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服裝是人們生活的一個(gè)重要組成部分，它的設計除了款式、花色、光澤等外觀(guān)因素之外，舒適性也是服裝功能性的一個(gè)重要組成部分。所謂服裝舒適性是指人體著(zhù)裝后，服裝具有滿(mǎn)足人體要求并排除任何不舒適因素的性能。服裝壓可分為兩種：由服裝自身重量形成的垂直壓和由服裝緊裹身體產(chǎn)生的束縛壓。 傳統服裝壓力舒適度測試方法主要有：流體壓力法、電阻法、石膏法。其中，使用流體水銀壓力計或水壓機來(lái)測量服裝壓力的方法簡(jiǎn)單直接，但精度較低，尤其動(dòng)態(tài)測量相當困難；電阻測量方法是將電阻應變片傳感器插入衣服內，由于服裝壓力而使應變片變形導致電阻值的變化，從而將壓力變化轉換為變化的電壓信號，通過(guò)測量該變化的電壓值得出服裝壓力測試結果。該方法測試精度高，結果穩定，但易受外部條件的影響，且對服裝壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量比較困難；石膏法主要是通過(guò)模型檢測實(shí)現，這種方法可以測出接近穿衣時(shí)的自然壓力值，但不能進(jìn)行連續動(dòng)作時(shí)的服裝壓力測試，并且石膏模型難以制作。以上各種測試方法受時(shí)間和空間的限制，難以適應不同測試條件的需要，且測試數據的精度不高，沒(méi)有數據保存功能。 針對傳統測試方法的缺陷，本系統采用AVR低功耗、高性能單片機作為核心CPU，選用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來(lái)測量服裝壓力，并把其設計成為可便攜的，能夠進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)測量，具有數據儲存功能的服裝壓力測試系統。 1 系統組成 本系統的功能模塊主要有：參數檢測模塊、數據顯示模塊、儲存模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、PC機通信模塊和控制模塊。服裝壓力檢測采用多點(diǎn)測試方法，即測試模塊上連接多個(gè)壓力傳感器。各個(gè)傳感器完成一次數據測試后，將其數據發(fā)送給核心CPU，然后主芯片對該數據做運算處理，并將數據按一定的規則儲存在存儲器中，同時(shí)將數據實(shí)時(shí)地顯示在液晶屏上。完成檢測后，可通過(guò)串口將儲存器中的數據讀入：PC機中進(jìn)行分析、存儲�？刂颇K主要完成系統功能的設定。系統結構如圖1所示。 2 功能模塊設計 2．1 微處理器 本系統微處理器采用高性能、低功耗的AVR系列單片機中的ATmegal6L，其內部集成定時(shí)器、ADC、片內時(shí)鐘、USART、SPI、TWI，中斷源達到21個(gè)。ATmegal6L在1 MHz，3V，25℃時(shí)的功耗，正常模式為1．1 mA，空閑模式為0．35 mA，掉電模式小于μA。AVR單片機采用大型快速存取寄存器組，快速單調指令系統和單級流水線(xiàn)技術(shù)，使得其處理速度高達1 MIPS／MHz的高速運行處理能力。其內部的可編程FLASH為16 KB，擦寫(xiě)次數可達到10000次。AVR內部集成8路10位逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復用器連接，能對來(lái)自端口A(yíng)的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。器件還支持16路差分電壓輸入組合，有可編程增益級控制功能。其強大的數據處理能力和高集成性的內核完全滿(mǎn)足該系統的設計要求。 2．2 服裝壓力檢測模塊 本系統利用美國Tekscan公司研制地新型Flexiforce傳感器來(lái)測量服裝壓力。與傳統服裝壓力測試系統中所采用的傳感器相比，Flexifo-rce傳感器薄如紙張、柔韌性強，能夠測量幾乎所有接觸面之間的壓力。在線(xiàn)性、滯后性、漂移和溫度靈性方面具有更優(yōu)良的特性。根據待測的服裝壓力值，選用壓力范圍為O～1 lb(4．4 N)的Flexiforce A201型壓力傳感器。FlexiforceA201型壓力傳感器由兩層薄膜組成，每層薄膜上鋪設銀質(zhì)導體并涂上一層特殊的壓敏半導體材料，兩片薄膜壓合在一起就形成了傳感器。銀質(zhì)導體從傳感點(diǎn)處延伸至傳感器的連接端。 Flexiforce A201的傳感器點(diǎn)在電路中起電阻作用。當外力作用到傳感點(diǎn)上時(shí)，傳感器點(diǎn)的阻值隨外力成比例變化，傳感器未受力時(shí)，傳感點(diǎn)阻值最大，壓力越大，傳感點(diǎn)阻值越小。 壓力傳感器的輸出信號為毫伏級，需要對檢測的信號進(jìn)行放大后方能輸入到CPU端口。Flexiforce傳感器的放大器電路如圖2所示，RF=R1 +RF1，Vout=-V0(RF+RS1)。其中，RF1為可變電阻，其阻值變化對應了加在傳感器上的外力變化。該電路采用MC34071型放大器，傳感器通過(guò)該放大器，輸出電壓值為Vout，經(jīng)過(guò)標定后的壓力與電壓的對應關(guān)系，即可得到所測量的服裝壓力值。 本系統應用8個(gè)Flexiforce A201型壓力傳感器，采用并行連接方式與ATmega16L的PA端口直接連接。 2．3 數據儲存模塊 系統設計一個(gè)數據存儲模塊。由于該系統儲存數據所占的空間容量并不是很大，因此存儲器選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C256芯片，其為256 KB的數據存儲器，采用I2C總線(xiàn)通信方式與主CPU進(jìn)行數據交換。 為便于測試后更好的閱讀數據，采用一定的儲存模式將數據保存在A(yíng)T24C256中，因此，在進(jìn)行軟件設計時(shí)，采用該數據傳輸協(xié)議：首先傳送檢測通道號，然后傳送測試時(shí)間，最后傳送壓力值。具體傳輸格式如圖3所示。 ATmegal6L單片機內部集成有I2C通信模塊，其外接端口與PC0和PC1端口復用，在使用該端口時(shí)，只需給兩根傳輸總線(xiàn)外連上拉電阻，每根一個(gè)。I2C通信芯片直接與該端口連接即可。 2．4 顯示模塊 本系統采用SMGl2864液晶，其體積小、重量輕、功耗小、顯示質(zhì)量高，可同時(shí)顯示4路采集數據，對于8路數據可采用循環(huán)顯示方法。顯示的數據為通道號和壓力數據。如果不需要顯示數據時(shí)，可采用功能鍵關(guān)掉顯示。 SMGl2864液晶與ATmegal6L的連接非常簡(jiǎn)單。數據端口直接與PD口連接，功能控制端接在PB端口上。 2．5 串口模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和功能模塊 串口模塊主要實(shí)現PC機與該檢測系統通信工作。PC機可通過(guò)該串口讀取AT24C256中的數據。該系統采用美信公司的MAX232串口通信轉換芯片。 本系統采用美國DALLAS公司推出的。DSl302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，其采用三線(xiàn)串行接口，芯片內部集成了可編程日歷時(shí)鐘和31個(gè)字節的靜態(tài)RAM。DSl302時(shí)鐘可自動(dòng)進(jìn)行閏年補償。DSl302芯片自身還具備對備份電池進(jìn)行涓流充電功能，可有效延長(cháng)備份電池的使用壽命。 對DSl302供電在系統正常工作情況下應用系統電源直接供電，而在系統不工作的情況下由專(zhuān)用的紐扣電池供電。 系統設置3個(gè)功能鍵完成系統的時(shí)間配置和輔助功能選擇。這些輔助功能主要有：其中一功能鍵實(shí)現在系統不需要檢測服裝舒適度壓力時(shí)，只顯示時(shí)間，這時(shí)可作為一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用，在需要進(jìn)行壓力測試實(shí)驗時(shí)，按下該功能鍵系統則進(jìn)入系統壓力檢測模式。 系統啟動(dòng)后，首先對整個(gè)系統進(jìn)行初始化，初始化后對功能鍵進(jìn)行檢測，如果該功能鍵按下，系統則啟動(dòng)A／D轉換，并同時(shí)把檢測的數據按一定的數據格式存儲在A(yíng)T24C256中，同時(shí)把檢測的數據循環(huán)顯示在SMG12864液晶屏上。在完成數據測試后，如果沒(méi)有進(jìn)行壓力數據檢測，則關(guān)閉A／D轉換模塊，并且關(guān)閉數據存儲端口，系統因此進(jìn)入休眠狀態(tài)。 3 壓力舒適度檢測算法實(shí)現 必須對采集到的壓力傳感器的數據進(jìn)行處理后才能得到具體的可讀性的服裝舒適度壓力值。首先，服裝壓力傳感器把采集的壓力值轉換為模擬電壓值，然后經(jīng)過(guò)A／D轉換為標準電壓值，在經(jīng)過(guò)MCU對該數據做運算后，把其轉換為服裝舒適度壓力值。 其具體算法如下： ATmegal6L A／D轉換的實(shí)際電壓值計算公式： 式中：ADC為壓力傳感器輸出模擬電壓值A／D轉換后對應的結果值；Vin為壓力傳感器輸出模擬電壓值；VREF為A／D轉換參考電壓值。為了提高精度，這里選用ATmegal6L內部A／D轉換參考電壓為2．56V。 取G為給壓力傳感器加載100g砝碼后，所得標準A／D轉換實(shí)際電壓值，則： 式中：F為服裝壓力，單位：g。 4 測試實(shí)驗 本系統設計完成后，通過(guò)測試人體在著(zhù)裝后肩部的一個(gè)點(diǎn)隨時(shí)間壓力的變化來(lái)檢測其穩定性和可靠性。測試曲線(xiàn)如圖4所示：初著(zhù)裝后壓力變化比較穩定(O～12min)；在臂膀運動(dòng)后服裝壓力也隨時(shí)間發(fā)生變化(12～18 min)；臂膀停止活動(dòng)壓力值又回到初值(18～23 min)。 5 結語(yǔ) 實(shí)驗結果表明該服裝壓力檢測系統能正確測試服裝舒適度壓力值，其使用方便、功能強大、性能優(yōu)良，是進(jìn)行服裝測試的理想平臺，它解決了以往傳統服裝壓力測試中不能測量動(dòng)態(tài)服裝壓力的困難，且具有數據儲存功能。該設備體積小，可隨身攜帶；功耗低，采用電池供電。其可為今后提高服裝壓力舒適性提供可靠的數據基礎和依據，通過(guò)對壓力的客觀(guān)測量及研究，將有助于數字化服裝壓力舒適性研究的發(fā)展。 |
