基于无线传输的大量程霍尔电流传感器设计

陈婧瑶，孙明明，邹新敏，田 跃

（北京科技大学数理学院，北京 100083）

0 引言

19世纪末，美国物理学家爱德华·霍尔发现了霍尔效应，揭示了垂直方向的电流与磁场之间的相互作用［1］。到了20世纪中期使用霍尔传感器进行电流检测已经成为工业上常用的方法。目前检测电流的手段多种多样，主要是使用了电流传感器，其中霍尔传感器由于其测量范围广、精度高等特点，使其在工业控制、汽车电子、军事及航空航天等科学领域获得了广泛的认可。随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展［2，3］。传统的传感器结构简单，无法克服温度漂移、线性度不高、电磁干扰的问题。随着物联网技术的发展，对传感器节点的无线传输功能要求越来越高。

本文提出了一种电流传感器的设计，实现了包括无线传输在内的多种传输功能，具有测量精度高、测量范围大、实用性强以及抗干扰能力强的特点。

1 系统硬件设计

智能传感器硬件电路设计主要包括电路设计和屏蔽层设计。其中电路设计包括电源电路、霍尔芯片电路、单片机系统电路、温度采集电路、RS—485输出电路、CAN总线输出电路、无线传输电路设计;屏蔽层设计包括屏蔽层选材和尺寸设计。

1.1 电路设计

系统硬件电路设计框图如图1所示。

系统电源电路选择2个LM780X系列芯片和1个AS1117芯片进行稳压降压，将输入电压由24 V降至5，3.3 V，分别为敏感芯片和单片机供电。系统传感器电路选择MLX系列的CMOS差动磁路霍尔传感器将检测到的电流信号传输给单片机。其中MLX 系列芯片本身含有高能磁敏元件，通过对磁感应强度B的计算，得到与之对应的电压U，从而得出输出电压U与被测电流I之间的关系。同时该电路具备可编程功能，可以进行初级的线性度调整和温度补偿。

系统单片机电路部分选择STM32［4］系列单片机，该款单片机具有自带12位D/A转换功能，为工业标准模拟量输出4～20 mA和±10 V提供了条件;同时带有RS—485/CAN/无线通信功能，经过单片机处理后的输出信号通过对应管脚输出到MAX485芯片、PCA82C251芯片、NRF24L01芯片［5］，实现 RS—485 传输、CAN 总线传输和无线传输功能。

图1 系统硬件电路图Fig 1 Diagram of system hardware circuit

1.2 磁路与屏蔽设计

屏蔽是一种放置在设备周围的笼型装置，目的是通过隔离使设备远离外部干扰源的影响。屏蔽层的作用是集中需要采集的有用信号，并减少对电流检测有影响的干扰信号。在设计时，需要考虑磁性材料的磁屏蔽系数、饱和度和滞后性，应该选用具有高磁导率的软磁性材料。

典型铁磁性软磁材料的化学成分如表1所示。

表1 铁磁材料化学成分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，饱和度越高;Ni含量越高，滞后性越低;因此，为了实现低滞后性，80%的Ni合金效果最好，为了达到高饱和度，36%的Ni合金效果最好。

本设计通过对比选择了坡莫合金作为磁屏蔽材料，坡莫合金做为一种Fe，Ni合金材料，其Ni含量在35%～90%之间，其最大优势在于具有很高的弱磁场导磁率，饱和磁感应强度在0.6～1.0 T之间，非常适合用作磁屏蔽材料。

不同的磁屏蔽尺寸将影响到磁屏蔽系数、磁增益和磁饱和度。如图2所示，磁屏蔽材料的厚度t、高度h、宽度w和长度l都有比较理想的计算尺寸。

图2 磁屏蔽材料尺寸图Fig 2 Dimensions of magnetic shielding material

宽度w与磁屏蔽系数和磁增益呈反比，因此，应该选择越窄越好;长度l与磁屏蔽系数有关系，一般越长越好，最合适的长度为芯片长度以8 mm为宜，因为当l继续增长时，磁屏蔽系数将不再继续变化;高度h与磁屏蔽系数和磁增益有关，一般推荐高度为10 mm，当超过15 mm的时候磁屏蔽系数就不再继续变化;厚度t一般与磁饱和度有关系，当t越厚，屏蔽效果越好，一般应不低于0.8 mm，但当超过2 mm时，将不再产生影响。本设计屏蔽层如图3所示。

图3 系统磁屏蔽层Fig 3 Magnetic shielding layer of system

2 系统软件设计

主程序流程图如图4所示，系统完成初始化之后，调用数据采集与数字滤波模块，采集电流和温度信号并进行滤波;将信号转换为十进制，并进行线性化处理;使用公式对数据进行处理和转换，完成基于最小二乘法［6，7］的温度特性研究与补偿，根据不同需求进行输出。

图4 主程序流程图Fig 4 Flow chart of main program

3 实验结果与分析

使用TDK可编程大电流源GEN—750作为被测电流源，测试数据如表3。

表3 测试数据Tab 3 Test datas

进行CAN总线传输测试结果见表4。

表4 CAN总线实验结果Tab 4 Experimental results of CAN bus

进行无线输出模式测试如表5。

表5 无线通信测试数据Tab 5 Test datas of wireless communication

实验结果表明:本设计完成了大电流检测功能，达到了预期的精度要求，同时实现了智能化多通道传输功能。在空旷的室外，能够达到40～50 m的通信距离;在20 m2的实验室内，可达到良好通信。

4 结束语

本文介绍了一种基于无线传输的大电流霍尔传感器软硬件设计，实现了大电流检测功能，完成了基于最小二乘法的温度特性研究与补偿，添加了磁屏蔽层，测试精度达到了预期效果。完成了信号标准化，实现了与工业CAN总线协议传输功能，同时具备了短距离无线传输功能，使工业环境要求较高（高温、高压、野外、高空）情况中电流检测得以实现，实现了智能化传感器设计的目的。

［1］刘畅生，寇明珠，钟 龙.霍尔传感器实用手册［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［2］谷有臣，孔 英.传感器技术的发展和趋势综述［J］.物理实验，2002，22（12）:40-42.

［3］于海斌.智能无线传感器网络系统［M］.北京:科学出版社，2006.

［4］刘火良，杨 森.STM32库开发实战指南［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［5］刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输［J］.应用科技，2008，35（3）:55-56.

［6］张艳锋，严家明.基于最小二乘法的压力传感器温度补偿算法［J］.计算机测量与控制，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.