霍爾傳感器在氣動健身器材中的應用

趙瑩瑩，余紅英，劉 寅，樊永生

(中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著電子技術、計算機技術、圖像分析技術等在醫學領域日益廣泛的應用，人們對合理精確的健身運動把握有了更高的要求，促使健身器材向著微機化、數字化、自動化、高質量和高精度的方向發展。在檢測技術和控制技術高速發展的當下，傳感器與單片機及顯示屏構成的測控系統得到了廣泛應用[1]，測距和測力的傳感器更是在健身器材高精度方向的發展中起到了重要作用。

霍爾傳感器作為一種基于霍爾效應的磁傳感器，它已發展成一個品種多樣的磁傳感器[2]。利用它對磁場的靈敏度，將其應用在氣動健身器材中，能準確地測量出氣缸活塞的運動位移和運動次數，從而更準確地控制運動量。

普通的機械性健身器材雖然能直觀地顯示出運動時的拉力,但若要更加精確地調整掌握運動的力度則多有不足，尤其在對要求甚高的康復器械上更是如此。本文設計的氣動健身器材彌補了普通機械健身器材的一些不足，在使用者鍛煉時能夠精確地得知身體的受力情況，通過給氣缸增減壓力來調節運動者所需要的拉力，可以更準確地控制運動量而不會對使用者造成身體上的負擔。

1 系統整體框架與工作原理

本系統主要由霍爾傳感電路、信號采集模塊和微處理器(MCU)模塊等組成。在該系統中，霍爾傳感器通過氣缸活塞上的小磁鐵測出活塞的運動位移產生的電壓差值信號，通過I/O端口將數字信號傳送給主芯片STC89C54RD+，經過MCU進行數據處理后在液晶板上顯示出運動次數與氣缸活塞大體位移。在單片機的控制下，檢測到的數據進行匯總計算，得出的運動消耗熱量與運動拉力值并通過USB接口上傳至PC，通過PC機的軟件開發可以對采集到的數據進行顯示、處理和繪圖。系統結構如圖1所示。

2 硬件電路的設計

2.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器采用電磁式霍爾接近開關，這種開關能以細小的開關體積達到最大的檢測距離[3],它能檢測磁性物體(一般為永久磁鐵)，然后產生觸發開關信號輸出，直接輸出的就是數字量。這種傳感器是由于它自身的特點和優點(可以整體安裝在金屬中，對并排安裝沒有任何要求，具有價格低廉、結構簡單的優點)，所以,比較符合儀器的機械設計和安裝。但是缺點也比較多，如動作距離受檢測體(一般為磁鐵或磁鋼)的磁場強度影響較大，檢測體的接近方向會影響動作距離的大小，徑向接近時有可能會出現2個工作點。所以,這些缺點都要在電路設計和軟件編寫判斷時注意到。氣功活塞的行程采集主要利用霍爾效應來采集，當電流通過導體時在電流垂直方向施加外磁場則在垂直于電流和磁場的方向上就會產生電動勢[4]。開關類霍爾傳感器工作特性如圖2所示。

圖1 系統整體框架

圖2 霍爾開關工作特性

當傳感器感知到的感應強度B低于釋放點Brp時，傳感器連續輸出5 V高電平；當磁感應強度超過工作點Bop時，傳感器由高電平躍至0 V低電平并保持不變；當磁感應強度低于Brp時，傳感器再次從低電平躍至高電平。(→為on曲線特性，→→為off曲線特性)[5]。

因為氣缸活塞是直線運動的，所以,直接將霍爾傳感器固定安裝在氣缸外側即可。將永磁鐵安裝在氣缸活塞上，活塞動作時安裝在氣缸外側的傳感器能準確地感知磁鐵的位置，霍爾傳感器安裝如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器安裝示意圖

2.2 信號采集模塊

電路中霍爾傳感器只數較多，本系統采用異步并行輸入/同步串行輸出的八位移位寄存器CD4021來實現數據寄存采集。系統工作時，每個CD4021只能收取其中的8個開關量，單片機將脈沖信號作用給寄存器，一個脈沖數據移動一位，通過幾次移位將收集到的8個開關量依次傳送出去，傳送到單片機進行處理。如果有多只霍爾傳感器就可以用幾片移位寄存器進行聯級來對數據進行采集處理。硬件連接電路如圖4所示。

圖4 寄存器聯級連接

2.3 STC89 C54RD+系列單片機

本系統采用STC89C54RD+微處理芯片，它是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。相對52RC系列的單片機它具有更大空間的RAM和Flash存儲器，能夠存放更大容量的程序，且EEPROM為16 kbyte，能夠更高效地傳輸數據，使整個系統更高效精確[6]。

2.4 氣缸動作行程測量流程

當系統供電、程序初始化之后，安裝在氣缸外側的傳感器進入工作狀態。器材使用者開始運動帶動氣缸活塞運動時，氣缸外側的傳感器電路板開始檢測小磁鐵的運動位置，并相應地輸出方波信號。所有的霍爾開關所采集的數據經過寄存器移位寄存后，一位一位依次輸入單片機的I/O端口進行分析處理。單片機接收信號后，根據信號的跳變，實時地計算出相應的拉力和運動者消耗的熱量，同時，將計算結果通過USB傳給上位機并在器材上的液晶顯示板上實時地顯示出來。

3 軟件程序的設計

3.1 氣缸活塞行程測量原理

由圖3可知，氣缸動作時活塞上的小磁鐵依次作用于氣缸外側的霍爾傳感器。霍爾傳感器在磁鐵未經過的時候輸出為1，有磁鐵經過時輸出為0，因此，判斷最后一個0在整個輸出信號中的位置是軟件設計的核心所在。以32只霍爾傳感器輸出為例，32只霍爾傳感器的開關狀態最后串行到單片機中的是32個數字序列，移位寄存器CD4021串行輸出從高位輸出，對霍爾傳感器移動到第幾只霍爾傳感器的計數也是以最高位為基準進行計數的。磁鐵在經過霍爾傳感器時會同時導通多只霍爾傳感器，計數時取最高位的0，數列出現第一個0時計數加1，如果出現幾個連續的0，則計數只加1次，只有不連續的0才累加。經過32個時鐘判斷出最后一個0的位置，也就是磁鐵的最終位置。

在主程序中，傳感器信息采集是循環進行的，磁鐵的位置隨著拉力的變化而不斷變化，輸入單片機的0的個數也將不斷變化，從而實時地顯示出位移的變化情況。位移判斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 位移判斷流程圖

3.2 實驗結果

電路測試時，通過電路設計和軟件處理能有效地隔離外界的電磁干擾信號。通過對電路的硬件和軟件調試，可以將所采集到的數據傳到上位機中實時顯示出來，拉力和位移測量曲線如圖6所示。

4 結束語

本系統采用小磁鐵與多只霍爾傳感器協同工作，利用霍爾效應原理對氣缸活塞動作行程進行實時采集檢測，并用51單片機對采樣數據進行分析計算。經過實驗，霍爾傳感器反應靈敏，測量準確,并且能直觀地顯示運動情況。與機械健身器材相比，雖然可移動性有所下降，但具有性能穩定，運動量控制準確，能實現精確可調，更有利于運動者對自身運動量的控制。

圖6 拉力與位移和時間的關系曲線

參考文獻:

[1]林 游,張俊杰,易 凡.霍爾傳感器信號采集與顯示系統設計[J].現代電子技術,2009,32(4):191-194.

[2]彭 軍.傳感器與檢測技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003(11):116-254.

[3]王 楠,谷立臣.霍爾傳感器狀態監測電路的設計及應用[J].中國測試,2009,35(5):74-76.

[4]宋曉輝,金成山.位置檢測裝置的改進[J].計量技術,2007(2):79-80.

[5]劉東輝,吳初娜.基于霍爾傳感器的制動踏板行程測量系統設計[J].長安大學學報:自然科學版,2012,32(2):106-110.

[6]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2008:2-12.