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，人們對合理精確的健身運(yùn)動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、自動化、高質(zhì)量和高精度的方向發(fā)展。在檢測技術(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)成的測控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[1]，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(yīng)的磁傳感器，它已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器[2]。利用它對磁場的靈敏度，將其應(yīng)用在氣動健身器材中，能準(zhǔn)確地測量出氣缸活塞的運(yùn)動位移和運(yùn)動次數(shù)，從而更準(zhǔn)確地控制運(yùn)動量。

普通的機(jī)械性健身器材雖然能直觀地顯示出運(yùn)動時的拉力,但若要更加精確地調(diào)整掌握運(yùn)動的力度則多有不足，尤其在對要求甚高的康復(fù)器械上更是如此。本文設(shè)計的氣動健身器材彌補(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(yùn)動者所需要的拉力，可以更準(zhǔn)確地控制運(yùn)動量而不會對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(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理后在液晶板上顯示出運(yùn)動次數(shù)與氣缸活塞大體位移。在單片機(jī)的控制下，檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計算，得出的運(yùn)動消耗熱量與運(yùn)動拉力值并通過USB接口上傳至PC，通過PC機(jī)的軟件開發(fā)可以對采集到的數(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

2.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器采用電磁式霍爾接近開關(guān)，這種開關(guān)能以細(xì)小的開關(guān)體積達(dá)到最大的檢測距離[3],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(guān)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)(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(diǎn))，所以,比較符合儀器的機(jī)械設(shè)計和安裝。但是缺點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)。所以,這些缺點(diǎn)都要在電路設(shè)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(yīng)來采集，當(dāng)電流通過導(dǎo)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[4]。開關(guān)類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，傳感器連續(xù)輸出5 V高電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過工作點(diǎn)Bop時，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，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(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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寄存采集。系統(tǒng)工作時，每個CD4021只能收取其中的8個開關(guān)量，單片機(jī)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(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)級來對數(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時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。相對52RC系列的單片機(jī)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16 kbyte，能夠更高效地傳輸數(shù)據(jù)，使整個系統(tǒng)更高效精確[6]。

2.4 氣缸動作行程測量流程

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)。器材使用者開始運(yùn)動帶動氣缸活塞運(yùn)動時，氣缸外側(cè)的傳感器電路板開始檢測小磁鐵的運(yùn)動位置，并相應(yīng)地輸出方波信號。所有的霍爾開關(guān)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(jī)的I/O端口進(jìn)行分析處理。單片機(jī)接收信號后，根據(jù)信號的跳變，實(shí)時地計算出相應(yīng)的拉力和運(yùn)動者消耗的熱量，同時，將計算結(jié)果通過USB傳給上位機(jī)并在器材上的液晶顯示板上實(shí)時地顯示出來。

3 軟件程序的設(shè)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?；魻杺鞲衅髟诖盆F未經(jīng)過的時候輸出為1，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(shè)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(guān)狀態(tài)最后串行到單片機(jī)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)也是以最高位為基準(zhǔn)進(jìn)行計數(shù)的。磁鐵在經(jīng)過霍爾傳感器時會同時導(dǎo)通多只霍爾傳感器，計數(shù)時取最高位的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(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的個數(shù)也將不斷變化，從而實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

電路測試時，通過電路設(shè)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(jī)中實(shí)時顯示出來，拉力和位移測量曲線如圖6所示。

4 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(yīng)原理對氣缸活塞動作行程進(jìn)行實(shí)時采集檢測，并用51單片機(jī)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，霍爾傳感器反應(yīng)靈敏，測量準(zhǔn)確,并且能直觀地顯示運(yùn)動情況。與機(jī)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(yùn)動量控制準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)，更有利于運(yùn)動者對自身運(yùn)動量的控制。

圖6 拉力與位移和時間的關(guān)系曲線

參考文獻(xiàn):

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[6]郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:2-12.