基于無線傳輸的大量程霍爾電流傳感器設計

陳婧瑤，孫明明，鄒新敏，田 躍

（北京科技大學數理學院，北京 100083）

0 引言

19世紀末，美國物理學家愛德華·霍爾發現了霍爾效應，揭示了垂直方向的電流與磁場之間的相互作用［1］。到了20世紀中期使用霍爾傳感器進行電流檢測已經成為工業上常用的方法。目前檢測電流的手段多種多樣，主要是使用了電流傳感器，其中霍爾傳感器由于其測量范圍廣、精度高等特點，使其在工業控制、汽車電子、軍事及航空航天等科學領域獲得了廣泛的認可。隨著微電子、計算機和網絡技術的發展，傳感器技術正向著微型化、智能化、網絡化、集成化的方向發展［2，3］。傳統的傳感器結構簡單，無法克服溫度漂移、線性度不高、電磁干擾的問題。隨著物聯網技術的發展，對傳感器節點的無線傳輸功能要求越來越高。

本文提出了一種電流傳感器的設計，實現了包括無線傳輸在內的多種傳輸功能，具有測量精度高、測量范圍大、實用性強以及抗干擾能力強的特點。

1 系統硬件設計

智能傳感器硬件電路設計主要包括電路設計和屏蔽層設計。其中電路設計包括電源電路、霍爾芯片電路、單片機系統電路、溫度采集電路、RS—485輸出電路、CAN總線輸出電路、無線傳輸電路設計;屏蔽層設計包括屏蔽層選材和尺寸設計。

1.1 電路設計

系統硬件電路設計框圖如圖1所示。

系統電源電路選擇2個LM780X系列芯片和1個AS1117芯片進行穩壓降壓，將輸入電壓由24 V降至5，3.3 V，分別為敏感芯片和單片機供電。系統傳感器電路選擇MLX系列的CMOS差動磁路霍爾傳感器將檢測到的電流信號傳輸給單片機。其中MLX 系列芯片本身含有高能磁敏元件，通過對磁感應強度B的計算，得到與之對應的電壓U，從而得出輸出電壓U與被測電流I之間的關系。同時該電路具備可編程功能，可以進行初級的線性度調整和溫度補償。

系統單片機電路部分選擇STM32［4］系列單片機，該款單片機具有自帶12位D/A轉換功能，為工業標準模擬量輸出4～20 mA和±10 V提供了條件;同時帶有RS—485/CAN/無線通信功能，經過單片機處理后的輸出信號通過對應管腳輸出到MAX485芯片、PCA82C251芯片、NRF24L01芯片［5］，實現 RS—485 傳輸、CAN 總線傳輸和無線傳輸功能。

圖1 系統硬件電路圖Fig 1 Diagram of system hardware circuit

1.2 磁路與屏蔽設計

屏蔽是一種放置在設備周圍的籠型裝置，目的是通過隔離使設備遠離外部干擾源的影響。屏蔽層的作用是集中需要采集的有用信號，并減少對電流檢測有影響的干擾信號。在設計時，需要考慮磁性材料的磁屏蔽系數、飽和度和滯后性，應該選用具有高磁導率的軟磁性材料。

典型鐵磁性軟磁材料的化學成分如表1所示。

表1 鐵磁材料化學成分Tab 1 Chemical composition of ferromagnetic material

不同磁性材料的直流特性如表2所示。

表2 不同磁性材料的直流特性Tab 2 DC characteristics of different magnetic materials

Ni的含量越低，飽和度越高;Ni含量越高，滯后性越低;因此，為了實現低滯后性，80%的Ni合金效果最好，為了達到高飽和度，36%的Ni合金效果最好。

本設計通過對比選擇了坡莫合金作為磁屏蔽材料，坡莫合金做為一種Fe，Ni合金材料，其Ni含量在35%～90%之間，其最大優勢在于具有很高的弱磁場導磁率，飽和磁感應強度在0.6～1.0 T之間，非常適合用作磁屏蔽材料。

不同的磁屏蔽尺寸將影響到磁屏蔽系數、磁增益和磁飽和度。如圖2所示，磁屏蔽材料的厚度t、高度h、寬度w和長度l都有比較理想的計算尺寸。

圖2 磁屏蔽材料尺寸圖Fig 2 Dimensions of magnetic shielding material

寬度w與磁屏蔽系數和磁增益呈反比，因此，應該選擇越窄越好;長度l與磁屏蔽系數有關系，一般越長越好，最合適的長度為芯片長度以8 mm為宜，因為當l繼續增長時，磁屏蔽系數將不再繼續變化;高度h與磁屏蔽系數和磁增益有關，一般推薦高度為10 mm，當超過15 mm的時候磁屏蔽系數就不再繼續變化;厚度t一般與磁飽和度有關系，當t越厚，屏蔽效果越好，一般應不低于0.8 mm，但當超過2 mm時，將不再產生影響。本設計屏蔽層如圖3所示。

圖3 系統磁屏蔽層Fig 3 Magnetic shielding layer of system

2 系統軟件設計

主程序流程圖如圖4所示，系統完成初始化之后，調用數據采集與數字濾波模塊，采集電流和溫度信號并進行濾波;將信號轉換為十進制，并進行線性化處理;使用公式對數據進行處理和轉換，完成基于最小二乘法［6，7］的溫度特性研究與補償，根據不同需求進行輸出。

圖4 主程序流程圖Fig 4 Flow chart of main program

3 實驗結果與分析

使用TDK可編程大電流源GEN—750作為被測電流源，測試數據如表3。

表3 測試數據Tab 3 Test datas

進行CAN總線傳輸測試結果見表4。

表4 CAN總線實驗結果Tab 4 Experimental results of CAN bus

進行無線輸出模式測試如表5。

表5 無線通信測試數據Tab 5 Test datas of wireless communication

實驗結果表明:本設計完成了大電流檢測功能，達到了預期的精度要求，同時實現了智能化多通道傳輸功能。在空曠的室外，能夠達到40～50 m的通信距離;在20 m2的實驗室內，可達到良好通信。

4 結束語

本文介紹了一種基于無線傳輸的大電流霍爾傳感器軟硬件設計，實現了大電流檢測功能，完成了基于最小二乘法的溫度特性研究與補償，添加了磁屏蔽層，測試精度達到了預期效果。完成了信號標準化，實現了與工業CAN總線協議傳輸功能，同時具備了短距離無線傳輸功能，使工業環境要求較高（高溫、高壓、野外、高空）情況中電流檢測得以實現，實現了智能化傳感器設計的目的。

［1］劉暢生，寇明珠，鐘 龍.霍爾傳感器實用手冊［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［2］谷有臣，孔 英.傳感器技術的發展和趨勢綜述［J］.物理實驗，2002，22（12）:40-42.

［3］于海斌.智能無線傳感器網絡系統［M］.北京:科學出版社，2006.

［4］劉火良，楊 森.STM32庫開發實戰指南［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［5］劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸［J］.應用科技，2008，35（3）:55-56.

［6］張艷鋒，嚴家明.基于最小二乘法的壓力傳感器溫度補償算法［J］.計算機測量與控制，2007，15（12）:1870-1871，1874.

［7］Ji-Won K，Seok-Hwan M，Ji-Young L，et al.On-line compensation method for magnetic position sensor using recursive least square method［J］.Trans Korean Inst Electr Eng，2012，60（12）:2246-2253.