基于霍爾傳感器的穿戴式計步器設計

摘要：本文提出了一種全新的利用霍爾傳感器磁控開關設計的計步器原理，不僅能夠實現精確記錄步行的步數，而且針對教師行業和騎行者的計步效果也比傳統計步器更加精確.

關鍵詞：霍爾傳感器；穿戴式；計步器

作者簡介：陳胤佳（2000-），男，北京人，在讀高三學生.

1課題來源與構思

步行作為科學、安全、時尚的運動方式在國內外受到越來越多人群的青睞，計步器是一種日常生活鍛煉有效而方便的監控器，可以計算人們行走的步數，估計行走的距離，實時監控自己健身強度和運動水平.目前市面上的計步工具有很多，如手環、手機計步APP等，這些計步工具在記錄步數、計算人體耗能等方面做的比較精確.

但這些計步器在實際應用時也存在一些問題，比如每天在教室上課，有的老師佩戴手環計步數，但經常一節課下來手部抖動次數非常多，但實際并沒有走多少步，導致計步器多計步數；在騎自行車出行時，騎行者上身基本保持靜止，兩腳在不斷交替登車蹬時計步器并沒有計步，導致少計步數.

為了解決常見計步器的這些問題，筆者思考一種新計步方式來解決這個問題.通過觀察發現，人行走時雙腿間的距離在發生周期性變化，由此可以通過距離的改變來設計計步器，如圖1所示.聯想到通用技術課上學過的霍爾傳感器.霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器.霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（AHHall，1855-1938）于1879年在研究金屬的導電機制時發現的.霍爾傳感器作為一種磁控開關，每當磁體靠近時，霍爾傳感器控制的電路會瞬間導通；遠離時斷開.可以通過改變磁體與開關距離控制電路通斷，如果人的雙腿分別安裝上磁鐵和霍爾傳感器控制的計數器，兩條腿每交叉一次，腿間距減小，電路導通，電位由低變高，上升沿觸發計數器加1；隨著邁出下一步，兩腿之間距離加大，電路斷開，計數器的數保持不變.于是便有了計步器的初步構想，而且這種設計針對教師和騎行的人都可以記錄步數.

2研究思路

本課題對霍爾傳感器計步器的研究分為兩個階段.第一階段的設計，重點是在研究霍爾傳感器的原理記錄步數的方案是否具有可行性，針對教師群體和騎行者來說計步器的精確度是否更高；第二階段，使計步器在體積上設計的更加微型化，利用藍牙技術且開發手機APP實現顯示功能，使計步器的成本降低，在后期可以大規模生產.

21第一階段對霍爾傳感器計步器的設計分為硬件設計和軟件設計

計步器的硬件設計分為三個模塊，如圖2所示.

211信號采集模塊

信號的采集是通過兩腿間距離的改變，當距離很近，電位發生改變，上升沿觸發可以作為“一步”的“信號”傳至下一個模塊.

212信號處理模塊

信號處理模塊是整個設計的核心模塊，筆者利用Arduno mega 2560作為電路板，通過信息處理不僅可以記錄步數，還可以記錄時間，如果輸入步長還可以算出總路程和平均速度.與單片機功能相匹配的是控制板上設置四個按鍵，分別用于顯示步長、步長+、步長-（調整步長）、開始/重置.電路圖如圖3所示[3-5].

213信息顯示模塊

第三個是顯示模塊，信息處理后的步數、時間、路程和平均速度可以通過液晶顯示屏顯示出來.計步器的軟件設計環節主要包括軟件的開發、測試和修改幾個環節.流程圖如圖5所示.

在對軟件進行測試的環節，發現由于系統存在誤差，導致走一步有時候會顯示2步或多步，需要對硬件的誤差進行消抖處理，于是設置消抖時間為50ms時這類問題就解決了.最終的效果是走一步計步器就計數1次.計步器的計數思路如下：

A.步長按鍵：選用中斷方式4，按下按鍵產生脈沖觸發中斷步長加1.

B.計算按鍵：選用中斷方式1，按下按鍵產生脈沖觸發中斷，屏幕翻頁，顯示距離與速度.

C.步數：選用中斷方式0，磁鐵接近霍爾傳感器產生脈沖觸發中斷，步數+1.

22性能測試

第一階段計步器的設計是基于有線傳輸的計步器，這一階段的主要任務是驗證霍爾傳感器實現計步原理的可行性，以下是對計步器樣機的性能測試：

221穿戴

將磁體與霍爾傳感器平行綁在兩腿內側（如圖6、圖7所示），測試時可手持控制板，便于讀數和選擇功能.圖8為騎行測試過程.

222基本功能測試

計步功能測試：實驗距離為500米，測試者步長為53cm，測量數據見表1所示.

由上表可知，針對教師上課，由于上課時教師要書寫大量板書，手部抖動次數較多，手環計步器要比霍爾傳感器計出的數據多很多，三次實驗中相對誤差分別為473%、517%和274%，本設計效果優于手環計步軟件.

騎行計步功能測試：蹬自行車圈數為80圈，測量數據見表3所示.

通過表3的數據分析可知，在騎行時本設計的霍爾傳感器計步器明顯優于常見的手機和手環的計步效果，并且相對誤差要小很多，計步的精確度遠遠高于普通計步器.

本設計的計步效果與之前預期的結果非常一致.可見利用霍爾傳感器來實現計步的方案是可行的.也意味著第一階段的工作順利完成.

3藍牙技術與手機APP的開發

藍牙是一種短距通信系統，其關鍵特性包括魯棒性、低功耗、低成本等.利用磁體與霍爾傳感器之間距離的變化來實現計步的方案是可行的，但是樣機體積過大，攜帶不便，于是確定了下一步的研究方向：將計步器與手機相連，通過藍牙技術將計步器與手機聯通，在手機上就可以看到步數，并且利用手機的GPS定位功能，實現時間的記錄和平均速度的計算.本設計使用ESP32主控板（如圖9），ESP32集成了24GHz WiFi和藍牙雙模塊的單芯片方案，專為移動設備、可穿戴設備和物聯網應用而設計.

效果說明：把傳感器（如圖10）靠近磁鐵時，模塊上的信號指示燈點亮；傳感器遠離磁鐵時，模塊上的信號指示燈熄滅（如圖11所示）.

手機APP藍牙操作說明

（1）尋找藍牙設備（如圖12所示）

（2）接收藍牙數據

測試者啟動計步器后，開始步行，定期手機上會顯示出測試者所行走的步數（如圖13），還可以選擇清除記錄和顯示記錄的功能.

（3）顯示歷史數據（包括時間，GPS位置和步數）

在手機上還可以顯示測試的時間、步數、以及GPS定位的經緯度等（如圖14）.

4小結

為了解決傳統計步器對教師和騎行者計步不精確的問題，筆者提出利用霍爾傳感器磁控開關的特點來設計計步的方案.經過可行性分析與性能測試，本方案不僅達到了傳統計步器的計步功能，而且用于教師職業和騎行者的計步，精確度也非常高，這是傳統計步器所不能達到的；為了使產品更加微型化，以適合于大規模生產，在后期利用藍牙技術和手機APP與計步器結合，使計步器的攜帶更加方便，也降低了成本.