中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

防跌輔具之感測設計

Sensor Design for Falls Prevention Tools

系 所 別 :電機工程學系碩士班 學號姓名 :M10001035 林建安 指導教授 :王志湖 博士

中華民國 102 年 8 月

I

摘要

本計劃是與工研院合作針對「預防老人跌倒的研究」提出新的方法，分為兩 個部份，一為可撓性壓力感測器系統主要測量足部的壓力分佈、二為九軸模組系 統攜帶於腰間上感應人體姿態的變化，將兩項資料使用無線傳輸方式傳送到使用 者介面進而分析處理。

本篇論文主要是著重在計劃中硬體的設計與應用，後端資料處理方面由工研 院的另一部門負責，在這就不多做討論。

關鍵字： 預防老人跌倒、無線傳輸、可撓壓力感測器

II

ABSTRACT

This project is cooperation with ITRI for the " research of prevent falling among elderly," proposing new methods.

Divided into two parts, one of them is flexible pressure sensor system that it is mainly measured pressure distribution of feet. Second part is nine-axis module system to carry on human waist induction body posture changes. The two data use wireless transmission to the user interface and then analysis and processing.

This paper mainly focuses on the hardware design and application and back-end data processing in charge of the ITRI's another department. There is not to do too much discussion.

Key words: Prevent Falling Among Elderly, Wireless, Flexible Pressure Sensor

III

致謝辭

首先，我要感謝我的指導教授，王志湖老師的細心指導，亦師亦友的陪伴我 們渡過這兩年的光陰，除了專業上的指導，王老師也時常給予我人生方向的建言，

使我受益良多。再來還要感謝田慶誠老師的指導，田老師教會我如何分析事物、

小心求證，這兩年多虧了兩位老師的指導，使我在各方面都有所成長。

再來我要感謝我的學長姊們，這兩年若沒有你們，可能也不會有今天的我。

謝謝江俊杰學長、鍾仁峯學長、莊青龍學長、邱健榮學長、鄭權祐學長、戴仁倉 學長、林建州學長、張佳偉學長、劉華智學長、古一喬學長、周佳龍學長、吳孟 勤學長、洪文正學長、劉佳婷學姊、李佩蓉學姊、許靜宜學姊，以及我的學弟妹 們，感謝你們這兩年來對我的幫助與鼓勵。

最後我要感謝我最親愛的家人，你們是支持我走下去的唯一理由。

IV

目錄

摘要 ... I ABSTRACT ... II 致謝辭 ... III 目錄 ... IV 表目錄 ... VI 圖目錄 ... VII

第一章 緒論 ... 1

1-1. 研究動機與目的... 1

1-2.研究步驟與方法 ... 3

第二章 系統架構與規格制定 ... 4

2-1.系統架構 ... 4

2-2.硬體架構 ... 5

2-2-1.可撓性壓力感測器系統架構 ... 5

2-2-2.九軸模組系統架構 ... 6

2-3. 韌體架構 ... 7

第三章 系統設計 ... 8

3-1.硬體設計 ... 8

3-1-1.電源電路 ... 8

3-1-2.分壓電路與電壓隨偶器 ... 9

3-1-3.多工器 ... 10

3-1-4.可撓性壓力感測器電路板 ... 11

3-1-5.九軸模組電路板 ... 11

3-1-6.無線通訊模組電路版 ... 12

3-2.電路製作 ... 12

3-2-1.可撓性壓力感測器電路板 ... 12

3-2-2.九軸模組電路板 ... 13

3-2-3.無線通訊模組電路版 ... 14

3-3.韌體設計 ... 16

3-3-1.系統程式流程 ... 16

3-3-2.取樣設計 ... 17

3-3-3.多點校正設計 ... 17

V

3-3-4.單筆資料傳輸時間量測設計 ... 18

第四章 綜合測試 ... 19

4-1.可撓性壓力感測器測試 ... 19

4-1-1.重複性測試 ... 19

4-1-2.多點校正測試 ... 20

4-2.九軸模組輸出訊號測試 ... 23

4-3.單筆資料傳輸時間量測 ... 27

4-3-1.可撓性壓力感測器系統單筆時間量測 ... 27

4-3-2.九軸模組系統單筆時間量測 ... 27

4-4.無線通訊模組通訊測試 ... 28

4-5.系統整合測試 ... 31

第五章 結論 ... 36

第六章 參考文獻 ... 37

VI

表目錄

表 4-2.1 ADXL345 輸出數據格式

^[2]

... 23

表 4-2.2ADXL345 數據結構

^[2]

... 24

表 4-2.3 四種狀態之 ADC 轉換數值 ... 24

表 4-5.1 可撓性壓力感測器系統封包格式 ... 32

表 4-5.2 九軸模組系統封包格式 ... 34

VII

圖目錄

圖 1-1.1 65 歲以上老年人一年內跌倒發生率為 30%

^[1]

... 2

圖 1-2.1 研究步驟流程圖 ... 3

圖 2.1 系統架構示意圖 ... 4

圖 2-2-1.1 可撓性壓力感測器系統架構圖 ... 5

圖 2-2-1.2 可撓性壓力感測器實體圖 ... 5

圖 2-2-2.1 九軸模組系統架構圖 ... 6

圖 2-2-2.2 九軸模組實體圖(TOP VIEW) ... 6

圖 2-2-2.3 九軸模組實體圖(BOTTOM VIEW) ... 6

圖 2-3.1 韌體系統流程圖 ... 7

圖 3-1-1.1 電源電路 9V→5V ... 8

圖 3-1-1.2 電源電路 5V→3.3V ... 9

圖 3-1-2.1 分壓電路與電壓隨偶器 ... 10

圖 3-1-3.1 多工器 ... 10

圖 3-1-4.1 可撓性壓力感測器電路板電路圖 ... 11

圖 3-1-5.1 九軸模組電路板電路圖 ... 11

圖 3-1-6.1 無線通訊模組電路版電路圖 ... 12

圖 3-2-1.1 可撓性壓力感測器電路板 PCB LAYOUT(TOP VIEW 與 BOTTOM VIEW) ... 12

圖 3-2-1.2 可撓性壓力感測器電路板實體圖(TOP VIEW) ... 13

圖 3-2-1.3 可撓性壓力感測器電路板實體圖(BOTTOM VIEW) ... 13

圖 3-2-2.1 九軸模組電路板 PCB LAYOUT(TOP VIEW 與 BOTTOM VIEW) ... 13

圖 3-2-2.2 九軸模組電路板實體圖(TOP VIEW) ... 14

圖 3-2-2.3 九軸模組電路板實體圖(BOTTOM VIEW) ... 14

圖 3-2-3.1 無線通訊模組電路板 PCB LAYOUT(TOP VIEW 與 BOTTOM VIEW) ... 15

圖 3-2-3.2 無線通訊模組電路板實體圖(TOP VIEW) ... 15

圖 3-2-3.3 無線通訊模組電路板實體圖(BOTTOM VIEW) ... 15

VIII

圖 3-3-1.1 系統程式流程圖 ... 16

圖 3-3-2.1 取樣流程圖 ... 17

圖 3-3-3.1 多點校正流程圖 ... 18

圖 3-3-4.1 單筆資料傳輸時間量測設計流程圖 ... 18

圖 4-1-1.1 重複性測試示意圖 ... 19

圖 4-1-1.2 測量出最大值 ... 20

圖 4-1-2.1 多點校正流程圖 ... 20

圖 4-1-2.2 重量與 ADC 值關係圖 ... 21

圖 4-1-2.3 重量與欲求輸出電壓關係圖 ... 21

圖 4-1-2.4 ADC 值與輸出電壓關係圖 ... 22

圖 4-1-2.5 校正後輸出電壓與重量關係圖 ... 22

圖 4-1-2.6 校正前後輸出電壓與重量關係圖 ... 23

圖 4-2.1 擺放方式圖

^[2]

... 24

圖 4-2.2 自轉機構 ... 25

圖 4-2.3 L3G4200D 軸向圖

^[2]

... 25

圖 4-2.4 陀螺儀測試一結果圖 ... 26

圖 4-2.5 陀螺儀測試二結果圖 ... 26

圖 4-3-1.1 可撓性壓力感測器系統單筆傳送時間 ... 27

圖 4-3-2.1 九軸模組系統單筆傳送時間 ... 28

圖 4-4.1 無線通訊模組測試示意圖 ... 29

圖 4-4.2 無線通訊模組測試 TCP/IP 端.1.11 ... 29

圖 4-4.3 無線通訊模組測試 TCP/IP 端.1.12 ... 30

圖 4-4.4 無線通訊模組測試 TCP/IP 端.1.13 ... 30

圖 4-5.1 可撓性壓力感測器系統實際圖 ... 31

圖 4-5.2 九軸模組系統實際圖 ... 31

圖 4-5.3 可撓性壓力感測器系統-未施壓結果 ... 32

圖 4-5.4 可撓性壓力感測器系統-前傾施壓結果 ... 33

圖 4-5.5 可撓性壓力感測器系統-後傾施壓結果 ... 33

IX

圖 4-5.6 九軸模組系統-平放 Z 軸結果 ... 34 圖 4-5.7 九軸模組系統-側放 X 軸結果 ... 35 圖 4-5.8 九軸模組系統-側放 Y 軸結果 ... 35

1

第一章 緒論

本計劃是與工研院合作針對「預防老人跌倒之研究」提出新的方法，分為兩個部 份，一為可撓性壓力感測器系統主要測量足部的壓力分佈、二為九軸模組系統攜帶於 腰間上感應人體姿態的變化，將兩項資料使用無線傳輸方式傳送到使用者介面進而分 析處理。

本論文主要是著重在計劃中硬體的設計與應用，後端資料處理方面由工研院的另 一部門負責，在這就不多做討論。

1-1. 研究動機與目的

根據統計 65 歲以上老年人一年內跌倒發生率為 30%， 85 歲以上年長者因跌倒 發生死亡機率高達 40%。跌倒對於老年人來說，會造成活動力衰退，也會因恐懼再次 跌倒而減少活動次數，進而損害其他功能運作以及增加對照顧者的依賴感。

跌倒是導致老年人送至急診室就醫的主要原因之一，這項因素更是老年人死因排 行的第二名。醫學統計顯示，美國醫療費用中的 6%皆花費於 65 歲以上跌倒受傷的老 年人，每年因跌倒致死的人口更高達 2 萬人口。

老年人中常見的共存疾病（co-morbid diseases），例如：器官功能退化、骨質疏 鬆症，導致老年人只是輕微的跌倒，都會造成很大的傷害。國外研究說明，老年人跌 倒的次數中，每十次就會有一次造成非常大的傷害，包括硬腦膜下出血、軟組織傷害、

髖關節骨折、其他部位骨折或頭部外傷。

跌倒帶來的不只是對老年人的傷害，而是增加整個醫療體系的支出，社會照顧的 成本也因長期照顧需求進而上升。

2

圖 1-1.1 65 歲以上老年人一年內跌倒發生率為 30%

^[1]

平衡與動作控制不佳為導致跌倒的主因，改善生活環境或是藉由肌力訓練達到強 化動作控制能力，這些都是常見用來預防老年人跌倒的方法，但成效並不顯著。現在 使用一種跌倒偵測的方法，監控人體在動作過程中的慣性訊號，比如說速度量測，當 偵測到大變動的加速變化，即可判斷為跌倒並通報。

綜合前述之技術，目前針對預防老人跌倒的研究因受限於感測器所量測之資訊尚 無法直接提供人體之動作訊息，多數僅能達到跌倒通報的目的，或是只能給予訓練加

以強化平衡控制，至今尚無研究提出有效之「跌倒預警技術」。

3

1-2.研究步驟與方法

本論文的研究步驟如圖 1-2.1，分為 8 大步驟:

1. 了解功能需求：與廠商討論本計劃所要求的功能。

2. 收集相關資料：了解功能後，收集相關資料。

3. 分析系統需求：將收集到的資料加以分析出系統的需求。

4. 設計系統架構：知道系統需求後，將整體架構設計出來。

5. 硬體設計：把系統架構分為兩大類，先著重於硬體設計。

6. 韌體設計：硬體設計完成後加入韌體的控制。

7. 綜合測試：當兩大主體初步設計完成後開始測試不同的情況，逐步修正。

8. 成果驗收：綜合測試完成時交付廠商驗收。

圖 1-2.1 研究步驟流程圖

4

第二章 系統架構與規格制定

第二章主要是在介紹系統架構與規格制定，系統架構由計劃的需求來制定，規格 則是由系統中使用到的模組與感測器來決定。2-1 介紹系統架構、2-2 為硬體架構，

2-3 則為韌體架構。

2-1.系統架構

圖 2.1 系統架構示意圖

如圖 2.1 所示，整個系統架構主要分為四個部分：感測器、自製電路板、無線通 訊模組和使用者介面。感測器量測出使用者的狀況，透過自製電路板的計算和分析再 傳遞給無線通訊模組，無線通訊模組經由 2.4GHz WiFi 傳輸到使用者介面。

目前只是初步架構的實現，所以使用的零件與材料以商業市場容易購得的為主，

這樣可以節省製作上的成本。

在系統架構決定後，必須驗證系統的規格是否有達到廠商的要求，第一步驟由使 用介面與無線通訊模組間的通訊網路建立，第二步驟驗證感測器測得到的數據是否達 到規格，最後將四個部分串聯在一起進行實測，看是否如預期。

5

2-2.硬體架構

此節介紹本論文研究的所有硬體架構，大致分為兩部分，一為可撓性壓力感測器 系統架構、二為九軸模組系統架構。

2-2-1.可撓性壓力感測器系統架構

可撓性感測器特性類似可變電阻，施予的外力越大，它感應出的電阻越小，目前 的感應範圍約在 5~20MΩ，如圖 2-2-1.2。

可撓性壓力感測器的系統架構圖如圖 2-2-1.1，Sensors 量測出人體的重量分佈後 訊號經過分壓電路分壓後再透過電壓隨偶器，傳送至微處理器做 Analog-to-digital converter 來轉換為數位電壓訊號。訊號經過微處理器的運算處理後再透過串列傳輸 (UART)送給無線通訊模組傳送到使用者介面。

圖 2-2-1.1 可撓性壓力感測器系統架構圖

圖 2-2-1.2 可撓性壓力感測器實體圖

6

2-2-2.九軸模組系統架構

九軸模組包括三軸數位輸出陀螺儀、數位加速計和三軸數位羅盤，本計劃目前只 使用到三軸數位輸出陀螺儀和數位加速計兩樣。

九軸模組的系統架構圖如圖 2-2-2.1，攜在腰間上的九軸模組量測出資料後，用 串列傳輸(I

²

C)的方式傳送至微處理器做資料處理，再透過串列傳輸(UART)送給無線 通訊模組傳送到使用者介面。

圖 2-2-2.1 九軸模組系統架構圖

圖 2-2-2.2 九軸模組實體圖(Top View)

圖 2-2-2.3 九軸模組實體圖(Bottom View)

7

2-3. 韌體架構

韌體的流程是依據目前計劃的需求制訂的，主要的功能是將 A 系統的資料透過 無線傳輸給 B 系統，再由 B 系統整合 A 與 B 兩個系統的資料後傳給使用者介面。

圖 2-3.1 韌體系統流程圖

8

第三章 系統設計

本論文的第三章主要分為三大節。第一大節為硬體設計，主要介紹系統中應用到 的電路設計及其說明；第二大節為電路製作，介紹硬體的 PCB Layout 與實體圖；第 三大節為韌體設計，介紹本計劃應用到的韌體設計。

3-1.硬體設計

此大節主要介紹這個系統中應用到的電路設計及其說明，在 3-1-1 中說明電源電 路的設計；3-1-2 說明分壓電路與電壓隨偶器的設計；3-1-3 節說明多工器的用途；3-1-4 節說明可撓性壓力感測器電路的設計；3-1-5 說明九軸感測器電路的設計，最後 3-1-6 說明無線通訊模組電路的設計。

3-1-1.電源電路

本系統為攜帶式行動裝置，為了方便使用選擇了市面上可購買到的 9V 鹼性電池 當作電源供應。

主要是用線性穩壓器產生系統所需要電壓分成 5V、3.3V 兩種，5V 提供給 MCU、

可撓性壓力感測器、九軸模組，3.3V 則是給無線通訊模組使用。

(1) 9V→5V

圖 3-1-1.1 電源電路 9V→5V

C1510uF C160.1uF C180.1uF

C1710uF

12

power INPOWER GND DVCC59V POWER R20120

R21360

Input

3 ADJ

1 Output 4

Vout 2

U6

LM1117SADJ-5v

2 3

SW-dip R191.5K D1

LED_R

9

(2) 5V→3.3V

圖 3-1-1.2 電源電路 5V→3.3V 線性穩壓器的電壓輸出計算公式為

1 ) 1 2 (

Vout R

Vref  R



(3.1)

以圖 3-1-1.2 為例: 已知 V

_ref

為 1.25V、V

_out

為 3.3V，得知 R2 比 R1 為 1.64 倍，所以 可先固定其中一個的值再去配出另一個的值，其中 R2、R1 的值選擇市售容易取得的 為主。

3-1-2.分壓電路與電壓隨偶器

分壓電路主要是用在可撓性感測器的電路中，因為可撓性感測器類似可變電阻 (如圖 3-1-2.1 中的 R

_S

)，施予的外力越大，它感應出的電阻越小，所以使用電阻與它 分壓。分壓後的電壓經過電壓隨偶器，直接進入 MCU 做訊號處理。使用電壓隨偶器

最主要的原因有四點，1.電壓增益 A

_V

=1、2.輸出信號大小與相位都和輸入信號相同、

3.具有極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗、4.輸出信號全部接回反相輸入端，為百分 之百負回授。

C1

10uF C2

0.1uF C4

0.1uF

C3

10uF GND 3.3V

5V POWER R1

220

R2

360

Input

3 ADJ

1 Output 4

Vout 2

U6

LM1117SADJ-5v R3

1K D1

LED_R

3.3V

Power

LED

10

圖 3-1-2.1 分壓電路與電壓隨偶器

3-1-3.多工器

因為一組可撓性感測器總共有 12 個感測器，但我們使用的 MCU 只有支援 4 個 ADC 轉換的入口，所以必須加入多工器去做切換，輪流將感應到的值輸入到 MCU 裡面。A0~A7 分別為 1~8 個感測器都由 ADC0 去做轉換，剩下的 4 個感測器由其餘 ADC 入口去做轉換。S0~2 適用在多工器的選擇通道切換。

圖 3-1-3.1 多工器

A 4

A 6

A D C 0

A 7

A 5

EV E E

A G N D A 2

A 1

A 0

A 3

S0

S1

S2

5V

A 4

1 A 6

2 A

3 A 7

4 A 5

5 E

6 V E E

7 G N D

8 V C C 16

A 2 15

A 1 14

A 0 13

A 3 12

S 0 11

S 1 10

S 2 9

U 5

CD74HC4051E D V C C 5

Mux

A G N D

11

3-1-4.可撓性壓力感測器電路板

結合 3-1-1 到 3-1-3 小節繪製出可撓性壓力感測器電路板的電路圖，主要分為分 為四塊:MCU、電源電路、分壓電路與電壓隨偶器、多工器。

圖 3-1-4.1 可撓性壓力感測器電路板電路圖

3-1-5.九軸模組電路板

九軸模組電路板主要分為 3 塊；MCU、電源電路、九軸模組電路，其中模組的 訊號是使用排針母座將其訊號傳入 MCU 做處理。

圖 3-1-5.1 九軸模組電路板電路圖

DVCC5

10K R7 R0603 RB7.6-15C1

10uF/10V

GND

Reset1PUSH BOTTOM

GND

ICERSTRESET

22pF C2

Cap

22pF C3

Cap

10M

R14

12Y1

37.768KHz

GND

DX32ODX32I D12MOD12MIRESET ICECLKICEDAT

GND DVCC5

NUC120LE3AN

12

Y2

12MHz

22pF C5

22pF

22pF C6

22pF 1M R16 33

R15

33

GND

IO-LEDKPT-2012 PW-LEDKPT-2012 DVCC5

500

R23R0603

PIN17 GND R0603R22

500 DVCC5 0.1uC4

Cap

GND

0R170 0R1800.1uC7

0.1uF

GND 0.165uHL1

L06030.165uHL2

L0603 DVCC5

DAVDD

GND PIN11PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6PIN7PIN8PIN9PIN10PIN12 PIN48PVSS PIN43PIN42PIN41DAVDDPIN39PIN38PIN37 ADC4 ADC3 ADC2 ADC1 ADC0

AVSS

PIN28PIN27PIN26PIN25

DVCC5 PIN13PIN14 PB0PB1PB2PB3PIN21PIN22PIN23PIN24

D12MOD12MI AGND

AGND DX32IDX32OVDD

VSS PIN31PIN30PIN29

PIN47PIN46PIN45PIN44 PIN40 Voltage Follow

R4

4.7MR8

4.7MR114.7M

DVCC5

R1

4.7M

R5

4.7M

R9

4.7MR124.7M

DVCC5

R2

4.7M R6

4.7MR104.7MR134.7M

DVCC5

R3

4.7M

OUT A

1IN A- 2IN A + 3V+ 4IN B + 5IN B - 6OUT B

7 OUT D 8

IN D - 9

IN D +

10 V-11 IN C + 12

IN C -

13 OUT C 14 U1

SGM324 A0

A1 A3

A2 OUT A1 IN A-2 IN A +

3

V+

4 IN B + 5 IN B - 6 OUT B

7 OUT D 8

IN D - 9

IN D +

10 V-11 IN C + 12

IN C -

13 OUT C 14 U2

SGM324

A4

A5 A7

A6

OUT A

1IN A- 2IN A + 3V+ 4IN B + 5IN B - 6OUT B

7 OUT D 8

IN D - 9

IN D +

10 V-11 IN C + 12

IN C -

13 OUT C 14 U3

SGM324

ADC1

ADC2 ADC4

ADC3

IN-ADC4IN-ADC3IN-ADC2IN-ADC1IN-A7IN-A0IN-A1IN-A2IN-A3IN-A4IN-A5IN-A6 Input SensorOutput to MCU123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 P5

Header 24

U1-INA+

U1-INB+ U1-INC+

U1-IND+ U2-IND+ U2-INC+U2-INB+ U2-INA+ U3-INA+U3-INB+ U3-INC+U3-IND+ U1-INA+U1-INB+U1-INC+U1-IND+U2-INA+U2-INB+U2-INC+U2-IND+

U3-INA+U3-INB+U3-INC+U3-IND+

DVCC5

AGND

AGND AGND

AGND AGND

AGND GNICECLKICEDATICERSTD

12345

ISP1 DVCC5 PIN16PIN15 E S0S1S2

layout 時拿掉了

layout 時拿掉了

GND

C15

10uF

C160.1uF C180.1uF

C17

10uF

12

power INPOWER

GNDDVCC5 9V

POWER R20

120

R21

360

Input

3

ADJ

1 Output 4

Vout 2 U6

LM1117SADJ-5v

2 3

SW-dip R191.5K

D1

LED_R

DVCC5

GND

1234

UART

Header 4 TXD0

RXD0 RXD0TXD0 C8

10uF C9

0.1uF

AGND

C1110uF

C100.1uF C130.1uF

GND A4

A6 ADC0 A7 A5 EVEE

AGND A2 A1 A0 A3 S0 S1 S2 5V A4

1

A6

2A

3

A7

4

A5

5E

6

VEE

7

GND

8 VCC 16

A2 15 A114 A013 A3

12 S011 S110 S29 U5

CD74HC4051E DVCC5

Mux

AGND

PB.12/ CPO0/ CLKO

1X32O 2X32I 3PA.11/ I2C1SCL 4PA.10/ I2C1SDA 5PA.9/ I2C0SCL 6PA.8/ I2C0SDA 7PB.4/ RX1 8PB.5/ TX1 9LDO 10

VDD 11

VSS

12

VBUS

13VDD3314D-15D+

16PB.0/ RX017PB.1/ TX018PB.2/ RTS0 19PB.3/ CTS020PC.3/ MOSI00/ I2SDO21PC.2/ MISO00/ I2SDI

22PC.1/ SPICLK0/ I2SBCLK23PC.0/ /SPISS00/ I2SLRCLK24 PA.15/ PWM3/ I2SMCLK 25PA.14/ PWM2 26 PA.13/ PWM1 27 PA.12/ PWM0 28ICE_DAT 29 ICE_CLK 30 AVSS 31

PA.0/ ADC0

32 PA.1/ ADC1 33 PA.2/ ADC2 34

PA.3/ ADC3

35 PA.4/ ADC4 36

PA.5/ ADC537

PA.6/ ADC638PA.7/ ADC7

39AVDD40

PC.7/ CPN041PC.6/ CPP0

42PB.15/ /INT143

XT1_OUT44XT1_IN

45/RESET46

PVSS47PB.8/ STADC/ TM0

48 U?

NUC120LE3AN

PB.12/ CPO0/ CLKO

1 X32O 2 X32I 3 PA.10/ I2C1SDA 4 PA.10/ I2C1SDA 5 PA.9/ I2C0SCL 6 PA.8/ I2C0SDA 7 PB.4/ RX1 8 PB.5/ TX1 9 LDO 10 VDD 11 VSS

12 VBUS

13 VDD33 14D-

15 D+

16PB.0/ RX0 17 PB.1/ TX0

18PB.2/ RTS019PB.3/ CTS0 20PC.3/ MOSI00/ I2SDO21PC.2/ MISO00/ I2SDI

22 PC.1/ SPICLK0/ I2SBCLK 23PC.0/ /SPISS00/ I2SLRCLK

24 PA.15/ PWM3/ I2SMCLK 25

PA.14/ PWM2 26

PA.13/ PWM1 27

PA.12/ PWM0 28ICE_DAT 29 ICE_CLK 30AVSS 31

PA.0/ ADC0 32

PA.1/ ADC1 33

PA.2/ ADC2 34

PA.3/ ADC3 35

PA.4/ ADC4 36

PA.5/ ADC5

37PA.6/ ADC6

38

PA.7/ ADC7

39

AVDD40

PC.7/ CPN0

41

PC.6/ CPP042

PB.15/ /INT1

43

XT1_OUT

44XT1_IN

45

/RESET

46PVSS

47

PB.8/ STADC/ TM0

48 U1

NUC120LE3AN

DVCC5

10K R1 R0603 RB7.6-15C110uF/10V

GND

Reset1PUSH BOTTOM

GND ICERSTRESET

22pF C2

Cap22pF

C3

Cap

10M R2 12 Y1

37.768KHz

GND DX32ODX32I D12MOD12MIRESET ICECLKICEDAT

GND DVCC5

NUC120LE3AN

12 Y2

12MHz

22pF C5

Cap22pF

C6

Cap

1M R333

R4

Res1

GND 5V-LEDKPT-2012

GND R0603R8

500 DVCC5 0.1uC4

Cap

GND 0R5

Res1 0R6

Res10.1uC8

Cap

GND 0.165uHL1

L06030.165uHL2

L0603 DVCC5

DAVDD

GND PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6_I2C0SCLPIN7_I2C0SDAPIN8PIN9PIN10PIN11PIN12 PIN48PVSS PIN43PIN42PIN41DAVDDPIN39PIN38PIN37 ADC4 ADC3 ADC2 ADC1 ADC0 AVSS

PIN28PIN27PIN26PIN25

DVCC5 PIN13PIN14 PB0PB1PB2PB3PIN21PIN22PIN23PIN24

D12MOD12MI AGND

AGND DX32IDX32OVDD

VSS PIN31PIN30PIN29

PIN47PIN46PIN45PIN44 PIN40

GNDICECLKICEDATICERST

12345

ISP1 DVCC5 PIN16PIN15 layout 時拿掉了

layout 時拿掉了 GND

C9 10uF

C100.1uF C120.1uF

C11

10uF

12

power INPOWER GND DVCC59V

POWER R10

120

R11

360

Input

3 ADJ

1 Output 4

Vout 2

U2

LM1117SADJ-5v

1 2

SW-dip R9

1.5K POWER-LEDLED_R DVCC5 GND

1234

UART

Header 4 TXD0

RXD0 RXD0TXD0

C16

10uF

C150.1uF C7

0.1uF

GND 12345678

P1

Header 8 12345678

P2

Header 8

DVCC5 GNDSCLSDADRY

INT1INT23.3V DVCC5GND

SCLSDAINTDR CS

SDO

SCL

PIN6_I2C0SCLPIN7_I2C0SDA SDADRY

INT1INT2 INTDR

CS

SDO D3

Diode 1N4148D4

Diode 1N4148D5

Diode 1N4148

INTINT1INT2

INT_MCU INT_MCU

D6

Diode 1N4148

DR GNDR14

1k

PIN26PIN25

PIN5PIN4 九 軸 模 組

12

3-1-6.無線通訊模組電路版

無線通訊模組電路板主要分為 3 塊:MCU、電源電路、輸入輸出切換電路。無線 通訊模組板中的輸入輸出切換電路:主要就是無線通訊模組可以選擇與 MCU 溝通或 是與 PC 溝通。

圖 3-1-6.1 無線通訊模組電路版電路圖

3-2.電路製作

本節主要是介紹電路板的製作，包含 PCB Layout 與實體電路。共三小節，分別 為 3-2-1 可撓性壓力感測器電路板；3-2-2 九軸模組電路板；3-2-3 無線通訊模組電路 版。

3-2-1.可撓性壓力感測器電路板

此小節介紹可撓性壓力感測器電路板的 PCB Layout 與實體電路。

圖 3-2-1.1 可撓性壓力感測器電路板 PCB Layout(Top View 與 Bottom View)

GND 1 JTAG_TCK

2 JTAG_TDO

3 JTAG_TDI

4 JTAG_TMS

5 JTAG_nTRST

6 ALARM1

7 RTC_OUT1

8 VBAT

9 DC_DC_CNTL

10 ADC1

11 ADC2

12 ALARM2

13 MSPI_DIN

14 MSPI_DOUT

15 VOUT_1V8

16 GND

17 MSPI_CLK

18 MSPI_CS0 19 MSPI_CS1

20 GPIO21_11MHZ 21 GPIO20_22MHZ

22 GPIO19_44MHZ 23 PWM0/GPIO10

24 I2C_CLK 25 I2C_DATA

26 SSPI_CLK

28 SSPI_CS 29 SSPI_DIN

30 VIN_3V3

31

SSPI_DOUT

27 GND

32

EN_1V8

33

VDDIO

34

UART1_CTS/GPIO26

35

UART1_RTS/GPIO27

36

UART1_RX/GPIO3

37

UART1_TX/GPIO2

38

UART0_TX/GPIO1

39

UART0_RTS/GPIO25

40

UART0_RX/GPIO0

41

UART0_CTS/GPIO24

42

GPIO31_LED2

43

GPIO30_LED1

44

GPIO29

45

GPIO28

46

EXT_RESETn

47 GND

48 U1

WiFi Module_MIP_LTC GND

GND GND GND

3.3V C1

10uF C2

0.1uF C4

0.1uF

C3

10uFGND 3.3V

5V POWER R1

220

R2

360

Input

3 ADJ

1 Output 4

Vout 2

U6

LM1117SADJ-5v R3

1K

D1

LED_R

3.3V Power LED

W i F i M o d u l e - L T C 使用JUMP連接P41_RX0P39_TX0

MCU_UART RXD_MCUTXD_MCURXD_PL2303TXD_PL2303-3.3V

1234

U_MHeader 4 5V GND

連接MCU的UART1PL2303_UART

WiFi_UART2RXD_MCUTXD_MCU-3.3V RXD_PL2303TXD_PL2303PL2303_UART WiFi_UART2 MCU_UART

RXD_MCUTXD_MCU

可選擇PL2303對WIFI 或 MCU對WIFI RXD_PL2303TXD_PL2303

1234

U_PHeader 4 5V GND

PL2303連接WIFI C7

1uF C8 10uF C5

1uF C6 10uF

12

PL1Header 2 12

WiFiHeader 2 12

MCUHeader 2

3.3V R4

2K

R5

2K 3.3V3.3V

有用到i2c時在接，本次layout時拿掉了 12

ISPHeader 2

3.3V GNDR6

290D2

LED_R

3.3V GNDR7 290D3

LED_R

3.3V P41_RX0P39_TX0

P41_RX0P39_TX0

C115.6pF C101nF C9

0.1uF

GND C125.6pF C131nF C140.1uF

GND 3.3V

C155.6pF C161nF

C170.1uF

GND C185.6pF C191nF C200.1uF

GND

3.3V S1

PUSH BOTTOM D5

D Zener3.3v

R9

1.5K GND

D4

D Zener3.3v

R8

1.5K GND TXD_PL2303-3.3VTXD_MCU-3.3V 輸 入 輸 出 切 換

13

圖 3-2-1.2 可撓性壓力感測器電路板實體圖(Top View)

圖 3-2-1.3 可撓性壓力感測器電路板實體圖(Bottom View)

3-2-2. 九軸模組電路板

此小節介紹九軸模組電路板的 PCB Layout 與實體電路。其中模組的訊號是 使用排針母座將其訊號傳入 MCU 做處理。

圖 3-2-2.1 九軸模組電路板 PCB Layout(Top View 與 Bottom View)

14

圖 3-2-2.2 九軸模組電路板實體圖(Top View)

圖 3-2-2.3 九軸模組電路板實體圖(Bottom View)

3-2-3. 無線通訊模組電路版

此小節介紹無線通訊模組電路板的 PCB Layout 與實體電路。無線通訊模組板中 的輸入輸出切換電路:主要就是無線通訊模組可以選擇與 MCU 溝通或是與 PC 溝通。

15

圖 3-2-3.1 無線通訊模組電路板 PCB Layout(Top View 與 Bottom View)

圖 3-2-3.2 無線通訊模組電路板實體圖(Top View)

圖 3-2-3.3 無線通訊模組電路板實體圖(Bottom View)

16

3-3.韌體設計

3-3-1.系統程式流程

這小節介紹可撓性壓力感測器系統與九軸模組系統中的 MCU 內部的程式流程，

目前兩個系統的程式流程相同。

程式流程是開始後程式初始化接著讀取本身的資料在使用無線傳輸傳送本身的 資料，若程式執行當中有接收到資料將跳到判斷接收中斷執行中斷副程式，執行完後 再回到中斷點繼續執行程式。

圖 3-3-1.1 系統程式流程圖

17

3-3-2.取樣設計

可撓性壓力感測器感應出來的值須經過 MCU 的 ADC 轉換，而取樣設計則用於 此。一組可撓性壓力感測器有 12 個感測器，每個感測器讀取時讀取 10 且做 10 次 ADC 轉換再取平均即為有效值，且存入對應的暫存器。如圖 3-3-2.1 之流程圖。

圖 3-3-2.1 取樣流程圖

3-3-3.多點校正設計

多點校正主要用在可撓性壓力感測器上，此感測器為廠商自行開發且尚未完成，

所以品質還未穩定，協助產品的校正也是本論文研究的一環。

圖 3-3-3.1 為針對此感測器的多點校正流程圖，分為五大步驟。

18

圖 3-3-3.1 多點校正流程圖

3-3-4.單筆資料傳輸時間量測設計

此小節的設計主要是用在第二章介紹過的 2-2-1、2-2-2 兩個系統中，量測兩個系 統的單筆資料傳輸之時間，圖 3-3-4.1 則是單筆資料傳輸時間量測流程圖，程式執行 的時間的量測是以示波器觀測待測程式執行前 PinX=1 到執行完成 PinX=0 之間的間 距。

圖 3-3-4.1 單筆資料傳輸時間量測設計流程圖

19

第四章 綜合測試

經過第二、三章的規劃與設計後，第四章介紹本論文的測試與驗證，分成 4-1 可 撓性壓力感測器測試；4-2 九軸模組輸出訊號驗證；4-3 單筆資料傳輸時間量測；4-4 無線通訊模組通訊測試，最後是 4-5 系統整合測試。

4-1.可撓性壓力感測器測試

可撓性壓力感測器為廠商自行開發且尚未完成，所以品質還未穩定，協助產品的 校正也是本論文研究的一環。測試實驗主要分為重複性測試與多點校正測試兩部分。

4-1-1.重複性測試

主要是測試可撓性壓力感測器的重複性是否達到需求。我們測試的設計為將標準 砝碼放置於感測器上當底座，再將待測的標準砝碼放置底座上，如圖 4-1-1.1。

圖 4-1-1.1 重複性測試示意圖

底座的直徑與感測器的大小接近，待測的標準砝碼放置在底座上時，其重量會透 過底座傳遞給感測器，但因為感測器品質尚未穩定，測量時遇到每次擺放底座時都有 誤差，所以最後決定調整擺放位置直到找出感測出最大值的點，再將此點測量 10 次，

取平均，當作該待測標準砝碼的感測值，如圖 4-1-1.2。因為感測器有黏滯性的問題，

為了使它恢復每次擺放的時間間隔為 10 秒。

20

圖 4-1-1.2 測量出最大值

4-1-2.多點校正測試

可撓性感測器的輸出特性曲線為非線性，本計劃希望能用程式校正使其輸出時達 到接近線性的曲線。為了達成目的使用多點校正方式使其達到目的，設計流程圖如圖 4-1-2.1 所示，分 5 大步驟。

圖 4-1-2.1 多點校正流程圖

21

1. 測量是否通過重複性量測，通過則往下個步驟，反之則捨棄此感應器。

2. 感應器特性曲線量測，分為 3 小步驟。

(1) 重量(Wg)對 ADC 值作圖，放置標準砝碼量測相對應的 ADC 值，測量重量為 50、100、200、300、400、500 克， 測量完後可繪製出圖 4-1-2.2。

圖 4-1-2.2 重量與 ADC 值關係圖

(2) 重量(Wg)與欲求輸出電壓 V 作圖，測量重量為:50、100、200、300、400、

500 克，100g 對應 1V 輸出、500g 對應 5V 輸出，以此類推，如圖 4-1-2.3。

圖 4-1-2.3 重量與欲求輸出電壓關係圖

(3) ADC-W 與 V-W 兩個曲線成為 V-ADC 曲線。如圖 4-1-2.4。

22

圖 4-1-2.4 ADC 值與輸出電壓關係圖

3. 決定校正公式取樣點，決定的方式為看圖 4-1-2.4 可以發現輸出電壓 V 中 1V、2V 為轉折點，所以決定這兩點為校正公式取樣點。

4. 計算校正公式，使用 Excel 算出 0~1V、1V~2V、2V~5V 這三段的方程式，且寫 入程式中測試。

5. 繪製校正後特性曲線圖，如圖 4-1-2.5。雖然沒有完全吻合，但已達到廠商接收

範圍。虛線為欲求輸出標準線；實線為校正後曲線圖。

圖 4-1-2.5 校正後輸出電壓與重量關係圖

23

圖 4-1-2.6 校正前後輸出電壓與重量關係圖

4-2.九軸模組輸出訊號測試

這節主要是測量九軸模組輸出訊號是否正確。九軸模組共有三個感測器，加速度 計、陀螺儀、羅盤，本計畫目前只用到前兩個感測器，測量他們的輸出訊號是否正確 為此節的重點。

1. 加速度計測試，如表 4-2.1、表 4-2.2，是由 ADXL345 這顆 IC 的 DataSheet 擷取。

表 4-2.1 ADXL345 輸出數據格式

^[2]

24

表 4-2.2ADXL345 數據結構

^[2]

我們測試分為 4 項如圖 4-2.1 所示，首先我們將加速度計擺放成 Z

_OUT

=1g 的狀態(稱狀 態 1，由左至右依序為 1、2、3、4)，在使用電腦端的工具與加速度計連接，並且使 用 MCU 中的 ADC 轉換將狀態 1 到 4 的數值讀出，如表 4-2.3，將讀出的數值由十六 進制轉換成十進制在乘上由表 4-2.1 得知 1LSB 代表 3.9mg 後，可得到狀態 1 為 1.1037g、

狀態 2 為-0.858g、狀態 3 為-0.9906g、狀態 4 為 1.0023g，結果都與圖 4-2.1 上的值接 近，固可直接將讀出的數值作為往後應用計算的依據。

圖 4-2.1 擺放方式圖

^[2]

表 4-2.3 四種狀態之 ADC 轉換數值

25

2. 陀螺儀測試，主要測試陀螺儀輸出的值是否符合需求。測試的方法為使用樂高組

合一個自轉機構(圖 4-2.2)，配合程式來調整馬達的正反轉與 Power 輸出。轉動方向為 Z 軸，逆時鐘為正值，反之為負(圖 4-2.3)。

圖 4-2.2 自轉機構

圖 4-2.3 L3G4200D 軸向圖

^[2]

(1) 測試一，馬達 Power：50%，順、逆時鐘旋轉；測試 30 秒轉 36 圈，理論每 秒轉 432 度；九軸模組版的 ODR:10mS、70mdps/digit。

26

圖 4-2.4 陀螺儀測試一結果圖

(2) 測試二，馬達 Power：70%，順時鐘旋轉；測試 30 秒轉 51~52 圈，理論每秒 轉 612~624 度；九軸模組版的 ODR:10mS、70mdps/digit。

圖 4-2.5 陀螺儀測試二結果圖

經過兩次的測試結果雖然沒有完全符合理論值，但誤差範圍在計劃中是可以接受的，

所以暫時就使用目前的設定值，往後需要更精準再做修正。

27

4-3.單筆資料傳輸時間量測

本小節的測試是實現先前在 3-3-3 小節所提到的方法，主要量測系統的單筆資料 傳輸之時間。

4-3-1.可撓性壓力感測器系統單筆時間量測

圖 4-3-1.1 為可撓性壓力感測器系統單筆傳送時間，目前設定如下：

1. 單筆傳送時間約為 20mS。

2. 單筆傳送完後等待時間約為 22mS。

圖 4-3-1.1 可撓性壓力感測器系統單筆傳送時間

4-3-2.九軸模組系統單筆時間量測

圖 4-3-2.1 為九軸模組系統單筆傳送時間，目前設定如下：

1. 單筆傳送時間約為 22mS。

2. 單筆傳送完後等待時間約為 6mS。

28

圖 4-3-2.1 九軸模組系統單筆傳送時間

4-4.無線通訊模組通訊測試

本次的測試是在測試無線通訊模組與使用者介面是否能溝通，測試系統示意圖如 圖 4-4.1，我們測試的方式為使用四個無線通訊模組與 PC 做溝通，四個模組其中一個 當 AP Mode 其餘的則當 Infrastructure Mode，Infrastructure Mode 透過 AP Mode 與 PC 溝通，PC 端則是開三個 TCP/IP 視窗與 Infrastructure Mode 三個模組做資料的傳遞。

29

圖 4-4.1 無線通訊模組測試示意圖

實驗結果如圖 4-4.2、4-4.3、4-4.4，可以看到 TCP/IP 與 COM Port 有在溝通。

圖 4-4.2 無線通訊模組測試 TCP/IP 端.1.11

30

圖 4-4.3 無線通訊模組測試 TCP/IP 端.1.12

圖 4-4.4 無線通訊模組測試 TCP/IP 端.1.13

31

4-5.系統整合測試

主要是將以上的章節整合作最後的系統測試，實際系統如圖 4-5.1、4-5.2，包含 前述的 2-2-1 小節的可撓性壓力感測器系統與 2-2-2 小節的九軸模組系統再搭配 2-3 的韌體架構進行本節的系統整合測試。

圖 4-5.1 可撓性壓力感測器系統實際圖

圖 4-5.2 九軸模組系統實際圖

32

測試結果如下

表 4-5.1 可撓性壓力感測器系統封包格式

圖 4-5.3 可撓性壓力感測器系統-未施壓結果

33

圖 4-5.4 可撓性壓力感測器系統-前傾施壓結果

圖 4-5.5 可撓性壓力感測器系統-後傾施壓結果

34

表 4-5.2 九軸模組系統封包格式

圖 4-5.6 九軸模組系統-平放 Z 軸結果

35

圖 4-5.7 九軸模組系統-側放 X 軸結果

圖 4-5.8 九軸模組系統-側放 Y 軸結果

36

第五章 結論

現階段是初步架構的實現，未來還會配合廠商的需求做更多的硬體更改與韌體修 正。

目前完成以下幾點：

1. 可撓性感測器系統與校正。

2. 九軸模組系統與驗證。

3. 無線通訊模組的設定與測試。

4. 整合以上三點可與 PC 進行資料傳輸。

未來還可以加強的地方有以下幾點：

1. 重複性測試，目前重複性測試的精準度還有提高的空間。

2. 可撓性感測器，可撓性感測器的穩定度還可加強。

3. 多點校正，多點校正目前是以人工方式量測，可以改成自動量測。

4. 使用者介面，目前接收端以 PC 為主，之後可往手機方面著手。

37

第六章 參考文獻

[1] 《老年人跌倒干預技術指南》(2011 年 9 月 19 日) 取自

http://yulu.so/jingdian/laorendiedaozhinan.html

[2] 【長江智動科技】9 軸氣壓指南針模塊資料

[3] 王志湖, “電子電路分析入門─使用 OrCAD PSPICE” , 滄海書局出版 , 初版, 台中 , February , 2003。

[4] 王志湖, “電子學實驗(上)” , 滄海書局出版 , 初版 , 台中 , September , 2005。

[5] 王志湖, “電子學實驗(下)” , 滄海書局出版 , 初版 , 台中 , September ,2005。