一種拉壓式康復(fù)器械肌力測(cè)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(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以stc89c51單片機(jī)為電路核心，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中康復(fù)器械的壓力信號(hào)采集電路，并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)。其應(yīng)用于康復(fù)器械產(chǎn)品，并得到了國(guó)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(cè)系統(tǒng)；單片機(jī)；計(jì)算機(jī)控制

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

近年來(lái)，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(duì)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(jì)算機(jī)相關(guān)的新產(chǎn)品，涉及機(jī)械、電子、計(jì)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(cè)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(dòng)中對(duì)康復(fù)器械受力的測(cè)定。本文針對(duì)基于傳統(tǒng)的拉壓式康復(fù)器械設(shè)計(jì)研發(fā)了一套拉壓力實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，使康復(fù)器械的運(yùn)動(dòng)鍛煉更加人性化。

1 總體方案

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

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

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(hào)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(hào)，mV信號(hào)抗擾能力差，不易被接收和采集，所以，需要使用信號(hào)放大器。設(shè)計(jì)采用INA126作為信號(hào)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(cè)試回路將信號(hào)區(qū)間放大至0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，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(guó)TI公司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)格、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該款A(yù)DC擁有11路模擬信號(hào)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(guò)片選（adcs）、時(shí)鐘信號(hào)（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(jì)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(guò)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(guò)A0515轉(zhuǎn)換為±15 V供電。

2.5 采集程序軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序包括對(duì)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(duì)ADC的讀取過(guò)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?yàn)椋?/p>

uchar read_ad（）{

uchar temp，i，j，addata； uint k；

adcs=0； clock=0； //打開(kāi)片選，時(shí)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?yàn)閺腁D讀取的為8位值，而當(dāng)AD滿量程表示1 000 kg，計(jì)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(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)及比對(duì)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(yǔ)

本文研究的測(cè)定系統(tǒng)是針對(duì)拉壓式康復(fù)器械提出的。在課題研究中，采用基于計(jì)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(jì)中，根據(jù)力度測(cè)定范圍進(jìn)行采集電路設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)等。以串口通信的方式將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證系統(tǒng)能有效完成測(cè)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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