压电传感器在射击辅助训练系统中的运用研究

熊颖　李璐

摘 要 射击运动是一项重要的国际体育项目，射击运动员在射击时手部的发力情况会决定最终射击效果，为了获得射击运动员的手部情况，研发出一套适合射击辅助训练的手部发力采集系统。该系统以PVDF压电传感器为采集设备，以stm32f107c8t6单片机为控制核心，配合外围放大、滤波电路，通过GPRS模块完成数据传输，用于实时记录射击运动员手部发力情况，并根据数据绘制出发力曲线，为射击教练员提供精准的数据以辅助射击。

关键词 压电传感器 射击辅助 射击训练

中图分类号：TP391.4文献标识码：A

近几年，我国射击运动健儿的在许多国际比赛中拿到了好的成绩，逐步成为高水平射击运动的国家之一。射击运动在外表看起来并不是非常复杂，持枪也不具有任何难度，但是其对于身体控制的精准程度以及射击时的身体稳定性是一般体育类项目达不到的。因此，任何外界因素都可能影响到运动员发挥的稳定性，例如持枪手部的发力情况，运动员的心理素质等。目前的射击辅助训练多依赖教练员的主观经验，不能给予射击运动员真实评价。利用压电传感器对运动员发力位置进行实时监测，并给出射击时的曲线变化，最终对运动员的射击形成客观、全面的分析，帮助运动员提高成绩。

1压电传感器的选用

传统的压电传感器由于体积大，不能弯曲变换角度等原因，在实际应用中存在着许多限制。而PVDF压电薄膜传感器的具有轻薄、柔软、质量轻等优点，并且非常适合在人体表面进行监测甚至植入体内进行信号监测。而且PVDF压电薄膜传感器的频率响应范围大，能很好的捕捉动态力，在无源条件下对其施加一定的力就可以使PVDF压电薄膜传感器产生极化现象，因此可以通过测量其两端的带电量从而测量出外力的大小。此辅助训练系统正是采用压电薄膜传感器，通过导线将电信号引出，经过调制获取压力信息。

2系统的硬件设计

系统设计成上位机和下位机的形式，下位机是以单片机为处理核心，配合外围电路采集压电传感器的数值，上位机利用Windows平台软件利用GPRS通信模块实现下位机和上位机的通信。硬件电路设计的好坏决定这整个系统工作的稳定性和准确性，其采集部分以及数据传输部分可以简化成模拟和数字两个部分。

2.1放大电路及滤波电路的设计

模拟电路部分分为压电薄膜传感器的数据采集、放大以及滤波，数字部分为单片机、外围电路以及GPRS通信模块。在实际应用中因压电薄膜传感器的内阻R较大，因此输出的是非常微弱的模拟电信号，不便于直接采集，必须利用前置放大电路对其进行滤波、整形，并转换成数字信号供单片机模块采集。

在压电薄膜传感器的两极引出两条导线，对输出信号进行处理需要分为两级来实现。一级是放大电路，一级是滤波电路。这里选用的是OPA2277运算放大器，成本低但测量精度高，适合便携式设备的模拟信号放大。经过运算放大器运算出来的电压值可以直接反馈压电薄膜传感器的受力情况，也就是反映出射击运动员的发力情况。经过一级放大之后，OPA2277给出了具有一定信噪比的电压信号，但信号中难免存在一定的噪声，包括50赫兹工频干扰和环境的低频干扰，不利于我们观察。为了去除噪声干扰，我们需要在放大电路后加入滤波电路。经过大量测试，在射击运动员射击的过程中，产生的压力信号是低频的信号，通常小于40赫兹，但是选用低通滤波器其响应范围存在过渡带，不能很好的去除噪声，因此滤波电路应该使用50赫兹和40赫兹两极滤波共同组成，使用两极滤波电路可以有效去除压电薄膜传感器的噪声。

2.2微处理器的选用

控制器选择的是stm32f107c8t6低功耗微处理，stm32f107c8t6处理器支持嵌入式开发，并且支持数模转换，而且内部集成了温度传感器，非常适合移动嵌入式开发。

2.3通信模块及电源模块的选用

无线通信模块选用的是GPRS远程模块，在通信条件好的情况下通信几乎无延迟，而且远程通信可以不受检测位置限制，gu620型號GPRS模块体积小，低功耗，性能稳定，而且支持GPS定位，非常适合本系统的设计，考虑到单片机和GPRS模块的供电稳定性和体积要求，采用纽扣式锂离子电池进行供电，并选用MAX660电源管理模块对电池进行充电。

3系统软件设计

3.1下位机软件

下位机软件可以实现对压电薄膜传感器的信号采集及通过GPRS模块实现远程通信，程序包括硬件初始化程序，压力电信号检测程序，通信中断处理程序，模数转换频率可以通过系统时钟分频得到12兆赫兹的稳定频率，通信波特率默认9600bps。利用序列通道对压电薄膜传感器进行多次采样，微处理器对数据进行模数转换后利用中断通信子程序通过串口发送给GPRS模块，再由GPRS模块发送给上位机，从而实现下位机与上位机的数据通信。

3.2上位机软件

上位机采用Windows开放平台，设计功能包括GPRS认证服务，数据存储、分析及处理程序。利用多线程技术可以实现多个模块的并行处理，提高计算机软件的运算效率。

软件可以实现对gu260 GPRS模块数据的采集，存储到ACCESS数据库中，并根据数据实时绘制多路电压力波形，绘制波形时同时计算极值点、变化率，帮助我们更好的分析射击运动员的动作。

4结束语

此套射击辅助训练系统是基于PVDF压电薄膜传感器而开发，系统包括上位机和下位机两部分。下位机安装在枪体上，利用安装在射击运动员手部各个位置的压电薄膜传感器采集手部的发力情况，并在上位机上绘制压力曲线。通过此系统可以实施监测射击运动员的手部发力情况，计算发力极值以及变化率，为射击运动员提供科学的、客观的训练评价，为射击教练提供精准的射击参数，从而提高射击的准确率。

参考文献

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