CN114325535A - 一种直流电流传感器温度采样方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电流传感器温度采样方法，所述方法包括ADC采样模块和数字电位器赋值模块，利用控制芯片、温度传感器采样电路进行温度采样及补偿，所述ADC采样模块包含温度校准模块和ADC采集模块，所述温度校准模块包括温度校准点值、串口调试标志位、PWM数值、I2C数值，所述ADC采集模块设有温度矩阵[n]和校准值。本发明利用温度校准模块能将采集的温度值写入补偿数据；分析写入控制芯片的EEPROM中的各个温度下的数字信号补偿值，对传感器进行温度补偿和零点补偿。

Description

一种直流电流传感器温度采样方法

技术领域

本发明属于电能表制造技术领域，具体涉及一种直流电流传感器温度采样方法。

背景技术

电流传感器在实际应用过程中，随着环境温度的变化，传感器的测量结果会受到不同程度的影响，这就对一些高精度、高稳定性的传感器的研发和应用造成困难，尤其传感器作为计量元器件使用于直流电能表时，要接受电能表-40℃到85℃的工作温度要求，温度区间跨度较大，温度上升或下降导致传感器输出的变化会超出电能表计量精度的要求。另一方面传感器的零点输出也是影响传感器精度重要因素；

目前传感器校准方式多采用两只电位器粗调与细调的方式，该方式受限于电位器的精度，补偿精度不够，且不适合长时间的使用；另一种方式是在传感器元器件选型时，多选用温度系数较优的元器件，从源头方面降低温度对测试结果的影响，效果明显但是传感器成本随之大幅增加，不适合批量应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种直流电流传感器温度采样方法，采用单片机控制补偿电路，能够利用DC采样模块和数字电位器赋值模块进行采集，对不同温度下的输出进行校准。

本发明的技术方案为：一种直流电流传感器温度采样方法，所述方法包括ADC采样模块和数字电位器赋值模块，利用控制芯片、温度传感器采样电路进行温度采样及补偿，所述ADC采样模块包含温度校准模块和ADC采集模块，所述温度校准模块包括温度校准点值、串口调试标志位、PWM数值、I2C数值，所述ADC采集模块设有温度矩阵[n]和校准值，所述校准值包括AD采样值、NTC电压数值、NTC温度值，n为正整数。

所述的ADC采样模块的步骤为：

第一步：设定所述ADC采集模块的所述参数，温度校准个数为k，k为正整数；

第二步：如果所述温度校准点值等于1，则所述串口调试标志位等于0、所述PWM数值写入所述RAM芯片、所述I2C数值写入所述RAM芯片，转第六步；否则，转第三步；

第三步：所述NTC电压数值等于所述AD采样值，如果所述AD采样值不等于所述NTC温度值，则设定所述AD采样值等于所述NTC温度值，转第四步；

第四步：如果所述NTC温度值小于所述温度矩阵[0]+1，则各所述校准值保持不变，转第五步；如果所述NTC温度值大于所述温度矩阵[k-1]，则所述校准值等于所述温度矩阵[k-1]，转第五步；否则，PWM数值写入所述RAM芯片、I2C数值写入所述RAM芯片，转第五步；

第五步：所述串口调试标志位等于0；

第六步：结束。

所述的数字电位器赋值模块包括电位器、I2C_SCL值、I2C_SDA值，所述的数字电位器赋值模块的步骤为:

第一步：设定所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值，判断所述I2C_SCL值是否等于0，如果是，则延时读取，所述I2C值重叠，发送设定的所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值，转第三步；否则，延时读取，转第二步；

第二步：判断所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值是否等于0，如果两者都等于0，则从所述电位器读参数，转第三步；否则，赋值所述I2C_SCL值等于1，转第三步；

第三步：设置所述I2C_SDA值等于1；

第四步：结束。

硬件结构包括电磁感应模块、控制芯片10、温度传感器采样电路、控制芯片辅助电路9、输出补偿电路。所述的电磁感应模块包含一个圆形有一缺口的磁芯，所述磁芯表面环绕有线圈，所述线圈设有线圈接口一和线圈接口二，所述线圈接口一和所述线圈接口二分别连接到所述控制芯片辅助电路，在所述缺口处放置一个方形且有两个输出口的磁传感器，所述磁传感器通过所述输出口与运算放大器的两端相连；所述的温度传感器采样电路包含一个温敏电阻和一个分压电阻，所述温敏电阻一端接地另一端接控制芯片，所述分压电阻一端连接电源，其另一端连接所述控制芯片；所述的控制芯片辅助电路通过信号线连接到所述控制芯片上,所述控制芯片上设有两个接口，所述接口分别连接电源和接地，所述控制芯片还包含串口和两个外部通讯接口；所述控制芯片通过两个所述外部通讯接口与一个外部设备相连接，所述的控制芯片通过信号线连有一个数字电位器，所述控制芯片与所述数字电位器的通讯协议为I2C协议，所述12C协议内设有协议变量、和温度变量，所述的控制芯片辅助电路设有温敏电阻，所述温敏电阻感受的温度与幅值通过一个UART通讯方式与所述控制芯片进行校准功能通讯；

所述的输出补偿电路包含运算放大器、电阻一、电阻二，所述运算放大器设有反向输入端、同向输入端和输出端口，所述反向输入端和所述同向输入端分别通过电阻一、电阻二依次与所述磁传感器的两个内部端口相连，所述输出端口连接所述控制芯片辅助电路，与所述同向输入端连接的所述磁传感器的输出端通过所述控制芯片辅助电路与控制芯片相连；

优选的，所述控制芯片采用MS83F0802B芯片，所述控制芯片设有Eeprom芯片和RAM芯片；

优选的，所述的温敏电阻采用NTC3470K、分压电阻采用MCP4017；

本发明的有益效果：

1）本发明所述ADC采样模块对数据进行采样，通过采样数据对采集的数据进行温度补偿和零点补偿；

2）本发明通过ADC采集模块采集后，使电脑将不同温度下的补偿数值写入控制芯片的EEPROM中，达到断电保存，得电即工作的目的；

3）本发明利用温度校准模块能将采集的温度值写入补偿数据；分析写入控制芯片的EEPROM中的各个温度下的数字信号补偿值，对传感器进行温度补偿和零点补偿。

附图说明：

图1为本发明的主要结构示意图；

图2为控制芯片数据处理功能图；

图3为主程序控制逻辑图；

图4为本发明零点校准算法框图；

图5为ADC采样模块框图；

图6为数字电位器赋值框图。

图中，1、线圈；2、磁芯；3、磁传感器；4、电阻一；5、电阻二；6、运算放大器；7、温敏电阻；8、分压电阻；9、控制芯片辅助电路；10、控制芯片；11、外部通讯接口二。12、线圈接口一；13、运算放大器的输出接口；14、线圈接口二；15、连接电源接口；16、外部通讯接口一。

具体实施方式

如图1-6所示，所述的温度采样及补偿方法所涉及的硬件结构包括电磁感应模块、控制芯片10、温度传感器采样电路、控制芯片辅助电路9、输出补偿电路。所述电磁感应模块包含一个圆形有一缺口磁芯2，所述的磁芯2表面绕制线圈3，所述的线圈3设有线圈接口一12和线圈接口二14，所束缚线圈接口一12和线圈接口二14连接到所述控制芯片辅助电路9，线圈3两端引出后接到控制芯片辅助电路作为电磁感应的反馈信号，在所述的缺口处放置一个方形且有两个输出口的磁传感器3，所述的磁传感器3通过所述的输出口与所述的运算放大器6相连。载流导线穿过磁芯2，会在磁芯2缺口处产生磁场，磁传感器3将磁场信号转换为一对差分信号，并通过磁传感器的两个输出端引出，假设图1中连接反向输入端口的磁传感器输出电压值V1、连接同向输入端口的输出电压值V2，分别通过降流电阻一4、电阻二5接到运算放大器6的输入端；在现实情况中，由于制作工艺和技术的原因，磁传感器3的差分输出不相等，并且不同产品之间相差较大，结合由于温度的变化，这就导致在没有磁场或者高低温运行的情况下，磁传感器3输出错误结果，这就需要对磁传感器3的输出进行定向补偿。

所述的温度传感器采样电路包含一个温敏电阻7和一个分压电阻8，所述的分压电阻8一端接地另一端接控制芯片10，所述的温敏电阻7一端连接电源，其中的一端连接所述的控制芯片10的引脚2；随着温度的变化，引脚2上的电压会与温敏电阻7变化的阻值一一对应，控制芯片10通过内部数模转化模块将温度值转换为数字信号，处理并保存到EEPROM中；此时通过外部通讯接口一和外部通讯接口11向控制芯片引脚7、8脚输送数字信号，控制芯片在1脚上输出对应的电压V3，调整使得V3+V2=V1；所述的控制芯片辅助电路9连接到控制芯片10的引脚3和引脚4上，控制芯片辅助电路为控制芯片提供工作频率及其他必要工作条件；控制芯片10上的VCC端连接电源GND端接地，并且控制芯片10的引脚7和引脚8分别连接外部通讯接口一16和外部通讯接口二11，外部通讯电路接到控制芯片10后，可读取温度值并写入补偿数据，经控制芯片10分析后输送到其输出端；

所述的输出补偿电路由运算放大器6和电阻一4、电阻二5，所述的运算放大器6的反向输入端接电阻一4、同向输入端接电阻二5与磁传感器3的两个端口相连，输出端口13连接到控制芯片辅助电路9，控制芯片10的引脚1接到磁传感器3两端输出的其中一端，这个端口与运算放大器6的同向输入端相连，通过控制芯片10输出偏置电压的改变使得磁传感器两个输出引脚在磁场为零时电压相等，进一步的，上述结果实现后，磁传感器输出的差分信号经运算放大器放大后的信号为零，或接近于零。

优选的，所述控制芯片采用MS83F0802B芯片，所述控制芯片设有eeprom芯片和RAM芯片；

优选的，所述的温敏电阻采用NTC3470K、分压电阻采用MCP4017；

所述的温度采样及补偿方法的软件结构包括：ADC采样模块、数字电位器赋值模块，所述ADC采样模块包含温度校准模块和ADC采集模块，所述温度校准模块包括温度校准点值、串口调试标志位、PWM数值、I2C数值，所述ADC采集模块设有温度矩阵[n]和校准值，所述校准值包括AD采样值、NTC电压数值、NTC温度值，n为正整数。

本发明可以通过UART通讯方式与外部进行通讯，外部设备通过发生不同的指令对下位机进行操作。串口通讯设置：设置波特率9600bps，设置偶校验位，设置停止位1。

外部设备发送01H，下位机程序返回当前温度值，温度寄存器数值范围为01H~FFH；

外部设备发送FFH、02H、和零点寄存器值，下位机程序对传感器零点进行校准；

外部设备发送FFH、03H、和幅值寄存器值，下位机程序对传感器的幅值进行校准；

外部设备发送FFH、04H，下位机程序保存常温校准值，并返回04H；

外部设备发送FFH、05H，下位机程序保存高低温校准值，并返回05H；

外部设备发送FFH、06H，下位机程序退出校准功能。

本发明可以对直流电流传感器的零点和幅值进行软件校准，并根据温度传感器NTC采集的温度点，对传感器进行软件补偿。本发明通过PWM方式对传感器的零点输出进行调整，PWM占空比从0.4%到99.6%，对应的寄存器值为01H~FEH。通过调整数字电位器的阻值改变传感器的电路放大倍数，从而实现传感器输出幅值的校准，数字电位器的对应寄存器为01H~7FH。

所述的零点校准算法模块框图如图4所示，所述的零点校准算法模块包括数据判断位、eeprom读取数据值、串口收数据值、增益校准值、判断标志位、零点校准值、UART TX值和温度校准并且需要判断通讯传输是否正确，并且零点校准位算法模块需要进行零点初始化和增益初始化，还包括校准数据、校准数据地址；所述的零点校准算法模块框图的步骤为：

第一步：判断是否收到数据判断位，如果收到了数据判断位，则数据判断位等于0，转第二步；否则，则进行零点初始化和增益初始化，转第三步；

第二步：如果通讯传输正确判断，则继续判断收到的数据判断位是否等于0，如果等于0，则数据判断位等于串口收数据，转第四步；如果通讯传输错误判断，转第五步；

第三步：如果eeprom读取数据值等于oxff，则保存eeprom各数值，转第七步；如果温度校准个数等于1，则定义三个校准数据地址，转第七步；否则，三个校准数据依次递加，转第七步；

第四步：数据判断位设置，数据判断位等于0、UART TX值设置，转第七步；

第五步：数据判断位等于串口收数据，如果数据判断位等于oxff，则零点校准值等于串口收数据，数据判断位等于0、UART TX值设置，转第七步；否则，转第六步；

第六步：接收增益校准值和判断标志位，计算eeprom写入的数值，数据判断位等于0、UART TX值设置，转第七步；

第七步：结束。

所述的ADC采样模块如图5所示，所述ADC采样模块包含温度校准模块和ADC采集模块，所述温度校准模块包括温度校准点值、串口调试标志位、PWM数值、I2C数值，所述ADC采集模块设有温度矩阵[n]和校准值，所述校准值包括AD采样值、NTC电压数值、NTC温度值，n为正整数。

所述的ADC采样模块的步骤为：

第一步：设定所述ADC采集模块的所述参数，温度校准个数为k，k为正整数；

第二步：如果所述温度校准点值等于1，则所述串口调试标志位等于0、所述PWM数值写入所述RAM芯片、所述I2C数值写入所述RAM芯片，转第六步；否则，转第三步；

第三步：所述NTC电压数值等于所述AD采样值，如果所述AD采样值不等于所述NTC温度值，则设定所述AD采样值等于所述NTC温度值，转第四步；

第四步：如果所述NTC温度值小于所述温度矩阵[0]+1，则各所述校准值保持不变，转第五步；如果所述NTC温度值大于所述温度矩阵[k-1]，则所述校准值等于所述温度矩阵[k-1]，转第五步；否则，PWM数值写入所述RAM芯片、I2C数值写入所述RAM芯片，转第五步；

第五步：所述串口调试标志位等于0；

第六步：结束。

所述的数字电位器赋值模块如图6所示，所述的数字电位器赋值模块包括电位器、I2C_SCL值、I2C_SDA值，所述的数字电位器赋值模块的步骤为:

第一步：设定所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值，判断所述I2C_SCL值是否等于0，如果是，则延时读取，所述I2C值重叠，发送设定的所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值，转第三步；否则，延时读取，转第二步；

第二步：判断所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值是否等于0，如果两者都等于0，则从所述电位器读参数，转第三步；否则，赋值所述I2C_SCL值等于1，转第三步；

第三步：设置所述I2C_SDA值等于1；

第四步：结束。

本发明电路通过采样电路对温度的识别，并通过对单片机对各温度点产生不同的输出，以达到电路对传感器进行温度变化补偿及零点补偿的目的。

Claims (5)

1.一种直流电流传感器温度采样方法，其特征是：所述方法包括ADC采样模块和数字电位器赋值模块，利用控制芯片、温度传感器采样电路进行温度采样及补偿，所述ADC采样模块包含温度校准模块和ADC采集模块，所述温度校准模块包括温度校准点值、串口调试标志位、PWM数值、I2C数值，所述ADC采集模块设有温度矩阵[n]和校准值，所述校准值包括AD采样值、NTC电压数值、NTC温度值，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的直流电流传感器温度采样方法，其特征是：所述的ADC采样模块的方法步骤为：

第一步：设定所述ADC采集模块的所述参数，温度校准个数为k，k为正整数；

第二步：如果所述温度校准点值等于1，则所述串口调试标志位等于0、所述PWM数值写入所述RAM芯片、所述I2C数值写入所述RAM芯片，转第六步；否则，转第三步；

第三步：所述NTC电压数值等于所述AD采样值，如果所述AD采样值不等于所述NTC温度值，则设定所述AD采样值等于所述NTC温度值，转第四步；

第四步：如果所述NTC温度值小于所述温度矩阵[0]+1，则各所述校准值保持不变，转第五步；如果所述NTC温度值大于所述温度矩阵[k-1]，则所述校准值等于所述温度矩阵[k-1]，转第五步；否则，PWM数值写入所述RAM芯片、I2C数值写入所述RAM芯片，转第五步；

第五步：所述串口调试标志位等于0；

第六步：结束。

3.根据权利要求1或2所述的直流电流传感器温度采样方法，其特征是：所述的数字电位器赋值模块包括电位器、I2C_SCL值、I2C_SDA值，所述的数字电位器赋值模块的方法步骤为:

第一步：设定所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值，判断所述I2C_SCL值是否等于0，如果是，则延时读取，所述I2C值重叠，发送设定的所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值，转第三步；否则，延时读取，转第二步；

第二步：判断所述I2C_SCL值和所述I2C_SDA值的初始值是否等于0，如果两者都等于0，则从所述电位器读参数，转第三步；否则，赋值所述I2C_SCL值等于1，转第三步；

第三步：设置所述I2C_SDA值等于1；

第四步：结束。

4.根据权利要求3所述的直流电流传感器温度采样方法，其特征是：所述温度传感器采样电路包括温敏电阻和分压电阻，所述的温敏电阻采用NTC3470K、分压电阻采用MCP4017。

5.根据权利要求1或3所述的直流电流传感器温度采样方法，其特征是：所述控制芯片采用MS83F0802B芯片，所述控制芯片设有eeprom芯片和RAM芯片。

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