霍尔传感器在气动健身器材中的应用

赵莹莹，余红英，刘 寅，樊永生

(中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

随着电子技术、计算机技术、图像分析技术等在医学领域日益广泛的应用，人们对合理精确的健身运动把握有了更高的要求，促使健身器材向着微机化、数字化、自动化、高质量和高精度的方向发展。在检测技术和控制技术高速发展的当下，传感器与单片机及显示屏构成的测控系统得到了广泛应用[1]，测距和测力的传感器更是在健身器材高精度方向的发展中起到了重要作用。

霍尔传感器作为一种基于霍尔效应的磁传感器，它已发展成一个品种多样的磁传感器[2]。利用它对磁场的灵敏度，将其应用在气动健身器材中，能准确地测量出气缸活塞的运动位移和运动次数，从而更准确地控制运动量。

普通的机械性健身器材虽然能直观地显示出运动时的拉力,但若要更加精确地调整掌握运动的力度则多有不足，尤其在对要求甚高的康复器械上更是如此。本文设计的气动健身器材弥补了普通机械健身器材的一些不足，在使用者锻炼时能够精确地得知身体的受力情况，通过给气缸增减压力来调节运动者所需要的拉力，可以更准确地控制运动量而不会对使用者造成身体上的负担。

1 系统整体框架与工作原理

本系统主要由霍尔传感电路、信号采集模块和微处理器(MCU)模块等组成。在该系统中，霍尔传感器通过气缸活塞上的小磁铁测出活塞的运动位移产生的电压差值信号，通过I/O端口将数字信号传送给主芯片STC89C54RD+，经过MCU进行数据处理后在液晶板上显示出运动次数与气缸活塞大体位移。在单片机的控制下，检测到的数据进行汇总计算，得出的运动消耗热量与运动拉力值并通过USB接口上传至PC，通过PC机的软件开发可以对采集到的数据进行显示、处理和绘图。系统结构如图1所示。

2 硬件电路的设计

2.1 霍尔传感器

霍尔传感器采用电磁式霍尔接近开关，这种开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离[3],它能检测磁性物体(一般为永久磁铁)，然后产生触发开关信号输出，直接输出的就是数字量。这种传感器是由于它自身的特点和优点(可以整体安装在金属中，对并排安装没有任何要求，具有价格低廉、结构简单的优点)，所以,比较符合仪器的机械设计和安装。但是缺点也比较多，如动作距离受检测体(一般为磁铁或磁钢)的磁场强度影响较大，检测体的接近方向会影响动作距离的大小，径向接近时有可能会出现2个工作点。所以,这些缺点都要在电路设计和软件编写判断时注意到。气功活塞的行程采集主要利用霍尔效应来采集，当电流通过导体时在电流垂直方向施加外磁场则在垂直于电流和磁场的方向上就会产生电动势[4]。开关类霍尔传感器工作特性如图2所示。

图1 系统整体框架

图2 霍尔开关工作特性

当传感器感知到的感应强度B低于释放点Brp时，传感器连续输出5 V高电平；当磁感应强度超过工作点Bop时，传感器由高电平跃至0 V低电平并保持不变；当磁感应强度低于Brp时，传感器再次从低电平跃至高电平。(→为on曲线特性，→→为off曲线特性)[5]。

因为气缸活塞是直线运动的，所以,直接将霍尔传感器固定安装在气缸外侧即可。将永磁铁安装在气缸活塞上，活塞动作时安装在气缸外侧的传感器能准确地感知磁铁的位置，霍尔传感器安装如图3所示。

图3 霍尔传感器安装示意图

2.2 信号采集模块

电路中霍尔传感器只数较多，本系统采用异步并行输入/同步串行输出的八位移位寄存器CD4021来实现数据寄存采集。系统工作时，每个CD4021只能收取其中的8个开关量，单片机将脉冲信号作用给寄存器，一个脉冲数据移动一位，通过几次移位将收集到的8个开关量依次传送出去，传送到单片机进行处理。如果有多只霍尔传感器就可以用几片移位寄存器进行联级来对数据进行采集处理。硬件连接电路如图4所示。

图4 寄存器联级连接

2.3 STC89 C54RD+系列单片机

本系统采用STC89C54RD+微处理芯片，它是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。相对52RC系列的单片机它具有更大空间的RAM和Flash存储器，能够存放更大容量的程序，且EEPROM为16 kbyte，能够更高效地传输数据，使整个系统更高效精确[6]。

2.4 气缸动作行程测量流程

当系统供电、程序初始化之后，安装在气缸外侧的传感器进入工作状态。器材使用者开始运动带动气缸活塞运动时，气缸外侧的传感器电路板开始检测小磁铁的运动位置，并相应地输出方波信号。所有的霍尔开关所采集的数据经过寄存器移位寄存后，一位一位依次输入单片机的I/O端口进行分析处理。单片机接收信号后，根据信号的跳变，实时地计算出相应的拉力和运动者消耗的热量，同时，将计算结果通过USB传给上位机并在器材上的液晶显示板上实时地显示出来。

3 软件程序的设计

3.1 气缸活塞行程测量原理

由图3可知，气缸动作时活塞上的小磁铁依次作用于气缸外侧的霍尔传感器。霍尔传感器在磁铁未经过的时候输出为1，有磁铁经过时输出为0，因此，判断最后一个0在整个输出信号中的位置是软件设计的核心所在。以32只霍尔传感器输出为例，32只霍尔传感器的开关状态最后串行到单片机中的是32个数字序列，移位寄存器CD4021串行输出从高位输出，对霍尔传感器移动到第几只霍尔传感器的计数也是以最高位为基准进行计数的。磁铁在经过霍尔传感器时会同时导通多只霍尔传感器，计数时取最高位的0，数列出现第一个0时计数加1，如果出现几个连续的0，则计数只加1次，只有不连续的0才累加。经过32个时钟判断出最后一个0的位置，也就是磁铁的最终位置。

在主程序中，传感器信息采集是循环进行的，磁铁的位置随着拉力的变化而不断变化，输入单片机的0的个数也将不断变化，从而实时地显示出位移的变化情况。位移判断程序流程图如图5所示。

图5 位移判断流程图

3.2 实验结果

电路测试时，通过电路设计和软件处理能有效地隔离外界的电磁干扰信号。通过对电路的硬件和软件调试，可以将所采集到的数据传到上位机中实时显示出来，拉力和位移测量曲线如图6所示。

4 结束语

本系统采用小磁铁与多只霍尔传感器协同工作，利用霍尔效应原理对气缸活塞动作行程进行实时采集检测，并用51单片机对采样数据进行分析计算。经过实验，霍尔传感器反应灵敏，测量准确,并且能直观地显示运动情况。与机械健身器材相比，虽然可移动性有所下降，但具有性能稳定，运动量控制准确，能实现精确可调，更有利于运动者对自身运动量的控制。

图6 拉力与位移和时间的关系曲线

参考文献:

[1]林 游,张俊杰,易 凡.霍尔传感器信号采集与显示系统设计[J].现代电子技术,2009,32(4):191-194.

[2]彭 军.传感器与检测技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003(11):116-254.

[3]王 楠,谷立臣.霍尔传感器状态监测电路的设计及应用[J].中国测试,2009,35(5):74-76.

[4]宋晓辉,金成山.位置检测装置的改进[J].计量技术,2007(2):79-80.

[5]刘东辉,吴初娜.基于霍尔传感器的制动踏板行程测量系统设计[J].长安大学学报:自然科学版,2012,32(2):106-110.

[6]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2008:2-12.