臺灣博碩士論文加值系統

根據美國Aetna機構，美國約有百分之十的人有頸部疼痛的現象；而造成頸部疼痛的因素並非因為受傷而引起，大多是身體長期受外在重力以及不良姿勢習慣所造成頸部肌肉疼痛與不適。由此可知，頸肩疼痛病症是現今社會文明病之一，而頸部牽引機對於治療頸肩疼痛具有相當療效，這是全球醫界所公認的事實。由於頸部牽引機作用時之拉力大小，將會影響患者之療效，目前國內並無任何裝置針對此設備作量測。因此，本論文研究設計一頸部牽引機力量感測器以實現此功能。
本論文探討利用微電腦控制牽引機施力之大小，並以可撓曲壓力感測器(Flexiforce Sensor)與高分子壓電薄膜感測器(Piezoelectric Film Sensors)作為主要之量測與比較，加上8051微處理機控制器，透過RS-232介面跟電腦做連結，以達到監控的效能，在其他電路設計上包含A/D轉換電路，七段顯示器裝置以及類比開關電路等周邊電路。然而國內目前並無針對頸部牽引機其施力大小量測之儀器。本論文即是根據此需求嘗試設計與製作頸部牽引機受力感測器之裝置。

According to U.S.A. Aetna organization, nearly 10% of the people have cervical painful phenomena in U.S.A. These people who have suffered the cervical pain do not mainly cause by injuring. This proves mostly people that the neck and shoulder ache is social civilization ill now. Also prove use Cervical Traction Devices in the medical circles that is appropriated to curative effect.
The purpose of this thesis use the Microcontroller to control Traction Devices of application force, and use Flexiforce Sensor and Piezoelectric Film Sensors as main measurement and compares. And add the microprocessor controller 8051, do the link with the computer through the interfaces RS-232, to reach the effect of supervision, the containment A/D converts the electric circuit on the other electric circuit, 7-seg LED and the Analog switch electric circuit etc. perimeter electric circuit. However the home did not to neck lead the machine currently, it applies the instrument of all of the measurement. This thesis tries the design and the manufacture of force tranducer for a cervical traction device.

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 文獻探討 3
1.4 論文貢獻 5
1.5 論文架構 6
第二章 壓電感測器原理 7
2.1 可撓曲壓力感測器 7
2.1.1 可撓曲壓力感測器基本介紹 7
2.1.2 可撓曲壓力感測器基本架構 9
2.1.3 可撓曲壓力感測器基本電路應用 10
2.1.4 可撓曲壓力感測器負載考慮 11
2.1.5 可撓曲壓力感測器工作特性 12
2.2 PVDF壓電薄膜發展背景 13
2.3 高分子壓電薄膜之特性與應用 16
2.3.1 高分子壓電薄膜感測器之特性 16
2.3.2 高分子壓電薄膜感測器之應用 17
2.3.3 壓電材料種類 18
2.4 高分子壓電薄膜等效電路 19
2.4.1 負載阻抗之影響 20
2.5 高分子壓電薄膜感測器之基本電路觀念 23
2.5.1 電荷放大器與電壓放大器 24
2.6 PVDF壓電感測器與可撓曲壓力感測器之間差異 28
第三章 系統硬體電路分析與設計 29
3.1 系統硬體架構分析 29
3.2 電路架構說明 33
3.2.1 壓電感測器 33
3.2.2 儀器放大器電路 35
3.2.3 精密全波整流電路 40
3.2.4 分壓電路 42
3.2.5 類比多工器 44
3.2.6 數位/類比轉換電路 46
3.2.7 MCS-51 簡介 49
3.2.8 LED顯示單元 55
3.2.9 RS232控制介面 55
3.2.10 電源供應電路 60
第四章 系統軟體設計 62
4.1 系統軟體程式 62
4.1.1 CMOS多工器驅動程式 63
4.1.2類比/數位輸出轉換程式 64
4.1.3 PC與8051連線控制程式 66
第五章 系統測試與實驗結果 71
5.1 可撓曲壓力感測器系統電路實測 72
5.2 RS-232串列埠傳輸電路實測 83
5.3 高分子壓電薄膜感測器系統電路實測 85
第六章 結論與建議 91
參考文獻 93

本論文主旨在於設計頸椎牽引機力量感測器，最主要將壓電感測器置於下顎與枕骨之皮帶間，量測其兩者之受力大小，以微處理器8051作為整各系統主要控制運算中心，在實際設計製作硬體電路之前，必須先針對感測器之內部結構原理做詳盡之分析與探討，以及感測器之基本操作電路測試與應用，接下來更進ㄧ步設計與製作之應用電路，並且實際量測感測器受力後之電壓變動情形。
本論文硬體設計架構上，所使用之感測器以可撓曲壓力感測器為主要之量測，而在硬體設計電路上可分為五個電路單元來設計，分別包括感測器基本應用電路、類比/數位轉換電路、七段顯示器電路、CMOS多工器驅動電路以及RS-232介面之串列埠傳輸電路。而且各單元之電路皆可以獨立測試，對於電路修改與維護都相當便利。
軟體架構主要以微處理器8051組合語言來撰寫，另外，亦利用Visual Basic語言來撰寫視窗控制程式及電腦與為控制通訊之程式，在系統軟體上包括主程式流程、數位輸出轉換程式、CMOS多工器驅動程式，以及串列埠傳輸程式，程式初始化設定後，先會等待是否有中斷訊號之產生，接著微處理機會根據其中斷訊號送出之觸發脈波次數來驅動多工器之選擇線，並且選擇任一測試點之感測數值。
頸椎牽引機力量感測器在實際量測時，因為頸椎牽引機之皮帶較為柔軟，有時後會沒有接觸到較佳量測點，而產生一些誤差值，所以可考慮將感測器外部墊加一個較硬的物體，並對感測器加以護貝，使感測器有較大之量測範圍，這樣便可改善誤差值。
本論文之實體硬體電路在實際量測時，還是有誤差值得產生，就如本硬體電路中的類比多工器電路之輸入端就必須加裝雜訊濾波器，其主要降低輸入端雜訊影響，減少誤差範圍，因此會使硬體電路之體積增加造成不便，所以未來可以針對此問題加以解決及改良，而設計出量測更為精確之硬體電路，另外，可以加上以網際網路為基礎，已達到網路監控之功能，並能隨時掌握病人之狀況。