CN107550502A - 一种髋作用力测试仪 - Google Patents
一种髋作用力测试仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107550502A CN107550502A CN201710948925.2A CN201710948925A CN107550502A CN 107550502 A CN107550502 A CN 107550502A CN 201710948925 A CN201710948925 A CN 201710948925A CN 107550502 A CN107550502 A CN 107550502A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit
- force
- hip
- real
- active force
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明提供了一种髋作用力测试仪，包括数据采集处理模块、控制模块和实时显示模块；所述数据采集处理模块采集髋作用力的大小和瞬时速度值的模拟量，送至所述控制模块处理后，由RS232串口发送给所述实时显示模块进行实时监控。本发明充分发挥SPCE061A单片机片内资源丰富和运算速度快的优点，能实时测量运动员腿部下蹬作用力力量值和同步的速度值，并通过上位机实时显示作用力、速度以及功率的具体数值和曲线，其电路结构简单，成本低，测量准确，稳定性和可靠性高，上位机监控界面友好，操控方便，测试数据的保存和复现便于运动训练方案的离线分析和制定，具备较强的可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种髋作用力测试仪。
背景技术
随着体育训练科学化水平的不断提高，人体专项力量训练的必要性日益受到重视。通过对大量实际运动测试数据的总体分析发现，所有从事跑、跳运动项目和以跑、跳为基础运动项目的运动员，其向后蹬伸力量均明显小于向下或向前蹬伸力量。而向后蹬伸力量恰恰是跑、跳运动产生动力所必需的专项力量。因此，设计开发一套实用准确的髋作用力测试仪，对于教练精确量化运动员的训练效果，以及合理制定有针对性的训练方案，进而最终提高运动员比赛成绩，有着极其重要的参考价值。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种髋作用力测试仪，充分发挥SPCE061A单片机片内资源丰富和运算速度快的优点，电路结构简单，稳定性高，上位机监控界面友好，操控方便，测试数据的保存和复现便于运动训练方案的离线分析和制定。
(二)技术方案
一种髋作用力测试仪，包括数据采集处理模块、控制模块和实时显示模块；所述数据采集处理模块采集髋作用力的大小和瞬时速度值的模拟量，送至所述控制模块处理后，由RS232串口发送给所述实时显示模块进行实时监控。
进一步的，所述数据采集处理模块包括作用力采集电路和瞬时速度采集电路；所述作用力采集电路包括力传感器电路和变送器电路，所述瞬时速度采集电路包括光电编码器电路和鉴相电路。
进一步的，所述控制模块包括微控制器电路、键盘电路、存储器电路和串口电平转换电路。
进一步的，所述实时显示电路为上位机。
再进一步的，所述力传感器电路采用电阻应变式力传感器，所述光电编码器电路采用ZKX-6-50BM7型增量式光电缩码器，所述鉴相电路采用D触发器。
再进一步的，所述微控制器电路采用80pin SPCE061A型号单片机。
(三)有益效果
本发明提供了一种髋作用力测试仪，充分发挥SPCE061A单片机片内资源丰富和运算速度快的优点，能实时测量运动员腿部下蹬作用力力量值和同步的速度值，并通过上位机实时显示作用力、速度以及功率的具体数值和曲线，其电路结构简单，成本低，测量准确，稳定性和可靠性高，上位机监控界面友好，操控方便，测试数据的保存和复现便于运动训练方案的离线分析和制定，具备较强的可扩展性。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种髋作用力测试仪的系统结构框图。
图2为本发明所涉及的一种髋作用力测试仪的作用力采集电路原理图。
图3为本发明所涉及的一种髋作用力测试仪的鉴相电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种髋作用力测试仪，包括数据采集处理模块、控制模块和实时显示模块；数据采集处理模块采集髋作用力的大小和瞬时速度值的模拟量，送至控制模块处理后，由RS232串口发送给实时显示模块进行实时监控。
数据采集处理模块包括作用力采集电路和瞬时速度采集电路；作用力采集电路包括力传感器电路和变送器电路，瞬时速度采集电路包括光电编码器电路和鉴相电路。
髋作用力测试仪需要测量和显示的数据主要包括髋作用力、与作用力相应的瞬时速度值和功率值。其中，髋作用力数据的采集由力传感器电路和配套变送器电路完成，瞬时速度的采集由光电编码器电路和鉴相电路完成。功率则可由作用力和速度的乘积求得。
髋作用力由力传感器电路采集，其模拟电压信号经变送器电路放大和线性化处理后，送至控制模块完成模数转换。
力传感器电路采用电阻应变式力传感器完成髋作用力采集。电阻应变式力传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测力作用时，将产生位移和应变，同时使粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片的阻值发生变化。因此通过测量电阻应变片的阻值变化，就可以确定被测作用力的大小。
如图2所示，R1是粘贴自爱弹性敏感元件上的电阻应变片。R1～R4组成单臂式直流电桥，将桥电路中电阻的变化转换为电桥输出电压的变化。电桥的输出电压为：
不失一般性，令R1＝R2＝R3＝R4＝R，则电桥输出电压为：
即电桥输出电压Uo与电阻应变片阻值变化△R1成线性关系。
力传感器输出的电压信号Uo通过变送器U1的放大和线性化处理，由双端输入信号Uo转变为单端输出信号Usample。模拟电压Usample与被测作用力线性相关，送至后续模数转换电路完成模数转换。变送器U1中的精密变送放大电路一般采用三运放差动放大电路，具有较高的输入阻抗和共模抑制比，并通过内部的阻容耦合电路有效减小了温度漂移，保证了测量的精确度。
与髋作用力同步的速度值和作用力方向由光电编码器和鉴相电路求得。
光电编码器是一种数字式角度传感器，它能将角位移转化成相应数量的电压脉冲信号，主要用于机械转角位置和旋转速度的检测和控制。光电编码器电路采用ZKX-6-50BM7型增量式光电缩码器，是一款高精度角位移传感器，转动轴每旋转一周分两路输出500个电压脉冲信号Out_A和Out_B。其中，Out_A和Out_B两路信号相位差为90°。
将光电编码器输出接至单片机的外部中断IRQ3，则转动引起的每一个电压脉冲都会触发单片机外部中断，就可以实现对光电编码器输出脉冲个数的准确计算，经换算后即得转动轴转过的精确角位移。因此，计算固定时间段内光电编码器的角位移，就可求得转动轴的角速率，结合光电编码器同轴转盘的半径，就可算得与髋作用力同步的线速度值。选用单片机内部512Hz的时基中断产生固定时间段，即计算每个时间间隔t＝1/512s内光电编码器的输出脉冲个数，从而求得速度。设v为t时间内的平均速度，由于固定时间段足够小，所以将瞬时速度近似为平均速度v，则v＝s/t＝n×l/N，式中：s为t时间内被测对象产生的位移，n为固定时间间隔内t＝1/512s光电编码器输出的脉冲数，l为光电编码器同轴转盘的周长，N为光电编码器旋转一周输出的脉冲数，此处N＝500。
髋作用力检测过程中，光电编码器的转向说明训练者髋部是主动发力或是被动受力。因此光电编码器转向的判别是必须具备的基本功能。通过对光电编码器所输出的相位差90°的两路电压脉冲信号Out_A和Out_B进行鉴相，就能够判别转盘正转或反转。
如图3所示，光电编码器输出的Out_A和Out_B分别接至D触发器U2时钟端CLK和控制端D。根据D触发器的功能定义，在输入时钟信号Out_A的每个脉冲上跳沿，触发器的输出W2倍控制端D的输入信号Out_B置位。正转时，Out_A信号的相位超前Out_B信号90°，W1输出始终为高电平。反转时，Out_A信号的相位延后Out_B信号90°，W1输出始终为低电平。因此通过读取W1的电压高低，就可以判别光电编码器的转向。
微控制器电路采用80pin SPCE061A型号单片机，其最高工作频率为49.15MHz，32位可编程多功能I/O端口方便连接各种外设，片内集成7通道10位电压模数转换器和单通道声音模数转换器，并具有丰富的中断资源，特别适用于实时性要求严格的控制系统。
作用力采集电路输出Usample是电压模拟量，需要经过模数转换，变换为单片机可以使用的数字量，选用单片机I/O通道A0作为模数转换的模拟电压输入。模数转换的参考电压Vref可以采用单片机系统自带的Vdd。设定测试仪的测力量程为0～300kg，作用力采集电路对应的模拟电压输出为0～3V，模拟电压信号符合自带模数转换器的输入要求。将Usample连接至单片机的I/O A0端，即可进行模数转换。模数转换频率设置为1kHz，髋作用力F可表示为：
式中：Mmax是所测作用力的最大量程，g是重力加速度值，Umax是作用力采集电路输出的模拟电压最大值，AD_Data是作用力采集电路输出Usample经模数转换后得到的10位数字量，AD_Max是10位模数转换器参考电压Uref所对应的数字量，此处为0×03FF。
测得作用力和速度之后，功率可由二者乘积算得，即功率P＝Fv。
作用力采集电路将髋作用力以模拟量的形式传递至单片机I/O口。通过单片机自身集成的10位高速模数转换器，将力量值转化为控制系统可用的数字量。速度采集电路由光电编码器和鉴相电路组成。光电编码器输出的数字脉冲量经单片机运算处理后，得出作用力的实时线速率，鉴相电路则向单片机提供了该作用力的方向。串口电平转换电路完成RS232电平标准和单片机电平标准的转换，以实现测试仪和上位机的实时全双工数据通信，可通过上位机实时观测和保存训练数据，并能够设定测试仪的相关参数。
本发明提供了一种髋作用力测试仪，充分发挥SPCE061A单片机片内资源丰富和运算速度快的优点，能实时测量运动员腿部下蹬作用力力量值和同步的速度值，并通过上位机实时显示作用力、速度以及功率的具体数值和曲线，其电路结构简单，成本低，测量准确，稳定性和可靠性高，上位机监控界面友好，操控方便，测试数据的保存和复现便于运动训练方案的离线分析和制定，具备较强的可扩展性。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (6)
1.一种髋作用力测试仪，其特征在于：包括数据采集处理模块、控制模块和实时显示模块；所述数据采集处理模块采集髋作用力的大小和瞬时速度值的模拟量，送至所述控制模块处理后，由RS232串口发送给所述实时显示模块进行实时监控。
2.根据权利要求1所述的一种髋作用力测试仪，其特征在于：所述数据采集处理模块包括作用力采集电路和瞬时速度采集电路；所述作用力采集电路包括力传感器电路和变送器电路，所述瞬时速度采集电路包括光电编码器电路和鉴相电路。
3.根据权利要求1所述的一种髋作用力测试仪，其特征在于：所述控制模块包括微控制器电路、键盘电路、存储器电路和串口电平转换电路。
4.根据权利要求1所述的一种髋作用力测试仪，其特征在于：所述实时显示电路为上位机。
5.根据权利要求2所述的一种髋作用力测试仪，其特征在于：所述力传感器电路采用电阻应变式力传感器，所述光电编码器电路采用ZKX-6-50BM7型增量式光电缩码器，所述鉴相电路采用D触发器。
6.根据权利要求3所述的一种髋作用力测试仪，其特征在于：所述微控制器电路采用80pin SPCE061A型号单片机。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710948925.2A CN107550502A (zh) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 一种髋作用力测试仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710948925.2A CN107550502A (zh) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 一种髋作用力测试仪 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107550502A true CN107550502A (zh) | 2018-01-09 |
Family
ID=60984065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710948925.2A Withdrawn CN107550502A (zh) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 一种髋作用力测试仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107550502A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111750795A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-09 | 哈尔滨工程大学 | 一种分布式蠕变测量系统及测量方法 |
-
2017
- 2017-10-12 CN CN201710948925.2A patent/CN107550502A/zh not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111750795A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-09 | 哈尔滨工程大学 | 一种分布式蠕变测量系统及测量方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN202553940U (zh) | 一种步态分析装置 | |
| CN101886927A (zh) | 基于惯性传感器和地磁传感器的三维运动跟踪系统与方法 | |
| CN201929959U (zh) | 步态分析仪 | |
| CN207019821U (zh) | 一种基于力和速度测试的曲柄功率计系统 | |
| CN203615907U (zh) | 动态主轴回转精度检测装置 | |
| CN107152904A (zh) | 一种磁栅尺数显系统 | |
| CN104567918A (zh) | 基于角度传感器的动态角度采集装置 | |
| CN201710368U (zh) | 足底压力测量装置 | |
| CN107550502A (zh) | 一种髋作用力测试仪 | |
| Gharghan et al. | Development and validation of a track bicycle instrument for torque measurement using the zigbee wireless sensor network | |
| CN104749391A (zh) | 一种基于三轴加速度传感器的速度测量系统及方法 | |
| WO2020228157A1 (zh) | 利用人体电容的精准计步方法 | |
| CN208043256U (zh) | 一种海洋温度测量仪 | |
| CN203535468U (zh) | 温湿度控制器检测仪 | |
| CN202974319U (zh) | 测角精度动态测量装置 | |
| CN205163080U (zh) | 前臂旋转活动度测量仪 | |
| CN207636164U (zh) | 一种基于运动控制的称重装置 | |
| CN206353049U (zh) | 一种智能电子秤系统 | |
| CN206488745U (zh) | 位移测量装置 | |
| CN102133102A (zh) | 测量活体关节角度的电子测角器 | |
| CN207529214U (zh) | 一种用于dcs系统的转速测量模块 | |
| CN103488164A (zh) | 温湿度控制器检测仪 | |
| CN202710030U (zh) | 基于浮点型dsp的运动载体姿态倾角测量装置 | |
| CN203069136U (zh) | 一种电子计数滚动米尺 | |
| CN201795876U (zh) | 一种数字温度计 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180109 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |