摘 要

人体足底压力信息从一定程度上可以表现人体健康程度和运动特征。在临床步态研

究和临床医疗中，足底压力分布测量已经成为一种足底健康和人体健康评定的重要手段。随着生活水平的提高，越来越多的人开始参与健身运动。科学健康的健身既能提高健身的效率同时也能减少因为不标准的健身动作导致的身体机能损伤。

本文设计一种基于FSR压力传感器可用于足底压力数据采集的鞋垫，并通过增强版51芯片STC12C5A60S2单片机处理压力数据得出足底压力分布状况，足底压力分布表明了全身重量在下肢骨骼上作用力分布以及肌肉的作用情况，从而对一些足部静态健身运动动作的标准程度和完成质量进行评估。评估结果通过LCD1602显示从而更直观地了解实时动作标准情况。

关键字：足底压力；FSR；单片机；健身；鞋垫

ABSTRACT

Human plantar pressure information can be expressed from a certain degree of human health and sports characteristics. Plantar pressure distribution measurement has become an important method for plantar health and human health assessment in clinical gait research and clinical medicine. With the improvement of living standard, more and more people begin to participate in the exercise. Scientific and healthy body exercise can not only improve the efficiency of the body building, but also reduce the damage of the body caused by the nonstandard exercise.

This paper designs a insole plantar pressure data acquisition based on FSR pressure sensor. Using the enhanced version of the 51 chip STC12C5A60S2 microcontroller, pressure data can be processed and obtain plantar pressu re distribution, the plantar pressure distribution showed the body weight in the lower limb bones distribution and muscle function so that the standard level and the quality of the motion of some foot static exercise were evaluated. The results of the assessment will be displayed by the LCD1602 so that it is more intuitive to understand the status of real-time action standards.

Key words：plantar pressure; FSR; MCU; fitness; insole

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 足底压力分布测量系统的研究目的和意义 1

1.3 足底压力分布系统的研究现状 1

1.4 课题来源及主要研究内容 2

第2章 系统结构设计与方案选择 3

2.1 系统结构 3

2.2各结构的方案选择 3

2.2.1 压力传感器选择 3

2.2.2 模数转换模块ADC与信号处理模块的选择 5

2.2.3 显示模块的选择 7

第3章 硬件设计与搭建 9

3.1 鞋垫压力传感器位置设计 9

3.2 压力传感器驱动电路的设计 10

3.3 AD转换和信号处理模块的设计 11

3.4 LCD1602模块的设计与实现 12

第4章 软件和评定标准的算法设计 13

4.1 模数转换转换的结构和程序设计 13

4.2 单片机控制LCD1602显示程序设计 15

4.3 健身运动完成质量的评定算法设计 17

4.3.1评分系统算法模型理论 17

4.3.2 评分系统的算法设计 18

4.3.3 算法流程图设计 20

4.3.4 评分系统程序设计 21

4.3.5 总体程序设计和纠正 22

第5章 系统调试及结果分析 24

5.1 系统调试 24

5.1.1 压力传感器模块输出调试 24

5.1.2 LCD1602显示调试 24

5.1.3 模数转换结果调试 24

5.2结果分析 25

第6章 结论与展望 26

致谢 27

参考文献 28

附件一 29

附件二 30

第1章 绪论

1.1 引言

足底压力的大小与分布反映了人体腿、足部结构及功能等信息。人体足底压力分布反映有关足部结构和功能的同时，也能反映小脑对整个身体姿势的控制情况。有研究发现当小脑运作正常时，人在行走和站立过程中足底压力主要分布在第一趾骨第二第三跖骨和足跟部位，而在足弓和其他趾骨压力比较小^[1]。所以从人类足骨进化角度来看，压力分布较广的足骨尺寸一般也比较大，而其他部位的足骨较小，这样也使得这些部位在保持人体平衡上起到较大作用。足底压力数据已被确认为是神经肌肉骨骼疾病的一个重要依据^[2]。正因为足部骨骼的形状与特征是进化的结果，所以不当的站立行走方式使得足底受力违背科学规则时，不仅会使得足底溃疡，同时可能并发一些腿部肌肉或骨骼的酸痛和畸形症，对膝盖的损伤尤其明显。

1.2 足底压力分布测量系统的研究目的和意义

足底压力分布测量技术从1882年英国人Beely率先开始研究。从上个世纪50年代开始有系统地进行步态分析和临床应用。国内从上个世纪80年代开始，对步态的研究日益重视，近二十年来步态研究技术发展很快。1997年第16届国际生物力学大会上，步态研究论文约占生物力学论文 总数的三分之一^[3]。

足底压力分布测量已进行了20多年的研究，其发展历经了足印技术、足底压力光学扫描技术、力板与测力台技术、 压鞋与鞋垫技术。足印技术是使用一些易变形物质制成表面光滑的垫子，人足踩在垫子上使之发生范性形变从而通过形变程度和形变形状对足底压力作出大致判断。这种方式虽然简单但是无法对压力进行定量测量。足底压力光学扫描技术通过人足踩踏弹性垫改变其周围光路从而进行扫描得出足底压力影像通过数字处理得出足底压力分布情况，这种方式效率和精确度都很高但成本较高。

力板和测力台技术是基于传感器的换能器，其原理是用一个平板或平台做支撑面底部用一系列的压力传感器进行排列，在受到足底压力后通过特定电路转换便可以的到足底压力分布的三维模型这种技术的却显示不能长时间测量足底压力分布随时间的变化^[4]。压力鞋与鞋垫能够实时测量连续的步态压力分布，通过对足底关键部位的压力数据采集和分析既方便精准，又便于进一步数字化分析处理，应用前景越来越被看好^[5]。

1.3 足底压力分布系统的研究现状

随着目前信息技术和传感器的进一步发展，国外出现很多将压力传感器布置在鞋底夹层或者鞋垫，而信号处理部分由人体携带的足底压力分布测量系统的研究。最新研究的压力鞋和鞋垫如美国的F-Scan系统、德国的Novel Pedar-X系统和比利时的RSscan系统，有很多系统虽然可以测量足部动态时的足底压力信息，但是由于处理部分需携带等因素仍然存在诸多不便，而有的则只能进行静态的足底压力分析。

1.4 课题来源及主要研究内容

一些健身运动，如举重、深蹲等等，一定程度上加重了身体负荷，所以在进行这些健身运动时，如果运动时站立方式不当,会加重运动性疲劳^[6]，并使足底和膝盖的损伤加重，也不利于下肢肌肉的锻炼与生长^[7]。最终不仅没有达到健身效果，反而会使身体受到损伤。因此本文的研究旨在设计出一种用于健身完成质量评定标准的鞋垫系统，通过分析足底压力分布情况，得出健身的动作是否标准，并对标准程度进行量化评定并提出健身建议。希望本次设计能提高广大健身爱好者对足底压力的重视，同时为科学指导锻炼、降低运动损伤可能性提供参考。从而使运动生理学和生物力学技能评定内容及其检测手段更丰富，为制鞋业提供参考。

第2章 系统结构设计与方案选择

2.1 系统结构

系统由鞋垫、安装在鞋垫上的FSR、模数转换模块、数据处理模块和评定结果显示这5个部分组成，总体结构如2.1所示。