一种基于电容测压的自供电数据分析装置的制作方法

本发明涉及运动监测技术领域，特别是涉及一种基于电容测压的自供电数据分析装置。

背景技术：

当今时代，人们对于跑鞋的要求越来越高，美观舒适已经不能满足人们的需要。随着科技的发展，更多的智能技术将运用于运动鞋，满足人们对健康，医疗保护的要求。鞋作为承载人身体整个重量的穿戴设备，可以通过研究运动鞋各处受压程度来分析使用者的运动姿势，从而实时在终端显示并告知使用者调整运动姿势或者根据自己身体状况即时休息补偿能量。

当今的运动鞋虽然拥有减震，缓解运动冲力的能力，设计材料方面也保证穿戴者最大的舒适度，但穿戴者无法了解自己的运动状态和适合自己的运动姿势，也难以了解到自己的运动量是否达标或者是满足自己今天的运动需求。当今的运动跑鞋大多是在外形上进行改造发明，实用程度或者高效程度无法满足使用者的需求。

现有技术中的运动鞋智能设备中，供电模块采用外部充电，不方便用户使用，不能满足长时间的用电需求。不能实时给予用户反馈，实时提示纠正使用者的运动姿势。不具备报警功能，无法在使用者发生紧急情况下，将使用者的位置信息和求助信息及时反馈给使用者的紧急联系人。不具备智能分析的功能，不能长期记录保存使用者的运动信息，也无法给使用者反馈一份适合自己的运动规划。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述现有技术的不足之处而提供一种基于电容测压的自供电数据分析装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于电容测压的自供电数据分析装置，设置于运动鞋鞋底夹层中，用于测量运动产生的运动数据，以对运动情况进行分析，包括：

电容测压模块、蓝牙无线通讯模块、供电模块和中央处理模块；

其中，所述电容测压模块为设置于运动鞋底部的差动式极板和电压转换单元；

差动式极板包括两个固定极板和设置于固定极板之间的活动极板，在运动过程中通过极板之间距离的变化计算差动式极板的电容值变化情况，将电容值变化情况转换为压力变化情况，将压力变化情况发送到中央处理模块；

电压转换单元用于将电容值变化情况转换为电压值变化情况，并发送到中央处理模块；

中央处理模块用于接收电容测压模块测得的压力变化情况和电压值变化情况，以判断运动者的运动情况；其中，所述运动情况包括运动者的运动姿势和能量消耗情况；

蓝牙无线通讯模块，连接中央处理模块，用于将中央处理模块的判断得到的运动者的运动情况以蓝牙通信方式发送；

供电模块，连接电容测压模块、中央处理模块和蓝牙无线通讯模块，以进行供电和控制本装置的运行与否。

其中，差动式极板的活动极板为设置于固定极板之间的具有初始预紧应力的平膜片，因运动者作用于运动鞋的压力而使活动极板相对固定极板的距离发生变化。

其中，在将差动极板的电容值变化情况转换为压力变化情况时，

活动极板因压力作用向下移动移动距离δd0时，存在如下转换关系：

其中，d0为固定极板间初始距离，ch和cl分别为活动极板分割形成的上下两个电容器的电容值，ε为介电常数，a为极板面积，当a、d和c分别为以mm²、mm和pf为单位时，k＝0.008858；

将挠动公式

代入公式(1)，得

其中，σ0为差动极板的活动极板受初始压力的预紧应力，r为活动极板周边半径，t为活动极板厚度，p为被测压力；

建立压力与差动极板的电容值的转换关系。

其中，电压转换单元包括依序连接的调频电路、限幅器、鉴频器及放大器；所述调频电路并联一电感，差动极板的固定极板形成的电容器的两极板连接于电感两端，形成振荡回路；振荡回路的振荡频率为：

其中，l0为振荡回路的电感，c为振荡回路的总电容，c＝c¹+c²+cx，其中c1为振荡回路固有电容，c2为引线分布电容，cx＝c0+δc为测量电容；

调频电路输出的频率值经过限幅器、鉴频器及放大器的作用，得到电压值，进而建立差动极板电容值和电压值的转换关系。

其中，活动极板受到压力值为p时，差动极板形成的电容器的电容值发生变化，通过公式(3)分别计算两个电容值接入振荡电路时得到的振荡频率，从而得到两个电容值和电压值的关系，将电容值和电压值的关系代入公式

即可得到电压值和压力值的转换关系。

其中，中央处理模块连接电压转换单元，读取放大器输出的电压值，根据压力与电压的关系确定压力值，分析判断运动鞋底部的受力情况，以分析运动者的运动姿势，其中，运动姿势至少包括外八字和内八字。

其中，供电模块包括一运动发电装置、迷你充电电池和开关装置，其中运动发电装置和迷你充电电池设置在鞋底脚后跟的位置，开关装置设置在鞋外侧，当人体在运动时会不断地踩压鞋底，通过运动将动能转化为电能储存在充电电池中，以满足用电需求，而开关装置用于实现本装置的运行与否。

其中，还包括gps模块，连接中央处理模块及供电模块，用于获取运动者实时位置、运动轨迹及运动距离，发送到中央处理模块以计算运动者的速度和运动热量；其中，运动热量的计算公式为：

跑步热量(kcal)＝体重(kg)×距离(公里)×1.036。

其中，所述蓝牙无线通讯模块将中央处理模块的分析结果、运动者的速度和运动热量及gps模块获取的运动者实时位置、运动轨迹及运动距离发送到移动终端，在安装于移动终端的app上显示。

区别于现有技术，本发明的基于电容测压的自供电数据分析装置，供电模块采用自充电装置，所以可极大方便用户，满足使用者的长期用电需求，并且可持续环保。基于电容的测压装置将收集到的使用者的运动信息，先经中央处理模块处理，再由无线传输模块发送到终端模块，可实时监控反馈使用者的运动信息，保证使用者正确的运动姿势和运动效果。终端模块可以直观清楚的显示运动者的运动信息，方便使用者获取信息。gps模块和终端模块的一键报警功能可及时应对紧急情况的发生，保障使用者的人生安全。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于电容测压的自供电数据分析装置的结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于电容测压的自供电数据分析装置的差动式极板的结构示意图。

图3是本发明提供的一种基于电容测压的自供电数据分析装置的电压转换单元的结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明提供的一种基于电容测压的自供电数据分析装置的结构示意图，设置于运动鞋鞋底夹层中，用于测量运动产生的运动数据，以对运动情况进行分析，包括：

电容测压模块、蓝牙无线通讯模块、供电模块和中央处理模块；

其中，所述电容测压模块为设置于运动鞋底部的差动极板和电压转换单元；

差动极板包括两个固定极板和设置于固定极板之间的活动极板，在运动过程中通过极板之间距离的变化计算差动极板的电容值变化情况，将电容值变化情况转换为压力变化情况，将压力变化情况发送到中央处理模块；

电压转换单元用于将电容值变化情况转换为电压值变化情况，并发送到中央处理模块；

中央处理模块用于接收电容测压模块测得的压力变化情况和电压值变化情况，以判断运动者的运动情况；其中，所述运动情况包括运动者的运动姿势和能量消耗情况；

蓝牙无线通讯模块，连接中央处理模块，用于将中央处理模块的判断得到的运动者的运动情况以蓝牙通信方式发送；

供电模块，连接电容测压模块、中央处理模块和蓝牙无线通讯模块，以进行供电和控制本装置运行与否。

其中，差动极板的活动极板为设置于固定极板之间的具有初始预紧应力的平膜片，因运动者作用于运动鞋的压力而使活动极板相对固定极板的距离发生变化。差动极板的结构如图2所示。

其中，在将差动极板的电容值变化情况转换为压力变化情况时，

活动极板因压力作用向下移动移动距离δd0时，存在如下转换关系：

其中，d0为固定极板间初始距离，ch和cl分别为活动极板分割形成的上下两个电容器的电容值，ε为介电常数，a为极板面积，当a、d和c分别为以mm²、mm和pf为单位时，k＝0.008858；

将挠动公式

代入公式(1)，得

其中，σ0为差动极板的活动极板受初始压力的预紧应力，r为活动极板周边半径，t为活动极板厚度，p为被测压力；

建立压力与差动极板的电容值的转换关系。

如图3所示，电压转换单元包括依序连接的调频电路、限幅器、鉴频器及放大器；所述调频电路并联一电感，差动极板的固定极板形成的电容器的两极板连接于电感两端，形成振荡回路；振荡回路的振荡频率为：

其中，l0为振荡回路的电感，c为振荡回路的总电容，c＝c1+c2+cx，其中c1为振荡回路固有电容，c2为引线分布电容，cx＝c0+δc为测量电容；

当被测信号为0时，δc＝0，则c＝c1+c2+c0，所以振荡器就有一个固有频率

当被测信号不为0时，δc≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为

调频电路输出的频率值经过限幅器、鉴频器及放大器的作用，通过依次将差动式极板形成的两个电容器接入调频电路中，分别得到振荡频率，通过限幅器将振荡频率的幅值限制在指定范围内，通过鉴频器输出电压信号，在通过放大器对电压信号进行放大。得到电压值，进而建立差动极板电容值和电压值的转换关系。

活动极板受到压力值为p时，差动极板形成的电容器的电容值发生变化，通过公式(3)分别计算两个电容值接入振荡电路时得到的振荡频率，从而得到两个电容值和电压值的关系，将电容值和电压值的关系代入公式

即可得到电压值和压力值的转换关系。

基于此，建立压力和电压的关系，因此通过从放大器输出的电压值的大小，通过公式计算，可得到当前差动极板的活动极板受到的压力，进而进行进一步的判断。

其中，中央处理模块连接电压转换单元，读取放大器输出的电压值，根据压力与电压的关系确定压力值，分析判断运动鞋底部的受力情况，以分析运动者的运动姿势，其中，运动姿势至少包括外八字和内八字。

其中，供电模块包括一运动发电装置、迷你充电电池和开关装置，运动发电装置和迷你充电装置设置在鞋底脚后跟的位置，开关装置设置鞋外侧，当人体在运动时会不断地踩压鞋底，通过运动将动能转化为电能储存在充电电池中，以满足用电需求，而开关装置用于实现本装置的运行与否。

其中，还包括gps模块，连接中央处理模块及供电模块，用于获取运动者实时位置、运动轨迹及运动距离，发送到中央处理模块以计算运动者的速度和运动热量；其中，运动热量的计算公式为：

跑步热量(kcal)＝体重(kg)×距离(公里)×1.036。计算得到运动者在跑步时消耗的热量。

依据公式：计算得到使用者基础代谢需要的基本热量。

其中，所述蓝牙无线通讯模块将中央处理模块的分析结果、运动者的速度和运动热量及gps模块获取的运动者实时位置、运动轨迹及运动距离发送到移动终端，在安装于移动终端的app上显示。

终端接受模块为使用者的手机，开发相应的app接受并显示来自蓝牙无线传输模块的信息。显示的内容有运动者的运动轨迹，位置信息，运动速度，体重，运动者消耗的热量，和使用者基础代谢需要的基本热量。系统可根据来自中央模块的信息自动提示运动者更换运动姿势以此保护膝盖和肌肉组织，也根据运动者的运动速度提示运动者调整呼吸，达到最佳的运动健身效果。终端app设置有一键报警功能，向使用者的紧急联系人报警提示，在使用者发生紧急情况时及时告知紧急联系人。终端app具有记录和保存运动者运动信息的功能，并且能够智能分析使用者的运动信息，充当使用者的运动管家。

区别于现有技术，本发明的基于电容测压的自供电数据分析装置，供电模块采用自充电装置，所以可极大方便用户，满足使用者的长期用电需求，并且可持续环保。基于电容的测压装置将收集到的使用者的运动信息，先经中央处理模块处理，再由无线传输模块发送到终端模块，可实时监控反馈使用者的运动信息，保证使用者正确的运动姿势和运动效果。终端模块可以直观清楚的显示运动者的运动信息，方便使用者获取信息。gps模块和终端模块的一键报警功能可及时应对紧急情况的发生，保障使用者的人生安全。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。