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　　1 傳感器選型

　　利用傳感器來檢測肘部運動，可以選用傳統加速度傳感器或者PVDF壓電薄膜傳感器。加速度傳感器的優點是輸出量為數字量，單片機能夠直接處理。可是，傳統加速度傳感器較硬，與人體接觸性不好。而壓電傳感器薄、柔軟、質輕，比較適合測量肘部運動，同時，它還具有測量頻帶寬、動態范圍寬、聲阻抗低、穩定性高、靈敏度高等特點[4]，適于做運動檢測傳感器。

　　(a)所示。該傳感器適合測量動態力，其工作原理是壓電效應，即材料受到拉伸或壓縮會產生與其所受形變成正比的電壓或電荷[5]。揮動球拍時，肘部彎曲，使壓電薄膜受到拉伸，在兩個電極間產生一個電壓脈沖，如圖1(b)所示。

　　2 硬件電路設計

　　運動檢測系統由STM32單片機最小系統、電壓放大電路、限幅電路、復位電路、SWD接口、啟動模式設置接口、LCD顯示電路和5V轉3.3V直流電壓轉換電路組成，系統原理框圖如圖2所示。

　　壓電傳感器常用的調理電路包括電壓放大與電荷放大。使用單電源供電芯片LM324N進行同向電壓放大，放大倍數為10倍。為了防止過高的電壓輸入單片機IO口損壞芯片，使用IN4728A型穩壓二極管限制輸入單片機的最高電壓為3.3V。STM32單片機ADC采樣電壓的范圍是0V~3.3V。

　　揮動乒乓球拍一次，放大前后信號如圖3所示。圖中，L1代表原始信號，電壓峰值為0.22V，一般為250mV左右;L2代表放大后的信號，圖中為2.2V。

　　3 軟件設計

　　軟件部分完成模數轉換、數字濾波、閾值處理、統計計數等，主程序框圖如圖4所示。

　　3.1 AD采樣

　　STM32自帶分辨率為12位的ADC，其分辨的最小模擬電壓約為0.8mV，滿足設計要求[6]。通過合理地設置采樣頻率以及工作模式，可以將傳感器輸入的模擬信號轉變為計算機便于分析處理的數字信號，本文采樣頻率為1000Hz。

　　3.2 濾波器設計

　　將經放大、穩壓、A/D采樣后的數據導入MATLAB，發現一次揮拍動作產生相距很近的兩個尖峰，因此，要設計低通濾波器濾除高頻干擾。為了防止誤判，濾波器設計成為了運動檢測系統中非常重要的部分。

　　常用的濾波方法分為硬件濾波和軟件濾波。軟件濾波能夠節約硬件成本，方式靈活，可以達到硬件電路難以達到的濾波效果，只是依賴處理器的數字信號處理能力，并且消耗一定的CPU時間[7]。首先通過MATLAB生成FIR(有限長單位沖激響應濾波器)濾波系數，仿真驗證后，再移植到STM32單片機里。

　　濾波前采樣信號的時域、頻域圖像如圖5所示。由圖可見，幾赫茲處信號的幅度比較高，這符合人們揮拍頻率較低的規律;50Hz工頻的干擾以及39Hz左右的信號幅度也很大。由于揮拍的頻率一般只有幾赫茲，因而濾除36Hz以上的頻率。用漢明窗函數法設計FIR濾波器，FIR濾波器的特點是沒有反饋回路，并且系統一直穩定[8]。濾波器的截止頻率為36Hz，得到濾波器系數為17個。

　　在MATLAB中濾波后的時域、頻域圖像如圖6所示。由圖可見，濾波后，時域波形非常平滑，高頻干擾受到較大抑制，證明FIR濾波器的應用是可行的。

　　將MATLAB生成的17個濾波系數存入STM32中FIR濾波子程序的系數數組，FIR濾波子程序由兩個函數組成，一個實現數據的更新和移位;另一個實現系數與輸入數據的乘法累加運算。

　　3.3 閾值比較

　　觀察圖6，濾波后，信號的峰值電壓有所降低。通過多次試驗，發現將閾值設定為0.7V時，測量的結果比較準確。因此，當濾波后，輸出的數值大于等于0.7V時，則置為1，記為一次揮拍;否則記為0，認為無揮拍動作。處理后的信號易于分析，最后實現測量單點揮拍次數、頻率、揮拍總數的功能。

　　3.4 參數測量

　　揮拍總數的統計是針對經過閾值比較后的樣本進行的，看連續輸入的兩個樣本是否相同。不同則說明電平有跳變，然后再判斷樣本是1還是0，檢測到一次上升沿，則將計數值加一，由此，實現了計數功能。

　　在乒乓球運動中，若一段時間后仍沒有揮拍動作，可以認為此時并不是在正常的擊球過程中。也許是球落地，人去撿球，這意味著該輪擊球的結束，該段時間根據經驗值設定為6.5s。單點揮拍次數的測量是通過定時器/計數器的溢出中斷實現的，配置溢出中斷時間為6.5s，在此時間內若沒有任何的揮拍動作，則觸發溢出中斷，在中斷處理函數中將計數值清零、揮拍次數清零。這對應了一次練球結束，計數重新開始。

　　擊球頻率的測量可以通過定時器定時10s，計輸入信號從0到1跳變的個數，用單位時間擊球的次數來表示。這種方式計算出來是擊球頻率的平均值。為了測量擊球頻率瞬時值，本文通過檢測兩次0到1跳變的時間間隔，其倒數即為瞬時擊球頻率。若在某一時間范圍內，沒有揮拍動作，則設置揮拍頻率為0Hz。

　　4 小結

　　本文應用壓電薄膜傳感器獲取乒乓球運動中肘部運動的信號，通過設計合理的信號調理電路并進行系統的軟硬件設計，實現了乒乓球運動中揮拍頻率、揮拍次數的測量。當然，只有與無線發射裝置結合才能真正用作可穿戴設備。隨著第三代可穿戴設備的出現，穿戴式傳感器從身體健康監測到運動監測、智慧生活，可以應用于人類活動的方方面面。該系統與無線發射器集成后可以推廣到網球、羽毛球類的運動檢測。

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