霍爾傳感器在氣動(dòng)健身器材中的應(yīng)用

趙瑩瑩，余紅英，劉 寅，樊永生

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像分析技術(shù)等在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)合理精確的健身運(yùn)動(dòng)把握有了更高的要求，促使健身器材向著微機(jī)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、高質(zhì)量和高精度的方向發(fā)展。在檢測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，傳感器與單片機(jī)及顯示屏構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[1]，測(cè)距和測(cè)力的傳感器更是在健身器材高精度方向的發(fā)展中起到了重要作用。

霍爾傳感器作為一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，它已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器[2]。利用它對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度，將其應(yīng)用在氣動(dòng)健身器材中，能準(zhǔn)確地測(cè)量出氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)位移和運(yùn)動(dòng)次數(shù)，從而更準(zhǔn)確地控制運(yùn)動(dòng)量。

普通的機(jī)械性健身器材雖然能直觀地顯示出運(yùn)動(dòng)時(shí)的拉力,但若要更加精確地調(diào)整掌握運(yùn)動(dòng)的力度則多有不足，尤其在對(duì)要求甚高的康復(fù)器械上更是如此。本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)健身器材彌補(bǔ)了普通機(jī)械健身器材的一些不足，在使用者鍛煉時(shí)能夠精確地得知身體的受力情況，通過(guò)給氣缸增減壓力來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)者所需要的拉力，可以更準(zhǔn)確地控制運(yùn)動(dòng)量而不會(huì)對(duì)使用者造成身體上的負(fù)擔(dān)。

1 系統(tǒng)整體框架與工作原理

本系統(tǒng)主要由霍爾傳感電路、信號(hào)采集模塊和微處理器(MCU)模塊等組成。在該系統(tǒng)中，霍爾傳感器通過(guò)氣缸活塞上的小磁鐵測(cè)出活塞的運(yùn)動(dòng)位移產(chǎn)生的電壓差值信號(hào)，通過(guò)I/O端口將數(shù)字信號(hào)傳送給主芯片STC89C54RD+，經(jīng)過(guò)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后在液晶板上顯示出運(yùn)動(dòng)次數(shù)與氣缸活塞大體位移。在單片機(jī)的控制下，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，得出的運(yùn)動(dòng)消耗熱量與運(yùn)動(dòng)拉力值并通過(guò)USB接口上傳至PC，通過(guò)PC機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和繪圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器采用電磁式霍爾接近開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)能以細(xì)小的開(kāi)關(guān)體積達(dá)到最大的檢測(cè)距離[3],它能檢測(cè)磁性物體(一般為永久磁鐵)，然后產(chǎn)生觸發(fā)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，直接輸出的就是數(shù)字量。這種傳感器是由于它自身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)(可以整體安裝在金屬中，對(duì)并排安裝沒(méi)有任何要求，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn))，所以,比較符合儀器的機(jī)械設(shè)計(jì)和安裝。但是缺點(diǎn)也比較多，如動(dòng)作距離受檢測(cè)體(一般為磁鐵或磁鋼)的磁場(chǎng)強(qiáng)度影響較大，檢測(cè)體的接近方向會(huì)影響動(dòng)作距離的大小，徑向接近時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)2個(gè)工作點(diǎn)。所以,這些缺點(diǎn)都要在電路設(shè)計(jì)和軟件編寫(xiě)判斷時(shí)注意到。氣功活塞的行程采集主要利用霍爾效應(yīng)來(lái)采集，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)在電流垂直方向施加外磁場(chǎng)則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[4]。開(kāi)關(guān)類(lèi)霍爾傳感器工作特性如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

圖2 霍爾開(kāi)關(guān)工作特性

當(dāng)傳感器感知到的感應(yīng)強(qiáng)度B低于釋放點(diǎn)Brp時(shí)，傳感器連續(xù)輸出5 V高電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)工作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器由高電平躍至0 V低電平并保持不變；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度低于Brp時(shí)，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?yàn)闅飧谆钊侵本€運(yùn)動(dòng)的，所以,直接將霍爾傳感器固定安裝在氣缸外側(cè)即可。將永磁鐵安裝在氣缸活塞上，活塞動(dòng)作時(shí)安裝在氣缸外側(cè)的傳感器能準(zhǔn)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(hào)采集模塊

電路中霍爾傳感器只數(shù)較多，本系統(tǒng)采用異步并行輸入/同步串行輸出的八位移位寄存器CD4021來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寄存采集。系統(tǒng)工作時(shí)，每個(gè)CD4021只能收取其中的8個(gè)開(kāi)關(guān)量，單片機(jī)將脈沖信號(hào)作用給寄存器，一個(gè)脈沖數(shù)據(jù)移動(dòng)一位，通過(guò)幾次移位將收集到的8個(gè)開(kāi)關(guān)量依次傳送出去，傳送到單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行聯(lián)級(jí)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。硬件連接電路如圖4所示。

圖4 寄存器聯(lián)級(jí)連接

2.3 STC89 C54RD+系列單片機(jī)

本系統(tǒng)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(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。相對(duì)52RC系列的單片機(jī)它具有更大空間的RAM和Flash存儲(chǔ)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(shù)據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)更高效精確[6]。

2.4 氣缸動(dòng)作行程測(cè)量流程

當(dāng)系統(tǒng)供電、程序初始化之后，安裝在氣缸外側(cè)的傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)。器材使用者開(kāi)始運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸外側(cè)的傳感器電路板開(kāi)始檢測(cè)小磁鐵的運(yùn)動(dòng)位置，并相應(yīng)地輸出方波信號(hào)。所有的霍爾開(kāi)關(guān)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)寄存器移位寄存后，一位一位依次輸入單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行分析處理。單片機(jī)接收信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)的跳變，實(shí)時(shí)地計(jì)算出相應(yīng)的拉力和運(yùn)動(dòng)者消耗的熱量，同時(shí)，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)USB傳給上位機(jī)并在器材上的液晶顯示板上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。

3 軟件程序的設(shè)計(jì)

3.1 氣缸活塞行程測(cè)量原理

由圖3可知，氣缸動(dòng)作時(shí)活塞上的小磁鐵依次作用于氣缸外側(cè)的霍爾傳感器?；魻杺鞲衅髟诖盆F未經(jīng)過(guò)的時(shí)候輸出為1，有磁鐵經(jīng)過(guò)時(shí)輸出為0，因此，判斷最后一個(gè)0在整個(gè)輸出信號(hào)中的位置是軟件設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)狀態(tài)最后串行到單片機(jī)中的是32個(gè)數(shù)字序列，移位寄存器CD4021串行輸出從高位輸出，對(duì)霍爾傳感器移動(dòng)到第幾只霍爾傳感器的計(jì)數(shù)也是以最高位為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)數(shù)的。磁鐵在經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)會(huì)同時(shí)導(dǎo)通多只霍爾傳感器，計(jì)數(shù)時(shí)取最高位的0，數(shù)列出現(xiàn)第一個(gè)0時(shí)計(jì)數(shù)加1，如果出現(xiàn)幾個(gè)連續(xù)的0，則計(jì)數(shù)只加1次，只有不連續(xù)的0才累加。經(jīng)過(guò)32個(gè)時(shí)鐘判斷出最后一個(gè)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(huán)進(jìn)行的，磁鐵的位置隨著拉力的變化而不斷變化，輸入單片機(jī)的0的個(gè)數(shù)也將不斷變化，從而實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

電路測(cè)試時(shí)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)和軟件處理能有效地隔離外界的電磁干擾信號(hào)。通過(guò)對(duì)電路的硬件和軟件調(diào)試，可以將所采集到的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，拉力和位移測(cè)量曲線如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用小磁鐵與多只霍爾傳感器協(xié)同工作，利用霍爾效應(yīng)原理對(duì)氣缸活塞動(dòng)作行程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集檢測(cè)，并用51單片機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，霍爾傳感器反應(yīng)靈敏，測(cè)量準(zhǔn)確,并且能直觀地顯示運(yùn)動(dòng)情況。與機(jī)械健身器材相比，雖然可移動(dòng)性有所下降，但具有性能穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)量控制準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)，更有利于運(yùn)動(dòng)者對(duì)自身運(yùn)動(dòng)量的控制。

圖6 拉力與位移和時(shí)間的關(guān)系曲線

參考文獻(xiàn):

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