基于霍尔传感器的穿戴式计步器设计

摘要：本文提出了一种全新的利用霍尔传感器磁控开关设计的计步器原理，不仅能够实现精确记录步行的步数，而且针对教师行业和骑行者的计步效果也比传统计步器更加精确.

关键词：霍尔传感器；穿戴式；计步器

作者简介：陈胤佳（2000-），男，北京人，在读高三学生.

1课题来源与构思

步行作为科学、安全、时尚的运动方式在国内外受到越来越多人群的青睐，计步器是一种日常生活锻炼有效而方便的监控器，可以计算人们行走的步数，估计行走的距离，实时监控自己健身强度和运动水平.目前市面上的计步工具有很多，如手环、手机计步APP等，这些计步工具在记录步数、计算人体耗能等方面做的比较精确.

但这些计步器在实际应用时也存在一些问题，比如每天在教室上课，有的老师佩戴手环计步数，但经常一节课下来手部抖动次数非常多，但实际并没有走多少步，导致计步器多计步数；在骑自行车出行时，骑行者上身基本保持静止，两脚在不断交替登车蹬时计步器并没有计步，导致少计步数.

为了解决常见计步器的这些问题，笔者思考一种新计步方式来解决这个问题.通过观察发现，人行走时双腿间的距离在发生周期性变化，由此可以通过距离的改变来设计计步器，如图1所示.联想到通用技术课上学过的霍尔传感器.霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器.霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（AHHall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的.霍尔传感器作为一种磁控开关，每当磁体靠近时，霍尔传感器控制的电路会瞬间导通；远离时断开.可以通过改变磁体与开关距离控制电路通断，如果人的双腿分别安装上磁铁和霍尔传感器控制的计数器，两条腿每交叉一次，腿间距减小，电路导通，电位由低变高，上升沿触发计数器加1；随着迈出下一步，两腿之间距离加大，电路断开，计数器的数保持不变.于是便有了计步器的初步构想，而且这种设计针对教师和骑行的人都可以记录步数.

2研究思路

本课题对霍尔传感器计步器的研究分为两个阶段.第一阶段的设计，重点是在研究霍尔传感器的原理记录步数的方案是否具有可行性，针对教师群体和骑行者来说计步器的精确度是否更高；第二阶段，使计步器在体积上设计的更加微型化，利用蓝牙技术且开发手机APP实现显示功能，使计步器的成本降低，在后期可以大规模生产.

21第一阶段对霍尔传感器计步器的设计分为硬件设计和软件设计

计步器的硬件设计分为三个模块，如图2所示.

211信号采集模块

信号的采集是通过两腿间距离的改变，当距离很近，电位发生改变，上升沿触发可以作为“一步”的“信号”传至下一个模块.

212信号处理模块

信号处理模块是整个设计的核心模块，笔者利用Arduno mega 2560作为电路板，通过信息处理不仅可以记录步数，还可以记录时间，如果输入步长还可以算出总路程和平均速度.与单片机功能相匹配的是控制板上设置四个按键，分别用于显示步长、步长+、步长-（调整步長）、开始/重置.电路图如图3所示[3-5].

213信息显示模块

第三个是显示模块，信息处理后的步数、时间、路程和平均速度可以通过液晶显示屏显示出来.计步器的软件设计环节主要包括软件的开发、测试和修改几个环节.流程图如图5所示.

在对软件进行测试的环节，发现由于系统存在误差，导致走一步有时候会显示2步或多步，需要对硬件的误差进行消抖处理，于是设置消抖时间为50ms时这类问题就解决了.最终的效果是走一步计步器就计数1次.计步器的计数思路如下：

A.步长按键：选用中断方式4，按下按键产生脉冲触发中断步长加1.

B.计算按键：选用中断方式1，按下按键产生脉冲触发中断，屏幕翻页，显示距离与速度.

C.步数：选用中断方式0，磁铁接近霍尔传感器产生脉冲触发中断，步数+1.

22性能测试

第一阶段计步器的设计是基于有线传输的计步器，这一阶段的主要任务是验证霍尔传感器实现计步原理的可行性，以下是对计步器样机的性能测试：

221穿戴

将磁体与霍尔传感器平行绑在两腿内侧（如图6、图7所示），测试时可手持控制板，便于读数和选择功能.图8为骑行测试过程.

222基本功能测试

计步功能测试：实验距离为500米，测试者步长为53cm，测量数据见表1所示.

由上表可知，针对教师上课，由于上课时教师要书写大量板书，手部抖动次数较多，手环计步器要比霍尔传感器计出的数据多很多，三次实验中相对误差分别为473%、517%和274%，本设计效果优于手环计步软件.

骑行计步功能测试：蹬自行车圈数为80圈，测量数据见表3所示.

通过表3的数据分析可知，在骑行时本设计的霍尔传感器计步器明显优于常见的手机和手环的计步效果，并且相对误差要小很多，计步的精确度远远高于普通计步器.

本设计的计步效果与之前预期的结果非常一致.可见利用霍尔传感器来实现计步的方案是可行的.也意味着第一阶段的工作顺利完成.

3蓝牙技术与手机APP的开发

蓝牙是一种短距通信系统，其关键特性包括鲁棒性、低功耗、低成本等.利用磁体与霍尔传感器之间距离的变化来实现计步的方案是可行的，但是样机体积过大，携带不便，于是确定了下一步的研究方向：将计步器与手机相连，通过蓝牙技术将计步器与手机联通，在手机上就可以看到步数，并且利用手机的GPS定位功能，实现时间的记录和平均速度的计算.本设计使用ESP32主控板（如图9），ESP32集成了24GHz WiFi和蓝牙双模块的单芯片方案，专为移动设备、可穿戴设备和物联网应用而设计.

效果说明：把传感器（如图10）靠近磁铁时，模块上的信号指示灯点亮；传感器远离磁铁时，模块上的信号指示灯熄灭（如图11所示）.

手机APP蓝牙操作说明

（1）寻找蓝牙设备（如图12所示）

（2）接收蓝牙数据

测试者启动计步器后，开始步行，定期手机上会显示出测试者所行走的步数（如图13），还可以选择清除记录和显示记录的功能.

（3）显示历史数据（包括时间，GPS位置和步数）

在手机上还可以显示测试的时间、步数、以及GPS定位的经纬度等（如图14）.

4小结

为了解决传统计步器对教师和骑行者计步不精确的问题，笔者提出利用霍尔传感器磁控开关的特点来设计计步的方案.经过可行性分析与性能测试，本方案不仅达到了传统计步器的计步功能，而且用于教师职业和骑行者的计步，精确度也非常高，这是传统计步器所不能达到的；为了使产品更加微型化，以适合于大规模生产，在后期利用蓝牙技术和手机APP与计步器结合，使计步器的携带更加方便，也降低了成本.