基于霍爾傳感器的穿戴式計(jì)步器設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種全新的利用霍爾傳感器磁控開關(guān)設(shè)計(jì)的計(jì)步器原理，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精確記錄步行的步數(shù)，而且針對教師行業(yè)和騎行者的計(jì)步效果也比傳統(tǒng)計(jì)步器更加精確.

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；穿戴式；計(jì)步器

作者簡介：陳胤佳（2000-），男，北京人，在讀高三學(xué)生.

1課題來源與構(gòu)思

步行作為科學(xué)、安全、時(shí)尚的運(yùn)動(dòng)方式在國內(nèi)外受到越來越多人群的青睞，計(jì)步器是一種日常生活鍛煉有效而方便的監(jiān)控器，可以計(jì)算人們行走的步數(shù)，估計(jì)行走的距離，實(shí)時(shí)監(jiān)控自己健身強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)水平.目前市面上的計(jì)步工具有很多，如手環(huán)、手機(jī)計(jì)步APP等，這些計(jì)步工具在記錄步數(shù)、計(jì)算人體耗能等方面做的比較精確.

但這些計(jì)步器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在一些問題，比如每天在教室上課，有的老師佩戴手環(huán)計(jì)步數(shù)，但經(jīng)常一節(jié)課下來手部抖動(dòng)次數(shù)非常多，但實(shí)際并沒有走多少步，導(dǎo)致計(jì)步器多計(jì)步數(shù)；在騎自行車出行時(shí)，騎行者上身基本保持靜止，兩腳在不斷交替登車蹬時(shí)計(jì)步器并沒有計(jì)步，導(dǎo)致少計(jì)步數(shù).

為了解決常見計(jì)步器的這些問題，筆者思考一種新計(jì)步方式來解決這個(gè)問題.通過觀察發(fā)現(xiàn)，人行走時(shí)雙腿間的距離在發(fā)生周期性變化，由此可以通過距離的改變來設(shè)計(jì)計(jì)步器，如圖1所示.聯(lián)想到通用技術(shù)課上學(xué)過的霍爾傳感器.霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器.霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（AHHall，1855-1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的.霍爾傳感器作為一種磁控開關(guān)，每當(dāng)磁體靠近時(shí)，霍爾傳感器控制的電路會(huì)瞬間導(dǎo)通；遠(yuǎn)離時(shí)斷開.可以通過改變磁體與開關(guān)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(jì)數(shù)器，兩條腿每交叉一次，腿間距減小，電路導(dǎo)通，電位由低變高，上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器加1；隨著邁出下一步，兩腿之間距離加大，電路斷開，計(jì)數(shù)器的數(shù)保持不變.于是便有了計(jì)步器的初步構(gòu)想，而且這種設(shè)計(jì)針對教師和騎行的人都可以記錄步數(shù).

2研究思路

本課題對霍爾傳感器計(jì)步器的研究分為兩個(gè)階段.第一階段的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是在研究霍爾傳感器的原理記錄步數(shù)的方案是否具有可行性，針對教師群體和騎行者來說計(jì)步器的精確度是否更高；第二階段，使計(jì)步器在體積上設(shè)計(jì)的更加微型化，利用藍(lán)牙技術(shù)且開發(fā)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)顯示功能，使計(jì)步器的成本降低，在后期可以大規(guī)模生產(chǎn).

21第一階段對霍爾傳感器計(jì)步器的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

計(jì)步器的硬件設(shè)計(jì)分為三個(gè)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(dāng)距離很近，電位發(fā)生改變，上升沿觸發(fā)可以作為“一步”的“信號”傳至下一個(gè)模塊.

212信號處理模塊

信號處理模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)，還可以記錄時(shí)間，如果輸入步長還可以算出總路程和平均速度.與單片機(jī)功能相匹配的是控制板上設(shè)置四個(gè)按鍵，分別用于顯示步長、步長+、步長-（調(diào)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(gè)是顯示模塊，信息處理后的步數(shù)、時(shí)間、路程和平均速度可以通過液晶顯示屏顯示出來.計(jì)步器的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要包括軟件的開發(fā)、測試和修改幾個(gè)環(huán)節(jié).流程圖如圖5所示.

在對軟件進(jìn)行測試的環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)由于系統(tǒng)存在誤差，導(dǎo)致走一步有時(shí)候會(huì)顯示2步或多步，需要對硬件的誤差進(jìn)行消抖處理，于是設(shè)置消抖時(shí)間為50ms時(shí)這類問題就解決了.最終的效果是走一步計(jì)步器就計(jì)數(shù)1次.計(jì)步器的計(jì)數(shù)思路如下：

A.步長按鍵：選用中斷方式4，按下按鍵產(chǎn)生脈沖觸發(fā)中斷步長加1.

B.計(jì)算按鍵：選用中斷方式1，按下按鍵產(chǎn)生脈沖觸發(fā)中斷，屏幕翻頁，顯示距離與速度.

C.步數(shù)：選用中斷方式0，磁鐵接近霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖觸發(fā)中斷，步數(shù)+1.

22性能測試

第一階段計(jì)步器的設(shè)計(jì)是基于有線傳輸?shù)挠?jì)步器，這一階段的主要任務(wù)是驗(yàn)證霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)步原理的可行性，以下是對計(jì)步器樣機(jī)的性能測試：

221穿戴

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

222基本功能測試

計(jì)步功能測試：實(shí)驗(yàn)距離為500米，測試者步長為53cm，測量數(shù)據(jù)見表1所示.

由上表可知，針對教師上課，由于上課時(shí)教師要書寫大量板書，手部抖動(dòng)次數(shù)較多，手環(huán)計(jì)步器要比霍爾傳感器計(jì)出的數(shù)據(jù)多很多，三次實(shí)驗(yàn)中相對誤差分別為473%、517%和274%，本設(shè)計(jì)效果優(yōu)于手環(huán)計(jì)步軟件.

騎行計(jì)步功能測試：蹬自行車圈數(shù)為80圈，測量數(shù)據(jù)見表3所示.

通過表3的數(shù)據(jù)分析可知，在騎行時(shí)本設(shè)計(jì)的霍爾傳感器計(jì)步器明顯優(yōu)于常見的手機(jī)和手環(huán)的計(jì)步效果，并且相對誤差要小很多，計(jì)步的精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通計(jì)步器.

本設(shè)計(jì)的計(jì)步效果與之前預(yù)期的結(jié)果非常一致.可見利用霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)計(jì)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(lán)牙技術(shù)與手機(jī)APP的開發(fā)

藍(lán)牙是一種短距通信系統(tǒng)，其關(guān)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(shí)現(xiàn)計(jì)步的方案是可行的，但是樣機(jī)體積過大，攜帶不便，于是確定了下一步的研究方向：將計(jì)步器與手機(jī)相連，通過藍(lán)牙技術(shù)將計(jì)步器與手機(jī)聯(lián)通，在手機(jī)上就可以看到步數(shù)，并且利用手機(jī)的GPS定位功能，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的記錄和平均速度的計(jì)算.本設(shè)計(jì)使用ESP32主控板（如圖9），ESP32集成了24GHz WiFi和藍(lán)牙雙模塊的單芯片方案，專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì).

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

手機(jī)APP藍(lán)牙操作說明

（1）尋找藍(lán)牙設(shè)備（如圖12所示）

（2）接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)

測試者啟動(dòng)計(jì)步器后，開始步行，定期手機(jī)上會(huì)顯示出測試者所行走的步數(shù)（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(shù)據(jù)（包括時(shí)間，GPS位置和步數(shù)）

在手機(jī)上還可以顯示測試的時(shí)間、步數(shù)、以及GPS定位的經(jīng)緯度等（如圖14）.

4小結(jié)

為了解決傳統(tǒng)計(jì)步器對教師和騎行者計(jì)步不精確的問題，筆者提出利用霍爾傳感器磁控開關(guān)的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)計(jì)步的方案.經(jīng)過可行性分析與性能測試，本方案不僅達(dá)到了傳統(tǒng)計(jì)步器的計(jì)步功能，而且用于教師職業(yè)和騎行者的計(jì)步，精確度也非常高，這是傳統(tǒng)計(jì)步器所不能達(dá)到的；為了使產(chǎn)品更加微型化，以適合于大規(guī)模生產(chǎn)，在后期利用藍(lán)牙技術(shù)和手機(jī)APP與計(jì)步器結(jié)合，使計(jì)步器的攜帶更加方便，也降低了成本.