一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，所述霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)包括零磁通式霍爾傳感器電路、單片機(jī)、放大電路、模擬信號輸出電路及驅(qū)動電路；所述單片機(jī)包括內(nèi)置溫度傳感器、第一D/A接口、第二D/A接口及8路A/D接口；單片機(jī)通過內(nèi)置溫度傳感器采集工作環(huán)境溫度；所述單片機(jī)通過內(nèi)置第一D/A接口與驅(qū)動電路連接，所述模擬信號輸出電路分別通過單片機(jī)的內(nèi)置第二D/A接口和第二路A/D接口與單片機(jī)相連接。所述霍爾傳感系統(tǒng)大量降低了現(xiàn)有技術(shù)的高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)存在非線性誤差、環(huán)境磁場干擾和剩磁誤差導(dǎo)致測量精度低及線性誤差大，并且由于使用了較低轉(zhuǎn)換精度的A/D接口的單片機(jī)，所以成本較低。
【專利說明】一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電流采樣領(lǐng)域，特別涉及一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前市場上霍爾電流傳感器大多是模擬傳感器，霍爾數(shù)字傳感器在市場中少見且售價一般都比較高，常見模擬電流霍爾傳感器有兩種，一種是直放式，還有一種是零磁通式；模擬電流霍爾傳感器存在諸多影響電流測量精度的因素——零點熱噪聲、溫度漂移、霍爾元件的非線性誤差、環(huán)境磁場干擾和剩磁誤差(零磁通式模擬電流霍爾傳感器有較小的剩磁誤差)等，這些因素致使目前模擬電流霍爾傳感器的精度大多在1%左右，線性誤差大多在1%。左右。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，大量降低了現(xiàn)有技術(shù)的高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)存在非線性誤差、環(huán)境磁場干擾和剩磁誤差導(dǎo)致測量精度低及線性誤差大。
[0004]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)發(fā)明目的，本實用新型公開了一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，所述霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)包括零磁通式霍爾傳感器電路、單片機(jī)、放大電路、模擬信號輸出電路及驅(qū)動電路；所述單片機(jī)包括內(nèi)置溫度傳感器、第一 D/A接口、第二 D/A接口及8路A/D接口 ；單片機(jī)通過內(nèi)置溫度傳感器采集工作環(huán)境溫度；所述單片機(jī)通過單片機(jī)的第一 D/A接口與驅(qū)動電路連接，所述驅(qū)動電路與零磁通式霍爾傳感器的磁芯連接，零磁通式霍爾傳感器的霍爾器件通過放大電路與單片機(jī)的第一路A/D接口相連接，所述模擬信號輸出電路分別通過單片機(jī)的第二 D/A接口和第二路A/D接口與單片機(jī)相連接。
[0005]作為優(yōu)選，所述零磁通式霍爾傳感器的霍爾器件經(jīng)過放大電路后由第一路A/D接口連接至單片機(jī)，單片機(jī)的第一 D/A接口經(jīng)過驅(qū)動電路連接零磁通式霍爾傳感器的線圈；單片機(jī)的第二 D/A接口連接模擬信號輸出電路，模擬信號輸出電路的反饋端經(jīng)過第二路A/D接口連接至單片機(jī)。
[0006]作為優(yōu)選,所述模擬信號輸出電路為模擬電壓輸出電路或模擬電流輸出電路。
[0007]作為優(yōu)選，為了使得所述傳感系統(tǒng)成本較低且測量精度較高，所述單片機(jī)的A/D接口米用12bit米樣精度。
[0008]有益效果:本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述霍爾傳感系統(tǒng)大量降低了現(xiàn)有技術(shù)的高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)存在非線性誤差、環(huán)境磁場干擾和剩磁誤差導(dǎo)致測量精度低及線性誤差大，并且由于使用了較低轉(zhuǎn)換精度的A/D接口的單片機(jī)，所以成本較低；所述基于該霍爾傳感系統(tǒng)的電流測量方法通過粗量和精量兩個步驟使得所測電流值誤差大大降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合實施實例對本實用新型作更進(jìn)一步的說明。
[0011]如圖1所示，零磁通式霍爾傳感器電路1包括卷有線圈的磁芯11及霍爾器件12，單片機(jī)2采用MSP430系列中的MSP430F169型單片機(jī)，單片機(jī)2包括一個8路12bit的A/D接口 22、12bit的第一 D/A接口 23和12bit的第二 D/A接口 21、內(nèi)置溫度傳感器(圖中未示出)及內(nèi)置I2C接口和內(nèi)置UART接口 ；單片機(jī)2通過第二 D/A接口 21產(chǎn)生輸出可調(diào)模擬電壓供給0?4V模擬信號輸出電路或4?20mA模擬電流輸出電路，同時(T4V模擬信號輸出電路或Γ20πιΑ模擬電流輸出電路產(chǎn)生反饋模擬電壓或反饋模擬電流輸入通過A/D接口 22輸入至單片機(jī)2中；單片機(jī)2通過第一 D/A接口 23驅(qū)動外部驅(qū)動電路，驅(qū)動電路產(chǎn)生相應(yīng)抑制電流作用于建立磁芯11的線圈上產(chǎn)生反向磁場。
[0012]基于如圖1所示系統(tǒng)，首先將A/D接口 22初始化，包括設(shè)置參考模擬電壓為1.5V、設(shè)置采用時鐘源和采樣方式；將第一 D/A接口 23和第二 D/A接口 21初始化，包括設(shè)置參考模擬電壓為1.5V、設(shè)置轉(zhuǎn)換位數(shù)為12bit ;其余I2C接口和UART接口可以按需進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。
[0013]接著進(jìn)行系統(tǒng)空載調(diào)零過程。單片機(jī)2通過第一 D/A接口 23驅(qū)動外部驅(qū)動電路，驅(qū)動電路產(chǎn)生相應(yīng)抑制電流作用于磁芯11的線圈上產(chǎn)生反向磁場，從而抑制環(huán)境磁場干擾和霍爾電路的零點電壓，使得系統(tǒng)在空載時測量電壓歸零；系統(tǒng)空載調(diào)零過程采用數(shù)字PID算法，通過重復(fù)的逼近過程從而使零點電壓在限定數(shù)值之內(nèi)。
[0014]然后采用二元函數(shù)的非線性理合算法進(jìn)行二元函數(shù)的推解，將單片機(jī)2通過溫度傳感器讀入的溫度值和霍爾器件12的電壓值，將整個測量范圍從空載到最大值60A，每隔5A做一次采集，共做13次，并且每次采集記錄21個溫度值(_20°C?80°C，每隔5°C做一次采集)和21個測量電壓值，最后將數(shù)據(jù)帶入非線性理合算法，最終計算出一個二元函數(shù)各階系數(shù)，并將該二元函數(shù)的各階系數(shù)存儲到單片機(jī)2的存儲器中。
[0015]這樣就進(jìn)入測量過程，測量過程包括粗量過程和精量過程。粗量過程中將測量霍爾輸出電壓U和當(dāng)前溫度值C。粗量過程中霍爾器件12的工作電壓為0.5V，其測量精度為lmV/A，其在60A下輸出為60mV，A/D接口 22的參考模擬電壓為1.5V，將此時放大電路的放大倍數(shù)設(shè)為20倍，由于A/D接口 22采用12bit的轉(zhuǎn)換精度，則測量精度Δ = Δ=1.5/4095 ^ 0.4mV,另有l(wèi)mV/A*0.4mV/20=0.02A,則本系統(tǒng)的最小粗量電流精度為
0.02A。有0.02A/60A?3%。，則系統(tǒng)的粗量電流精度為3%0。進(jìn)入精量過程，假設(shè)粗量過程中得到的粗量值為U，調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)為1000倍，由于原系統(tǒng)Λ =0.4mV，也就是說，小于Λ的模擬電壓將不被量化，提高精度的關(guān)鍵在于二次量化小于Λ的模擬電壓(設(shè)該電壓為Λ測)，建設(shè)反饋回路磁鋼上建立逆向磁場抵消的電壓為U '，則UpU-U'?？梢哉{(diào)整輸出電壓U’使得，UplOOOX ( Λ測+nX0.4mV)，其中η是的整數(shù)且0彡η彡2，則有Λ測= (U1/1000)%0.4mV，最后測量值為U精=U+ Λ測，最后U精和C帶入二元函數(shù)中計算電流I的值即可。Λ測的精度既為整個系統(tǒng)的精度，有Λ =0.4mV，則有Λ測0.4mV/1000=0.4uV，則系統(tǒng)在20°C標(biāo)準(zhǔn)溫度下精度測量的最小電流精度為lmV/A*0.4uV=0.0004A，則系統(tǒng)的精度測量電流精度為 ο.0004A/60A=0.7/100000。
[0016]最后根據(jù)電流精測值I精和第二路A/D接口獲得的當(dāng)前(Γ4模擬信號輸出電路的輸出電壓Uo，通過數(shù)字PID算法調(diào)整第二路A/D接口的輸出電壓，使得輸出電壓穩(wěn)定在4X (I精/60)上(若使用Γ20πιΑ模擬電流輸出電路亦如上法進(jìn)行調(diào)整)。另外將I精裝入I2C和UART等數(shù)字端口的發(fā)送寄存器中，發(fā)送到上位機(jī)上。
[0017]對所公開的上述實施例的說明，使本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或者使用本實用新型，對上述實施例的修改隊本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其他實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型不限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)包括零磁通式霍爾傳感器電路、單片機(jī)、放大電路、模擬信號輸出電路及驅(qū)動電路；所述單片機(jī)包括內(nèi)置溫度傳感器、第一 D/A接口、第二 D/A接口及8路A/D接口 ；單片機(jī)通過內(nèi)置溫度傳感器采集工作環(huán)境溫度；所述單片機(jī)通過內(nèi)置第一 D/A接口與驅(qū)動電路連接，所述驅(qū)動電路與零磁通式霍爾傳感器的磁芯連接，零磁通式霍爾傳感器的霍爾器件通過可調(diào)放大電路與單片機(jī)內(nèi)置的第一路A/D接口相連接，所述模擬信號輸出電路分別通過單片機(jī)的第二D/A接口和第二路A/D接口與單片機(jī)相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述零磁通式霍爾傳感器的霍爾器件經(jīng)過放大電路后由第一路A/D接口連接至單片機(jī)，單片機(jī)的第一D/A接口經(jīng)過驅(qū)動電路連接零磁通式霍爾傳感器的線圈；單片機(jī)的第二 D/A接口連接模擬信號輸出電路，模擬信號輸出電路的反饋端經(jīng)過第二路A/D接口連接至單片機(jī)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬信號輸出電路為模擬電壓輸出電路或模擬電流輸出電路。
4.如權(quán)利要求3所述的高精度直流電流霍爾數(shù)字傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)的A/D接口采用12bit采樣精度。
【文檔編號】G01R19/25GK204044237SQ201420347595
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】井輝, 劉力, 孫海艦, 張奕, 周剛, 林曉冬, 張月 申請人:南京城市職業(yè)學(xué)院