宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為了能更好地掌握運動者的運動力度，盡可能地減小運動中由于運動過劇造成的損傷，設計了一種氣動健身器材，通過實際的氣缸壓力與霍爾傳感器檢測出氣缸活塞的位移來計算器材使用者所承受的拉力，并結(jié)合記錄氣缸活塞的運動次數(shù)來計算運動者消耗的熱量，更直觀地顯示出運動者的運動情況。經(jīng)過測試，霍爾傳感器反應靈敏，檢測結(jié)果準確，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，有較高的實用性。
關鍵詞：霍爾傳感器；氣動健身器材；位移；氣缸
0引言
隨著電子技術、計算機技術、圖像分析技術等在醫(yī)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(shù)字化、自動化、高質(zhì)量和高精度的方向發(fā)展。在檢測技術和控制技術高速發(fā)展的當下，傳感器與單片機及顯示屏構(gòu)成的測控系統(tǒng)得到了廣泛應用J，測距和測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的磁傳感器，它已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器。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(shù)，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(diào)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(diào)節(jié)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(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，霍爾傳感器通過氣缸活塞上的小磁鐵測出活塞的運動位移產(chǎn)生的電壓差值信號，通過I/O端口將數(shù)字信號傳送給主芯片STC89C54RD+，經(jīng)過MCU進行數(shù)據(jù)處理后在液晶板上顯示出運動次數(shù)與氣缸活塞大體位移。在單片機的控制下，檢測到的數(shù)據(jù)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(fā)可以對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、處理和繪圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1系統(tǒng)整體框架
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較大的檢測距離J，它能檢測磁性物體(一般為永久磁鐵)，然后產(chǎn)生觸發(fā)開關信號輸出，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和優(yōu)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(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)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(xiàn)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(chǎn)生電動勢。開關類霍爾傳感器工作特性如圖2所示。
圖2翟爾開關工作特性
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(xù)輸出5V高電平；當磁感應強度超過工作點B0P時，傳感器由高電平躍至0V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0ff曲線特性)。
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(cè)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(cè)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(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來實現(xiàn)數(shù)據(jù)寄存采集。系統(tǒng)工作時，每個CIM021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(shù)據(jù)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(lián)級來對數(shù)據(jù)進行采集處理。硬件連接電路如圖4所示。
圖4寄存器聯(lián)級連接
2．3STC89C54RD+系列單片機
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、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，l2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16kbyte，能夠更高效地傳輸數(shù)據(jù)，使整個系統(tǒng)更高效精確。
2．4氣缸動作行程測量流程
當系統(tǒng)供電、程序初始化之后，安裝在氣缸外側(cè)的傳感器進入工作狀態(tài)。器材使用者開始運動帶動氣缸活塞運動時，氣缸外側(cè)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(shù)據(jù)經(jīng)過寄存器移位寄存后，一位一位依次輸入單片機的I/0端口進行分析處理。單片機接收信號后，根據(jù)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(jié)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(cè)的霍爾傳感器。霍爾傳感器在磁鐵未經(jīng)過的時候輸出為l，有磁鐵經(jīng)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(tài)最后串行到單片機中的是32個數(shù)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(shù)也是以位為基準進行計數(shù)的。磁鐵在經(jīng)過霍爾傳感器時會同時導通多只霍爾傳感器，計數(shù)時取位的0，數(shù)列出現(xiàn)第一個0時計數(shù)加1，如果出現(xiàn)幾個連續(xù)的0，則計數(shù)只加1次，只有不連續(xù)的0才累加。經(jīng)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(huán)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(shù)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(jié)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(diào)試，可以將所采集到的數(shù)據(jù)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。
圖6拉力與位移和時間的關系曲線
4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
4.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。
4.2產(chǎn)品選型
4.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
4.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
5結(jié)束語
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(shù)據(jù)進行分析計算。經(jīng)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(wěn)定，運動量控制準確，能實現(xiàn)精確可調(diào)，更有利于運動者對自身運動量的控制。
【參考文獻】
[1] 趙瑩瑩，余紅英，劉寅，樊.霍爾傳感器在氣動健身器材中的應用
[2] 林游，張俊杰，易凡．霍爾傳感器信號采集與顯示系統(tǒng)設計[J]．現(xiàn)代電子技術，2009，32(4)：191-194．
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）