所示。

图8 标定数据拟合图Fig.8 Calibration Data Fitting Graph

得出输出电压与气压之间的线性拟合的关系为：

y=5(x-1.01)

其中，拟合优度R2=0.99，表明实际测量数据曲线和拟合曲线具有很高的相似度。因此，本服装压力检测仪的准确度高，可行性好。

5.2 重复性实验分析

实验使用标准的腿模和压力袜进行重复性实验，现场测试，如图9所示。将传感检测带塞入压力袜和腿模之间，在同一位置连续进行六次测量，其测量结果，如表1所示。由表1可知，在相同的工作条件下，经过连续六次的重复性实验，各点的标准偏差小，表明数据的离散程度也小。并且，最大偏差为0.052kPa（0.4mmHg）。表明该检测仪具备良好的数据重现性和精密度。

图9 现场测试图Fig.9 Field Test Chart

表1 六次重复测量数据Tab.1 Six Repeated Measurements（kPa）

6 结束语

提出了一种新的服装压力检测方法，创新设计了传感检测带作为测量元件。设计并开发了一种新型的气动触点式服装压力检测仪，详细阐述了控制系统和程序设计。该设备不仅能同时测量多点的压力值，还具备多种显示方式，便于用户的使用。

实验结果表明，测试系统数据重现性好，测量准确，精密度高。与传统的压力服测试系统相比，该检测仪具有更好的可操作性和成本优势。并且整个检测仪的集成度高，能够准确而客观的测量人体各部位的压力值，为服装压力舒适性研究以及疾病治疗提供了技术支持。