前臂表面肌电信号调理采集电路课程设计报告解读.docx
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前臂表面肌电信号调理采集电路课程设计报告解读
《电子技术》课程设计报告
课题名称：
前臂表面肌电信号调理采集电路
班级电气1122学号1121205234
学生姓名邵慧洁
专业电气工程及其自动化
系别电子信息工程系
指导老师电子技术课程设计指导小组
淮阴工学院
电子与电气工程学院
2014年5月
摘要...............................................................1
第1章设计目的和要求..........................................2
1.1设计目的......................................................2
1.2设计要求......................................................2
第2章多感知肌电假手系统.....................................3
2.1单元电路设计.................................................3
2.1.1电路的组成分析...........................................3
2.1.2单元电路设计与调试.......................................3
2.2总体设计.....................................................4
2.3单元电路元器件介绍............................................6
2.3.1元器件列表................................................7
2.3.2单元电路元器件功能说明及使用方法..........................6
第3章电路研制结果...........................................10
3.1调试.........................................................10
3.2电路测试及测试结果...........................................10
3.2.1测试方法.................................................10
3.2.2测试结果.................................................10
3.2.3性能分析.................................................10
第4章总结与展望..............................................12
4.1本文工作总结................................................12
4.2心得体会.....................................................13
4.3研究展望....................................................13
参考文献..........................................................14
摘要
具有多种感觉的智能仿生假手研究,目的是为了提高肢残人士的生活自理度,缩小其与健康人肢体之间功能上的差异,保障肢体残疾患者心理健康,促进社会文明及医疗福利事业的发展。
同时,智能仿生假手研究集多传感器技术、信息融合技术、生物医学工程、电子信息等多学科领域的交叉,促进了当今的各项尖端技术相互渗透。
人类的上肢系统功能复杂,感觉反馈极其丰富,而目前商用的电动假手基本上采用肌电信号控制,并不具备对所抓物体的信息感知反馈。
为了使假手尽可能地模仿人手的功能,提高假手的仿生性和智能性,有必要在肌电电动假手系统上增添多传感器感知系统。
佩戴肌电假手的残疾人以残肢表面肌电信号作为假手控制信号,实现近似自然的手部动作操控。
涉及表面肌电信号的采集处理、手部动作识别、假手运动控制等技术。
多传感器感知与肌电电动假手的有机结合将使假手具有良好的仿生性,并使假手操作的智能化程度得到有效的提升。
关键词:
仿生假手,表面肌电信号
第1章设计目的和要求
1.1设计目的：
a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
b）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
c）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
d）培养学生的创新能力。
1.2设计要求：
表面肌电信号是一种微伏击的微弱信号。
频率范围为5-500Hz。
采集过程包括：
拾取、放大、调理、模数转换等环节。
图1框图
提示：
1.陷波针对50Hz
2.滤波采用高通与低通结合
3.ADC须满足精度与速度要求
第2章多感知肌电假手系统
2.1单元电路设计
2.1.1电路的组成分析
设计的肌电假手为二自由度电动假手,完成假手伸腕、屈腕、展权、握拳等动作,其系统结构如图2.1所示。
通过尺侧腕伸肌、尺侧腕屈肌两路肌电采集头募集残臂的表面肌电信号,经过信号调理电路（包括50HZ模拟陷波,10HZ高通滤波、500HZ低通滤波以及绝对值电路）后送给单片机的A/D,单片机根据采样数据进行多运动模式识别,并通过电机驱动电路实现对肌电假手电机的选择及转速的控制,最终实现假手的动作控制。
图2.1肌电假手系统结构框图
2.1.2单元电路设计与调试
工频陷波器:
由于实验设备的供电电源、外界电磁干扰等环境及自身因素的影响,软硬度传感器的压电信号量测中存在较大工频干扰,给后期的软硬度信息识别带来较大困难。
为较准确测量出待测物体软硬度信息,需要用50Hz工频陷波器滤去干扰,其硬件电路图如图2.2所示。
图2.2工频陷波器
低通滤波器：
实验测试表明PVDF传感器的压电信号频率远低于100Hz,而压电信号不可避免受到环境中各种噪声的干扰,为了滤除其中的中、高频噪声,信号经低通滤波器进行滤波处理,其截止频率为100Hz,硬件电路如图2.3所示。
图2.3低通滤波器
2.2总体设计
考虑到表面肌电信号是一种μV级微弱信号,为了提高信号的信噪比,电极拾取的信号须经过初级放大。
初级放大电路和拾电电极共同封装成表面肌电信号传感头,并通过低噪声信号线外部引线接到后续处理电路中。
由于表面肌电信号传感器空间十分有限,所以初级放大电路要求尽量简单。
初级放大电路采用差分式设计,电路图如图2.4所示,其中,节点MIDGND为+2.5V;R2,R4,C2组成一个简易的低通滤波器;C3,R5,R6,C4则是一个高通滤波器。
高倍放大前的低通滤波可滤除部分噪声,高通滤波则可滤除直流信号,以防在高倍放大时使运放达到饱和状态。
图2.4表面肌电信号初级放大电路
从残臂表面采集的表面肌电信号微弱（一般0~6mv）,易受到残臂肌肉自身、信号采集系统、肢体所处的外界环境等诸多因素的干扰。
设计信号调理电路对采集的表面肌电信号进行工频去噪、高通滤波及低通滤波等处理,以获得较干净的表面肌电信号,为后期的肢体运动模式识别做好准备。
不同人或相同人不同时间下的肌肉表面采集的信号会有幅值的不稳定性,为后期的动作识别带来一定的系统误差,因此为尽量消除幅值的差异性,绝对值电路设为增益可调的放大电路,将采集的表面肌电信号调整到特定的阈值区间内进行运动模式识别。
表面肌电信号是假手进行伸腕、屈腕、展权、握拳等动作的运动控制源信号,该信号的有效处理是必要的,其硬件电路图见图2.5。
图2.5肌电假手动作控制源信号调理电路
2.3单元电路元器件介绍
2.3.1元器件列表
材料表一：
主要器件
器件
作用
数量
TL084
运放
2
TL082
运放
1
AD574
ADC输出
1
AT89S52
MCU单片机
1
MAX232
电平转换器
1
36MHz晶体谐振器
晶体谐振器
1
0.47微法钽电容
钽电容
1
万用板
1
电容（详见表2）
若干
电阻（详见表2）
若干
材料表2.电阻与电容
器件
规格
数量
器件
规格
数量
R306
510
1
C2
220pf
1
R314-315
1K
2
C307-308
0.1μf
2
R3-4
2K
5
C3-4
0.22μf
2
R8
3.9K
1
C309-310
0.33μf
2
R310-311
R316-120
10K
7
C301-304
0.47μf
4
R10-13
20K
4
C305
2.2μf
1
R303
30K
1
R7
R9
51K
2
R305
82K
1
R5-6
1M
2
R308-309
300K
2
R307
2.2M
1
2.3.2单元电路元器件功能说明及使用方法
1、TL084
TL084A和TL084B是四输入运算放大器与高速J–FET（结型场效应管）的结合良好的匹配，高电压的J-FET和双极晶体管电路在一个单片tegrated回路范围。
这些器件具有高转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数。
宽共模（向上到Vcc+）和微分电路（VOLTAGERANGE）
低输入偏置电流和偏置电流
输出短路保护
具有结型场效应管（J-FET）高输入阻抗
内部频率补偿
锁存的自由操作
高压摆率：
16V/μ
TL084是一款高输入电阻的四运放，精度不高。
管脚信息如下图，1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端，5、6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端，8、9、10脚是通道3的输出端、反相输入端、同相输入端，12、13、14脚是通道4的同相输入端、反相输入端、输出端，4脚是正电源，11脚是负电源（或单电源使用时的电源地）。
二、AD574A
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LSB或±1LSB
转换速率：
25us
模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和15V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
AD574A的引脚说明：
[1].Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2].Pin2（12/8）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。
[3].Pin3（CS）——片选端。
[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（R/C）——读转换数据控制端。
[6].Pin6（CE）——使能端。
三、AT89S52
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
4、晶体谐振器
谐振器就是指产生谐振频率的电子元件,常用的分为石英晶体谐振器和陶瓷谐振器.起产生频率的作用,具有稳定,抗干扰性能良好的特点,广泛应用于各种电子产品中,石英晶体谐振器的频率精度要高于陶瓷谐振器,但成本也比陶瓷谐振器高.谐振器重要起频率控制的作用，所有电子产品涉及频率的发射和接收都需要谐振器。
目前谐振器的类型按照外形可以分为直插式和贴片式两中。
它用于电视机和录像机的中频输入电路中作选频元件，取代了中频放大器的输入吸收回路和多级调谐回路。
第3章电路研制结果
3.1调试
首先，通电观察。
通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。
如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。
其次，静态调试。
静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。
通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。
最后，动态调试。
动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。
3.2电路测试及测试结果
3.2.1测试方法
前臂表面肌电信号实验的陷波和滤波的测试比较复杂，我们的水平有限，暂时无法测试，但是可以测试放大电路。
放大器的输入阻抗可能不是纯电阻而是容性的，先假定它是阻性的。
在放大器前串联一个已知阻值的电阻，测量它两端的信号电压，再测量放大器输入端的电压，这两个电压之比就是放大器输入电阻与已知电阻之比。
3.2.2测试结果
第一部分初级放大电路放大100倍左右，第五部分绝对值放大10倍左右。
3.2.3性能分析
多传感器的集成能够检测多种信息,其既可以应用于工业现场检测,亦可实现电动假手对作业环境的多方位感知。
多感知系统应用于电动假手上时,多感知信息对于控制系统（包括假肢佩戴者本身）安全而有效的抓握物体、获取所抓物体更多的物理特性是颇具价值的。
将接近觉传感器、导热性传感器和软硬度传感器分别安装在电动假手手指上面,拇指安装软硬度传感器,食指安装导热性传感器,中指安装接近觉传感器。
设计的智能多感知肌电假手可以分为假手动作控制单元和多感知信息处理单元两大模块。
假手动作控制模块主要负责电动假手的动作、动作的速度和方向、分析并处理来自假肢佩戴者的控制源信号（表面肌电信号）以及假手多感知信息中的接近觉信号进行的自适应夹紧速度调整命令。
多感知信息处理单元主要负责多感知信息的采集、多感知信息的处理并将处理后的多感知信息告知假手佩戴者。
第4章总结与展望
4.1本文工作总结
本文主要内容是研究人体表面肌电信号，根据人体表面肌电信号的特性设计硬件调理电路，对表面肌电信号进行采集。
表面肌电信号采集系统通过计算机进行存储、显示和分析，采集的肌电信号具有真实性、可靠性。
设计电路对信号进行调理。
主要完成以下几方面工作：
（1）了解学习表面肌电信号产生原理、基本特性，肌电信号范围为20—5000Hz，主要频率在100-1000Hz，肌电信号幅值为100-2000μV，一般不超过6mV。
由于肌电信号属于低频微弱信号，需要排除干扰源，主要包括50Hz工频干扰及人体其它不同类型的生物电信号。
（2）基于信号的采集对象是人体系统，考虑到注意安全的因素，设计了表面肌电信号采集的放大电路和滤波电路，从而对人体的微弱信号进行安全的提取工作。
（3）选择实验室现有的电源系统为调理电路、A|D转换器、单片机及串口通信电路进行供电。
（4）编程实现了表面肌电信号的采集存储，可以将数据波形存储为文件文本。
由于时间和经验的限制，本课题还存在许多不足，有待进一步完善和改进：
（1）肌电信号很微弱，需要更有效地抑制干扰信号，提高表面肌电信号采集的原始数据质量，始终是肌电信号检测电路的重要研究内容，本设计的工模抑制比有待于进一步提高。
（2）软件中没有实时反馈系统，采集分析到的数据没能适时地进行反馈，使受测者不能及时的了解当时状态。
（3）受到条件的限制，采集到的样本为本实验室同学，样本数量较少，人群单一。
（4）由于采用贴片电极进行检测，在运动中由于电极与导线连接，使得运动不方便，贴片电极黏粘程度也不全相同。
4.2心得体会
这次我们在设计电路的时间，遇到了很多挫折。
通过查阅书籍，还有网上一些资料，遇到很多知识都不理解，通过老师，才懂得一些，但是由于对这方面的了解还很不够。
通过一段时间完成电路以后，给老师检查，老师给一些意见后经过改进，我们就开始焊接电路了。
先列出原件清单，到电子城买齐原件开始焊接，。
焊接的时候，遇到很多困难，才发现都是对知识的掌握不够牢固的结果。
连接电路时，需要很细心，因为电路中有很多电阻的连接，不然将不能正常计数。
通过设计，焊接电路，还有多次的调试，让我都那些元器件有了多一些的了解，他们的功能和使用等。
通过这次课程设计，把学到的东西真正运用到实践，对于电子仪器的运用也加深了不少，万用表、电源、脉冲输入、示波器等都能够正确的使用帮助检测电路。
4.3研究展望
多感觉智能仿生假手的研究是一项具有重大社会效益并且具有挑战性的工作。
本文为电动假手的感知与仿生控制提供了一些新的思路,仍然存在一些问题需要继续深入研究。
主要有以下几个方面:
（1）导热性传感器检测需要长时间提供稳定的加热源,对电源储量及稳定性的要求较高,目前还只能通过外加电源才能进行长时间稳定加热。
研究微型导热传感器并多点阵列布局,既可减小所需电能,也能提高测量的速度和精度,应该是个发展的方向。
（2）PVDF软硬度传感器输出响应信号与接触位置、接触面积以及接触力大小都有一定关系,如要得出更加精确的软硬度信息,则需要对传感器机械机构、接触力加载行为方式进行深入分析。
（3）相对于生物手多功能、灵巧多变,多感觉智能仿生假手仍很初步。
本文所做的软硬度、接近觉以及导热性感觉只是生物手众多感知中极为有限的几个方面,拓展假手的智能与仿生性,仍有很长的路要走。
总之,文中设计的多感觉肌电假手还停留实验室环境下,智能肌电假手的多感知系统实用化还需要更多人努力。
参考文献
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高等教育出版社，2005年7月第五版
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哈尔滨工业大学,2007.
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高等教育出版社，2005年7月第五版].
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[9].曹国清 《数字电路与逻辑设计》·中国矿业大学出版社
[10].杨新亮罗志增《智能肌电假手的多传感器信息系统研究》
读书的好处
1、行万里路，读万卷书。
2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。
3、读书破万卷，下笔如有神。
4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。
——达尔文
5、少壮不努力，老大徒悲伤。
6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。
——颜真卿
7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。
8、读书要三到：
心到、眼到、口到
9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。
10、一日无书，百事荒废。
——陈寿
11、书是人类进步的阶梯。
12、一日不读口生，一日不写手生。
13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。
——高尔基
14、书到用时方恨少、事非经过不知难。
——陆游
15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德
16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。
——笛卡儿
17、学习永远不晚。
——高尔基
18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。
——刘向
19、学而不思则惘，思而不学则殆。
——孔子
20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。
——培根
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