柔性电子技术的应用——智能鞋垫的设计

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然而，如何使可穿戴设备更好地适应人体？需要对设备中使用的电子元件进行探索和改进，仅使用传统的电子元件，即使可穿戴设备的材料柔软舒适，也很难带来最佳体验。与此同时，柔性电子技术的研究越来越热门，采用柔性电子元器件给可穿戴设备带来了许多新的感受。柔性电子现在被广泛应用于医疗保健（如人造器官，移动医疗）可穿戴式智能设备，航空航天，深海探测装置等[1]。在可穿戴设备中使用柔性元件可以帮助克服设备弯折的问题，提高产品耐用性和使用舒适度。

1 柔性电子传感器

随着科技的进步，人们对生活质量要求更高。柔性可穿戴电子元件能适应各种工作环境，满足工作的要求的形变。柔性可佩戴的电子已体现在许多领域，如电子皮肤，柔性电路，导电结构等[2]。

柔性电子元件共同材料通常包括柔性基板，金属材料，电极的半导体材料，和有机材料。碳材料等。柔性传感器是可穿戴设备的关键部件之一。常规的硅半导体器件具有由于复杂的处理技术，较高的设备投入，和环境密集和不灵活的芯片限制。影响了它在可穿戴设备领域的应用。与传统的自上而下的光刻相比，印刷电子具有良好的弯曲性和拉伸性，可大量生产在柔性衬底上，并且处理设备简单，污染较少，更经济。因此，近年来，打印基于纳米材料和有机半导体材料的柔性电子技术发展迅速。

如何有效地将外界刺激转化为电信号是柔性可佩戴式电子传感器的关键,精准、可靠、敏感的传感器可以监控身体的健康。压力传感器中常见的转换机制有电容式,压阻式和压电式。压阻传感器和所述导电性弹性复合材料之间的接触电阻的变化是正比于所施加的压力的平方根,使得小的压2 智能鞋垫的设计方略

■2.1 设计的现实意义

一知名的运行网站曾对多位跑者进行采访调查,发现跑步者中有超过三分之一的会有不同程度的膝盖伤势,六分之一左右的脚或腰部受伤。跑步受伤使得许多运动爱好者对跑步望而却步,甚至直接将跑步与受伤画上等号。的确,大量的跑步运动容易造成受伤,但根据美国运动科学家——尼可拉斯•罗曼诺夫博士将近40年的研究,很多跑者实际是在跑量不大的情况下,由于不正确的跑步姿势,给身体带来了伤害,尤其是膝关节的运动损伤。博士认为脚部的着地方式是跑步姿势改进中的关键,因此设计出一款可以检测脚底压力的智能鞋垫来帮助我们调整和优化的运动姿势非常必要,具有一定的现实意义,这样的可穿戴产品可以帮我们避免运动伤害,让每一位热爱跑步的人,有更持久的运动生涯。■2.2 整体结构

本次设计包括RP-C电阻式压敏传感器，电压信号模拟前端，STM32硬件系统，手机和电脑。

图1

■2.3 压力信号采集

RP-L电阻式压敏传感器是电阻值随着作用于感应区上的压力增大而减小的柔性薄膜传感器。柔性薄膜RP-L的压敏传感器由机械制成的优异的聚酯薄膜、高导电率材料和纳

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智能应用

米级压力的敏感材料制成，顶层是柔性薄膜组成的压敏层，下层是柔性薄膜和复合导向器电线 两者都通过双面胶带和隔离检测区域连接在一起。当按下检测区域时，线路在下层中彼此断开，端口的电阻值将通过对上层压力敏感层进行。端口电阻值随着压力的变化而变化。

传感器与一个固定电阻串联,测量固定电阻两端的输出

电压。通过选择合适的固定电阻可以使压力和输出电压在一定范围内呈现出一定程度的近似线性关系。根据测量电路的阻抗要求,

还可以在电阻一端加一个运算放大器。

图2

图3

■2.4 STM32硬件系统设计

图4为STM32设计原理图，STM32单片机系统中的芯

片选择STM32f103c8t6单片机作为主控系统，具备11个

定时器，3个12位ADC，性能优异，处理速度快，硬件资源也相对丰富，为软件的设计提供方便。硬件部分包括供

电电源，低电平复位：NRST，时钟控制， USB 串口通信，ADC,启动配置：BOOT0。选用LM393芯片电压比较器，硬件系统足够完成从压力信息采集，传输至手机电脑整个过程。

2.4.1 单片机模块设计

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电阻和下载接口。

复位电路：设计中采用上电复位，当电源接通时电容充电，RESET 出现低电平实现复位。

晶振电路：STM32内部有三个时钟源，构成其时钟树

需要五个时钟源，所以要在外部添加高速低速两个时钟。根据资料要求，选用8MHz 和32.768kHz 的晶体加上电容接地完成时钟的输入。

下载电路：设计中采用SWD 两线串行的调试接口，将SWCLK、SWDIO 和GND、3.3V 四个引脚引出。

2.4.2 电源电路设计

单片机采用3.3V 和电池供电两种模式，在电源和地之

间添加滤波电容。在设计中使用AMS1117-3.3稳压芯片完成5.5V 转3.3V。

2.4.3 USB 转USART 通信设计

使用CH340G 的USB 总线转接芯片转接串口信息，可以方便地通过电脑的USB口完成程序下载和接受压力信息。 ■2.5 STM32软件设计思路

本次软件设计的主要思路为读取模拟量并通过USB 转

USART

在电脑上由串口助手读取数据并做出分析。

图5

收集压力DO 读取主要程序

void FSR_IO_Init(void) //IO 初始化{ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;

//默认下拉

G P I O _I n i t S t r u c t u r e.G P I O _S p e e d =G P I O _Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_15); }u8 FSR_Scan(u8 mode){ static u8 key_up=1;if(mode)key_up=1;if(key_up&&FSR_GPIO==0){ delay_ms(10);//去抖动

key_up=0;

if(FSR_GPIO==0)return KEY_PRESS;}else if(FSR_GPIO==1)key_up=1;return 0;//无按键按下 }

3 总结

随着人们技术和生活水平的发展，可穿戴设备越来越受

欢迎。结合柔性电子元件的电子设备不仅呈现出准确的数据，而且具有更多的人文的关怀。本文简单叙述述了柔性电子技术的发展现状和柔性压阻式传感器的基本原理。基于此种柔性压力传感器，利用STM32单片机设计出了集采集，

传输一体的智能鞋垫，通过仿真测试，并且制作出实物模型，测量出大量运动压力数据。柔性电子技术提供了舒适性和可穿戴式设备的功能全面性更好的技术支持,并且将继续在精

度,可靠性和舒适性的方向继续前进。

参考文献

＊ [1]中科院院士黄维:柔性电子技术将带动万亿元市场[J]. 杭州化工, 2016(04):22.

＊ [2]崔文晶，基于柔性电子技术的可穿戴产品系统设计研究[J].现代信息科技, 2018, 2(1).＊ [3]钱鑫,苏萌,李风煜, et al. 柔性可穿戴电子传感器研究进展[J].化学学报,2016, 74(7):565-575.（上接第98页）

自动化仪表，2018.＊ [3]CORKE P I. A robotics toolbox for matlab[J]. IEEE Robotics and Automation Magzine，1996，3(1): 24－32．

＊ [4]孙光亚，岳建锋，钟蒲.基于MATLAB 的焊接机器人工作空间及轨迹规划仿真[J].机电信息，2016(27):81-83.＊ [5]蔡自兴.机器人学基础[M].北京: 机械工业出版社.2015.＊ [6]张禹，丁磊宇.基于Matlab 的6R 工业机器人运动学仿真与研究[J].机械工程师.2017(1):24-27.

＊ [7]陈华，刘龙，曹彤.介入机器人运动学及轨迹规划研究[J].机电工程.2014.31(6):679-683.＊ [8]张舒曼，周亚军.基于Matlab 的机器人运动学分析与轨迹规划仿真[J].工业控制计算机.2014(8):12-14.