摘 要

步态作为我们生活中的一个重要部分，因为它影响许多日常活动。人体腿部，脚步等各个部分的结构等各种信息都可以通过足底压力来表现出来。如果人体的身体发生病理性变化尤其是腿部病变，足底的压力就会和正常情况下有着都很大的差异，实时的检测分析脚底实时的压力变化，能够和获取众多的信息，用过分析可以了解到肢体的病变情况，这对于临床医学，医疗研究以及相关疾病的康复治疗都有着重要作用。特殊的鞋垫是获得人体步态和提取相关数据用于进行分析的基础。足底压力的变化可用于检测多种疾病，建议治疗方法的改进以及康复任务，患者监测，整形外科设备的开发以及其他应用。 近年来，对这一主题的关注不断增长，并反映在商业和学术团体的许多着作中，并且侧重于开发足底压力测量设备，并将其应用于医学，运动和研究。 关于这个问题的第一部作品出现在1963年左右，并且在近几年有个比较大的发展与运用。 本文主要是设计了一个可穿戴式的足底压力检测系统，用于足底压力的随时测量以及步态的监测。未来的工作是提出用电子设备来改进占用空间的测量领域。

关键字：足底压力，AT89C51，ADC0809，数据传输

ABSTRACT

Gait is an important part of our life, because it affects many daily activities. The size and distribution of plantar pressure reflect the information of human leg, foot structure and function. When the human leg or foot is diseased, the pressure distribution of the foot will change correspondingly. Some physiological or pathological information of the human body can be obtained by detecting and analyzing the foot pressure and related parameters. It is of great significance to the clinical medical diagnosis, the measurement of the degree of disease, the evaluation of the curative effect after the operation, and the research of the rehabilitation. . Special footwear is the basis for obtaining ergonomic gait and extracting data for analysis. Foot pressure can be used to detect a variety of diseases, recommend treatment improvements, rehabilitation tasks, patient monitoring, the development of plastic surgery equipment and other applications. In recent years, attention has been growing on this topic and is reflected in many of the works of business and academic groups, and focuses on the development of plantar pressure measurement equipment and applied to medicine, sports and research. The first work on this issue appeared around 1963, and with the development of new technologies. In this paper, a wearable plantar pressure detection system is designed for foot pressure measurement and gait monitoring. Future work is to propose an electronic device to improve occupancy measurement.

Key words: plantar pressure, AT89C51, ADC0809, data transmission

目录

第一章 引言 1

1.1研究背景 1

1.1.1 足底压力测试在临床医疗领域的应用 1

1.1.2足底压力测试在康复领域的应用 1

1.2可穿戴式足底压力检测系统设计的目的和意义 2

1.3国内外发展研究现状 2

1.3.1国内发展现状 2

1.3.2国外发展状况 3

1.4可足底压力检测系统设计的研究内容 3

第二章 系统方案选型与初步设计 4

2.1系统方案的比较与选择 4

2.2压力传感器 4

2.2.1电感式压力传感器 4

2.2.2压阻式压力传感器 5

2.2.3压电式压力传感器 6

2.3传感器的选型 7

2.4可穿戴式鞋垫的设计 7

第三章 足底压力检测系统硬件设计 9

3.1主控芯片 9

3.1.1 89C51单片机的引脚 9

3.1.2 各个引脚的具体介绍 9

3.2 模数转换芯片 12

3.2.1 ADC0808/0809芯片主要技术指标和特性 13

3.2.2 ADC0808/0809芯片内部结构和外部引脚 13

3.2.3 工作时序与使用说明 15

3.3 单元电路设计 16

3.3.1压力传感器检测部分 16

3.3.2 模数转换电路部分 17

3.3.3 单片机89C51主控电路 18

3.3.4 LCD显示部分设计 19

第四章 程序设计编写以及电路的仿真 21

4.1 ADC08009部分程序设计 21

4.2 LCD显示屏部分程序设计 22

4.3. 程序的编译以及调试 22

4.3.1 Keil软件的介绍 23

4.3.2用keil建立一个工程 23

4.4 protues仿真 25

第五章 数据传输与通信 27

5.1串口通信的介绍 27

5.2蓝牙通信的介绍 28

5.3 HC系列蓝牙模块 28

第六章 总结 30

致谢 31

参考文献 32

附录 33

附录A 蓝牙通信程序 33

第一章 引言

1.1研究背景

平衡是维持人体姿势稳定的相当重要一种生理功能，在临床医学领域上，对与身体自身保持平衡有着不同的定义，它表示的是人体自身在不受其他控制的情况下，当人体受到外力作用或者是处于运动状态的时候，人体自身机体具备的自我调节能力，保证身体不倾斜跌倒。脚作为人体腿部的一部分，与腿连接在一起支撑着人的整个身体，同时保证着身体的平衡，但人体进行不同的方式运动时较低的压力大小会随之改变。而当人体脚部出现了相关的疾病类似的症状时候，会出现一些严重的并发症，并且会影响整个身体，从而会影响到足底压力的大小发生变化，并且会影响身体保持平衡状态的能力[1]。 因而通过对足底压力变化的分析可能够得到相关的人体机体的状态信息，病理性情况，从事对临床治疗等方面提供数据支持。近年来，随着人们对足部健康的重视，足底压力的分析在康复治疗领域和临床医学领域的重要性越来越大。

1.1.1 足底压力测试在临床医疗领域的应用

随着各种新型生理传感器的出现和对人体生理信号的采集技术、采集指标和采集精度的提高，脚底压力大小的检测在临床医学领域以及康复分析与研究的领域逐渐地进入到了我们的眼中，应用的范围也越来越加广泛。 以下是一些比较重要的足底压力检测在临床医学中的应用。

1、对于糖尿病患者来说有着很多的并发症，而足部并发症就是比较普遍的并发症比较明显的症状就是脚部溃殇或坏死，对于这些病人中有一部分是比较严重的，大约有着14%-18%人群需要通过截肢进行相应的治疗，这给个人以及其家庭都带来了相当大的压力[2]。 通过实时的对足底压力的检测我们能够提前有效预测这样的糖尿病溃殇足并发症，足底压力的显著增高是糖尿病足症并发症比较常见的病理性反应特征，两者的关联性可以达到60%-80%。运用足底压力检测的装置用来检测不同位置的足底压力的变化， 与正常的时候足底的压力分布以及大小进行比较， 这样可以正确的判断糖尿病人的足底压力是否属于正常范围，将那些足底压力不正常的病人选出来，进而对糖尿病病足并发症进行治疗采取一些提前的预评估和相应的治疗措施。

2、对于脑瘫患儿来说足底步态的异常也是一个很显著的特征， 对于有些情况严重的人来说可能会损伤甚至失去行走能力，通过对这类病人的足底压力的实时检测与监控， 并且对此进行分析并提供相应的治疗性措施，这样可以慢慢的改变他们的身体的协调能力，提高他们大脑对肢体的控制能力，从而可以帮助他们建立和修复他们的行走能力[3]。

1.1.2足底压力测试在康复领域的应用

足底压力的测量不仅在临床医学研究领域起着至关重要的作用，同时在康复界也扮演着不可或缺的角色[4]。如下我们来介绍一下在康复领域的应用。

腿部病理性结构治疗的康复效果可以通过足底压力变化分析得到。

脚跟骨作为一种比较常见的足部骨折， 运用传统的手术进行治疗后容易留下一些比较严重的后遗症，时常会存在一些足底功能部分能力的障碍，严重会导致一些功能的彻底丧失。 由于没有有效的监测数据的分析，传统的手术无法进行准确的判断进行治疗， 通过对脚底的压力的大小变化进行比较与分析，这样可以对对手术效果进行比较和评价，进而结合手术类型对病人进行有效的治疗。

足压测试可评定负荷标准是否合适。

康复训练中负荷大小的选择对康复效果有着很大的影响，在此之前很多人通过过往的经验来进行负荷的选择， 但是这种方法只能进行大概的估量，对于不同的人群并不能进行相当精确的选择， 这个时候足底压力测量对于负荷的选择有着重要的参考价值，对于提高康复训练有着重要的效果[5]。

1.2可穿戴式足底压力检测系统设计的目的和意义

平衡是维持人体姿势稳定的相当重要一种生理功能，对于足底压力的检测系统对于在临床医学以及康复领域有着重要的作用，同时在足底压力检测的这一部分国内的研究水平不高，同时在医疗界对这种技术的需求越来越大，这就要求在足底压力检测这一领域上面出现更多的研究和发展，也就出现了越来越多的对于足底压力检测进而实行医学研究的器具，因此对于器件的选择以及对于检测的方便性与可行性就要求要设计可穿戴式的足底压力检测系统，这样才可以更加方便以及实时的对足底压力进行检测研究，以便用与更加精准的医学分析和研究。

1.3国内外发展研究现状

对于足底压力检测系统的设计其实在比较早就有了，其实最早是在19世纪80年代就有这个方面的研究了，那个时候在英国有人进行了足底压力的测量的研究，但是那个时候测量的并不准确，也因为那个时候可以提供的器件以及技术都得不到支持与运用，所以有很大的局限性对于足底压力的研究方面，随着科技的发展，人们生活的改善，对于这个方面的研究越来越受到重视，因而足底压力检测系统的设计在这几十年得到了很大的发展。

1.3.1国内发展现状

国内对于足底压力的研究比国外研究晚，我们国内第一次开始有着明确关于足底压力的研究是在上个世纪80年代的时候，然而近几年这方面的研究却也是得到了很大的发展的，并且应用到各种各样的行业领域中。 而这些研究其中稍微比较全面的研究就是中科大的韦启航等人设计的关于足底压力的研究系统，在这个研究中一共是检测了两个脚底的压力，然后是在鞋垫地部放置了一共16个传感器，用于构成足底压力检测部分，然通过串口通信等传输与电脑进行数据通信。对于着这个研究，并没有对足底重要的点位压力部分进行分析，导致测量的数据不具有代表性，因此有待进一步的提高。在此之后，国内也有越来越多的关于足底压力这方面的研究与设计，也有着各种不同的功能。但是通过对国内外研究成果的调查，知道了国内的压力检测系统来说总体来说还比较少，并且技术也不是很先进，相对于国外来说技术还是有着比较明显的落后，同时可以穿戴的性能也不是很好，因此在这一方面国内的技术还有待进一步的研究与发展。

1.3.2国外发展状况

对于国外的这方面的技术由于国外研究的时间比较早，因此技术也比我们国内的先进，在这一领域的研究比较有代表性的系统是美国 Tekscan 公司的 F-Scan 系统以及德国 Novel公司的Pe伽X测量系统，除此之外也有着众多的关于这方面的研究的设计，但是这两个还有有着突出代表性的。前者 F-Scan系统使用的传感器是电阻式类型的，后者Pedar-X 测量系统使用的传感器是电容式的，对于他们的测量范围，前者最大可以测量800多千帕的压力，后者最大可以测量1270千帕的压力，对于这两个系统来说，他们所分布在足底的传感器数量的，都是几千个之多，用于测量每一个点位的压力，同时他们使用的都可以测量静态或者动态两种状态的压力，通过上位机系统显示实时的足底压力你的变化，能够很好地监测足底压力大小的变化， 并且能够适合多种场合测量。

1.4可足底压力检测系统设计的研究内容

可穿戴式的足底压力检测系统主要是研究的内容有在：首先是关于足底压力的检测部分，以及鞋垫的设计，第二部分是AD转换部分，对于足底压力检测部分输出的信号进行转换，第三部分是单片机主控电路的设计，对数据进行集中处理与输送，第四部分是LCD显示部分，将检测部分的信息在显示屏上显示出来，第五是无线数据传输部分，进行足底压力数据的共享与通信。

预计达成的目标：对足底压力检测、ADC转换电路、单片机主控电路以及LCD显示屏等四个部分进行模拟仿真，显示出对应的正确数据。

第二章 系统方案选型与初步设计

2.1系统方案的比较与选择

方案一：以80C51单片机为主控芯片，足底压力检测部分使用一个大模块的压力传感器进行对足底压力大小的检测，同时通过信号调理电路，以及放大电路，将数据信息传递给单片机，进行处理，并且通过输出总线传输到显示平屏幕上面，同时通过上位机系统床底给电脑，进行数据的共享。

方案二：以STC89C52单片机为主控芯片，足底压力检测部分采用密集的电单点式检测，足底的传感器模块约为500个左右，将对足底每个部位的压力进行检测，然后通过多路开关，将个点位数据传递给ADC0808芯片进行数据的转换，然后将个点数据传递给单片机处理，然后再将数据传输到LCD显示屏幕上。

方案三：以AT89C51单片机为核心，足底压力检测部分通过研究将其选择关键点的6个压力检测部分，通过压力传感器的压力检测，将6个点位数据传递给ADC0808芯片进行数据的转换，然后将个点数据传递给单片机处理，然后再将数据传输到LCD显示屏幕上，同时运用蓝牙无线通信，进行单片机与手机的无线数据传输，实现实时数据的共享与足底压力的监测。

通过对这三个方案的比较，最后选择方案三进行设计，因为方案三相对于方案一与方案二，它能够更加准确测量足底压力，并且能够分析关键点位的足底压力变化，同时比较方便，并且能够便捷的进行数据的无线通信，实时的监测步态的变化。

2.2压力传感器

压力传感器在工程实施与建设中作为重要的传感器，在航天航空、轨道交通、 医学医疗等各种自动控制研究领域都得到相当大的应用与发展。在足底压力检测领域主要用到的压力传感器有电感式、压阻式、压电式等几类比较常用的传感器。如下介绍相关的传感器的具体信息。

2.2.1电感式压力传感器

对于电感式的传感器：由于磁阻与磁路的变化，从而改变线圈内部的电感大小的变化通过这样的原理达到检测非电量参数的目的。

工作原理：由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成一定的信号输出去，这样就相当于完成了压力的检测。

这种电感式的传感器如果以磁路的变化分类可以有如下几种：改变磁导大小和改变磁阻大小。电感式类型的传感器的优点：测量的范围大、精度高等；但是它的缺点是：在高频率动态环境适用性不强。

它的优良特点：结构不仅简单而且相当的可靠、输出的P比较大、输出的Zr很小、抗扰动的能力也很强、不受诸多环境影响。误差值相对来说很小大约是0.1%~0.5%，它的稳定性能也很好。

优点：适用于精度要求高的测量、适用于大范围的测量。

缺点：频率响应比较低，不适合用于快速动态测量，且分辨率和示值误差与示值范围有

着直接的关系。

这种类型的传感器可以用于速度、加速度；拉伸、压缩；压力，液位；重力、负荷；气压、温度等很多息息相关的方面。

2.2.2压阻式压力传感器

压阻式原理类型的压力传感器在我们生活工作中起着重要的作用，应用面相当的大。

压阻式压力传感器的原理：

压阻效应：顺着由半导体制成的压变电阻的一轴向施加一定大小力使它变形，这种材料的电阻率会有很明显的变化，这种压力变化使得电阻率变化的情况被称之为半导体的压阻效应。利用某些半导体具有的这一个特性制成的压力传感器叫做压阻式传感器。单晶硅半导体材料做成的是现在目前使用最广泛的。

受到压力的作用，硅晶体内部的电阻会改变，变化的大小与受到的压力大小密切联系，除此以外电阻的大小与硅晶体的材料本身的压阻系数有关。影响着压阻系数大小的最主要原因是环境的温度变化和扩散杂质的表面浓度的变化。

压阻式压力传感器的特点

最主要的优点：测量精度高、灵活方便、滞后性小，很适合用于动态数据的测量。

优点如下：

1.频率响应范围宽，固有频率很高

2.体积小，主要是运用在集成电路中进行设计，从而可以将这种类型的敏感元件做到很精细。

3.精度高、灵敏度高。

由于压阻式压力传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐震、耐冲击、防潮湿还可以适应恶劣的环境。

缺点：

1.压阻式类型的传感器它是用半导体制做成的，温度对它的的影响会很大，因此，针对于温差大的恶劣环境使用时，要做好必要的温度补偿。

2.制作工艺繁琐多样。对于他的制作条件要求苛刻，主要是关于扩散杂质、烧结、封装等这些相关的工艺，这些工艺相对于其它类型的传感器制作要更加的复杂，所以它的制作成本比较高。

压阻式类型的传感器现在已经广泛地使用在航空航天、石油石化、能源动力、医学研究、气质检测、地质勘测等相关各种各样的领域。在航空航天领上面，压力是一个相当重要的参数，对于静压、动压、局部压力、整个压力等的测量都有很高的要求。压阻式类型的传感器在航天航空这个方面是比较合适的一种传感器。

2.2.3压电式压力传感器

压电效应：一些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在一些机械力的作用情况下，这些电介质都将会出现极化的这种现象。而这些的电介质在某一个方向收到力的作用发生物理形变现象的时候，电介质的内部就会产生极化现象，它会使得电介质材料的表面上出现一些电荷进而使得材料带电。当撤销外力的作用以后，电介质恢复形变以后，电介质的表面就会回到原来不带电的状态，这种现象称作“压电效应”。

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