利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法与流程

本发明涉及一种步行计速方法，特别涉及一种利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法。

背景技术：

步行速度的测量在生产和生活中都有非常重要的意义；例如：在某些经济学理论中，行走速度指数是可以从一个侧面描述城市的经济发展水平或经济发展指数的，但目前对行走速度指数的测量都只是对平均速度的测量；人们在锻炼身体跑步或走路时，甚至在车船行进中往往有意愿想随时了解知道自己的行进速度，但商品化的健身器械或仪表只能给出步数、路程以及时间，这只能得到平均速度；即反映的是对应一段路程或时间段内的平均速度，不方便反应即时即刻的速度。

这样就非常有必要提供一种即时感应出运动速度的方法，即设计一种即时感应出运动速度的便携式仪器或仪表。目前汽车中使用的都是转轴传动式仪表，飞机中使用的是利用压力、温度传感的仪表，这些仪表难以改装成步行行走速度仪表，因此对步行行走速度仪表的设计不方便采用以上两类仪表的工作原理。据我们所知，目前还未见有关利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的专利与文献报道。

因此，提供一种设计合理、操作简单新颖、应用效果非常显著的利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法，是该领域技术人员当前亟待着手解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种设计合理、性能安全可靠、操作简便、应用效果非常显著的利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法，其特征在于该测量步行速度的方法具体实施步骤包括：

1、设置测量装置：

该测量装置的结构设为三个部分：

第一部分由指南针和高斯计，即霍尔器件电路系统组成；第二部分由切割磁力线的导体和测量感应电动势的电路系统组成；第三部分是stm32控制模块；

所述第一部分是为测量出行走方向与地磁场的夹角以及地磁场的磁感应强度，并把数据输入给stm32控制模块；其中利用不封闭圆形镍铬电阻丝轨道，在前进方向处为断点，在不封闭圆形镍铬电阻丝轨道两端加1.5伏电压，用毫伏表测量测出前进标志处与指南针位置间的电压大小u1，数据输入给stm32控制模块；另霍尔器件垂直于指南针连接，保证霍尔器件始终垂直于地磁场；霍尔器件中通过的电流由霍尔器件电路系统的电源3伏，提供测量电流，霍尔器件上产生的电流与电动势由毫安表与微伏表测量，从而给出电流i与电动势u大小并把数据输入给stm32控制模块；

所述第二部分中在垂直于前进方向固定导体，在行走时该导体切割地磁场的磁力线，产生动生感应电动势，通过动生感应电动势电路系统的毫安表或微伏表给出感应电动势u的大小，并把数据输入给stm32控制模块；

所述第三部分的stm32控制模块接收以上数据后通过内嵌的计算公式给出行走速度的大小，并输出到led显示屏上显示；

2、运用实验原理操作步骤：

本发明设计原理主要是利用霍尔效应和电磁感应现象的规律，即利用感应电动势或感应电流来测量速度；具体为：

（1）通过指南针指示出北方向，并给出前进方向，前进方向在表盘表面标出，行走时使标示方向与行走方向一致，与地磁场的磁力线方向（即北方向）之间的夹角（θ）；

（2）通过霍尔器件电路系统给出地磁场的大小（b）；

（3）通过动生感应电动势电路系统给出感应电动势的大小（u）；

（4）根据动生电动势及切割磁力线的导体尺寸（l）计算出移动速度（v）；

测量指南针与前进方向夹角公式为：

θ=240u1式1；

u1为前进标志处与指南针位置间的电压；

测量原理依据的理论公式为：当霍尔器件与磁场垂直时，

b=ud/i式2；

d为霍尔板尺寸（厚度），

u为霍尔电动势的大小，

i为霍尔器件中的电流强度；

当切割磁力线的导体（其上产生感应电动势）方向与磁场方向成夹角（θ）运动时有：

v=u/(blsinθ)式3；

v即为行走速度，

l为导体长度，

u为感应电动势。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中设置的步行速度测量装置是利用感应电动势或感应电流来测量速度；

（2）可测量得出即时速度；

（3）该测量装置可以单独制造为一个健身行走速度指示器，也可以与其它步数，路程，时间等指示器组装在一起，以给出更多的行走信息；该测量装置也可集成在手机中方便人们使用。

总之，本发明利用霍尔效应和电磁感应现象的规律来测量步行速度，其设计合理新颖、性能安全可靠、操作简便、应用效果非常显著；具有巨大的经济效益和重大的社会效益，且具有重要及广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明测量装置构成方框示意图；

图2本发明中指南针与前进方向夹角测量示意图；

图中：1前进方向，2指南针，31.5伏电池，4不封闭圆形镍铬电阻丝轨道，5铜导线，6接线柱。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、特征详述如下：

如图1、图2所示，一种利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法，该测量步行速度的方法具体实施步骤包括：

1、设置测量装置：

该测量装置的结构设为三个部分：

第一部分由指南针和高斯计，即霍尔器件电路系统组成；第二部分由切割磁力线的导体和测量感应电动势的电路系统组成；第三部分是stm32控制模块（市售）。

所述第一部分是为测量出行走方向与地磁场的夹角以及地磁场的磁感应强度，并把数据输入给stm32控制模块；其中利用不封闭圆形镍铬电阻丝轨道4，如图2所示，在前进方向1处为断点，在不封闭圆形镍铬电阻丝轨道4两端用铜导线5连接1.5伏电池3，用毫伏表测量测出前进方向1处与指南针2位置接线柱6间的电压大小u1，数据输入给stm32控制模块；另霍尔器件垂直于指南针2连接，保证霍尔器件始终垂直于地磁场；霍尔器件中通过的电流由霍尔器件电路系统的电源3伏，提供测量电流，霍尔器件上产生的电流与电动势由毫安表与微伏表测量，从而给出电流i与电动势u大小并把数据输入给stm32控制模块。

所述第二部分中在垂直于前进方向固定导体，在行走时该导体切割地磁场的磁力线，产生动生感应电动势，通过动生感应电动势电路系统的毫安表或微伏表给出感应电动势u的大小，并把数据输入给stm32控制模块。

所述第三部分stm32控制模块接收以上数据后通过内嵌的计算公式给出行走速度的大小，并输出到外部装置led显示屏上显示。

对物理量，在stm32控制模块进行配置，确定输入端；建立数学模型，利用c语言对模型在notepad进行编程；建立主函数，采集数据，在主函数中调用公式函数；对公式θ=240u1，b=ud/i及v=u/(blsinθ)进行编程（式r是测量电流的电阻值，d和l是常量，i代表测得的电流，v是最终输出），公式中电流转换成电压，adc1转换的电压值通过mda方式传到sram，保存采集到的变量值；将采集到的4个电压值作为变量代入到函数中，调用公式实现功能，在公式函数中完成计算，根据公式输出结果。

该测量装置能够单独制造为一个健身行走速度指示器，或与其它步数、路程、时间等指示器组装在一起，以给出更多的行走信息；该装置还可集成在手机中方便人们的使用。

2、运用实验原理操作步骤：本发明设计原理主要是利用霍尔效应和电磁感应现象的规律，即利用感应电动势或感应电流来测量速度；具体为：

（1）通过指南针指示出北方向，并给出前进方向（前进方向在表盘表面标出，行走时使标示方向与行走方向一致）与地磁场的磁力线方向（即北方向）之间的夹角（θ）；

（2）通过霍尔器件电路系统给出地磁场的大小（b）；

（3）通过动生感应电动势电路系统给出感应电动势的大小（u）；

（4）根据动生电动势及切割磁力线的导体尺寸（l）计算出移动速度（v）；该设计的缺陷是不能给出沿地磁场方向（接近正南北方向）移动的速度；

测量指南针与前进方向夹角公式为：

θ=240u1式1；

测量原理依据的理论公式为：当霍尔器件与磁场垂直时有

b=ud/i式2；

d为霍尔板尺寸（厚度），

u为霍尔电动势的大小，

i为霍尔器件中的电流强度；

当切割磁力线的导体（其上产生感应电动势）方向与磁场方向成夹角θ运动时有：

v=u/(blsinθ)式3；

v即为行走速度，

l为导体长度，

u为感应电动势。

本发明的设计原理是：本发明提供了一种利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法，即本发明主要是利用感应电动势或感应电流来测量步行速度。

具体为：

（1）通过指南针指示出北方向，并给出前进方向（前进方向在表盘表面标出，行走时使标示方向与行走方向一致）与地磁场的磁力线方向（即北方向）之间的夹角（θ），这个夹角就是由指南针的方向与前进方向的夹角；

测量指南针与前进方向夹角公式为：

θ=240u1式1；

（2）霍尔器件垂直于指南针连接，通过霍尔器件电路系统的毫安表或毫伏表给出地磁场的大小（b）；测量原理依据的理论公式为：当霍尔器件与磁场垂直时有：

b=ud/i式2；

式中：d为霍尔板尺寸（厚度），u为霍尔电动势的大小，i为霍尔器件中的电流强度。

（3）在垂直于前进方向固定导体，在行走时该导体切割地磁场的磁力线，产生动生感应电动势，通过动生感应电动势电路系统的毫安表或微伏表给出感应电动势的大小（u）。

（4）根据动生电动势及切割磁力线的导体尺寸（l）计算出移动速度（v）；该设计的缺陷是不能给出沿地磁场方向（接近正南北方向）移动的速度；

具体为：当切割磁力线的导体（其上产生感应电动势）方向与磁场方向成夹角（θ）运动时有：

v=u/(blsinθ)式3；

式中：v即为行走速度，l为导体长度，u为感应电动势。

具体应用实例：人沿西北方向行走，当测出前进标志处与指南针位置接线柱间的电压u1是3/16伏，则有前进方向与正北方（地磁场方向）成夹角θ为45°；当霍尔板厚度d是0.005米，霍尔器件中的电流强度i为0.02安，霍尔器件中产生的霍尔电动势u为0.00016伏，则地磁场的b是0.00004特；若人行走时切割磁力线的导体产生的动生感应电动势u为0.0004伏，导体长度l为0.02米，则最后计算可得v是0.7米/秒，即人行走的速度为0.7米/秒。

上述参照实施例对该利用霍尔效应和电磁感应规律测量步行速度的方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。