直流大电流测量仪研究与设计

刘熙明，叶志伟

（1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州民族大学机械电子工程学院，贵州贵阳550025）

直流大电流测量仪研究与设计

刘熙明1，叶志伟2

（1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州民族大学机械电子工程学院，贵州贵阳550025）

针对当前大功率直流供电场合大电流测量困难的问题，设计了一种非接触式直流大电流测量仪。由低功耗单片机MPS430和ADC0832组成的测量系统，利用巨磁阻传感器完成对电流的采样，完成了对直流大电流的测量。经过实际测试表明，该系统能够测量0～500 A的电流，测量精度达到0.5级，测量可靠。

大电流测量；巨磁阻效应；巨磁阻传感器；低功耗单片机

随着经济和社会的发展，现代社会对于电力的需求越来越大，电力传输系统中大容量和远距离输电已经成为一个发展方向，其最为重要的输电方式之一就是高压直流输电。在实际工程应用中，比较主流的直流电流测量设备主要是分流器［1］。分流器的优势在于其稳定性好和精度高，但是随着被测电流级别的增大，对于分流器的要求也越来越高，现有的分流器已经不能满足被测电流的要求，其体积大、成本高、不易安装及热损失大已经成为不可忽视的缺陷。在测量的时候分流器必须完全接入被测电路中，对于被测电路网络的影响比较大，容易造成被测电路工作不稳定［2］。

巨磁阻传感器不同于分流器和其他的测量方式，巨磁阻传感器是通过感应电流产生的磁场的强度间接测量电流，属于非接触式测量［3］。另外巨磁阻传感器具有成本低、体积小、功耗低、响应速度快及工作稳定等特点，在高压直流大电流的测量中具有很好的应用前景，是一种比较可靠的高压直流大电流测量解决方案。非接触式的高压直流大电流方案的优势在于不需要接入一次回路，不会影响到被测电路的正常工作，且对测量人员的安全有保障。本文在此基础上设计了一种直流大电流测量仪。

1 大电流测量理论

巨磁阻效应测量电流的原理是，首先将电流测量转换为测磁场强度，再把测量磁场强度转换为测量传感器的电阻，就能得到了一一对应的关系，通过他们之间的关系就能够得到电流的强度。对于平直导线而言，磁场强度为

从式（1）可以看出，当半径一定时，磁场和电流呈正比关系，通过测量磁场强度计算电流的大小。图1为巨磁阻传感器在磁场中时其电阻随磁场的变化情况，当外部磁场的强度介于（-Bk，+Bk）之间的时候，电阻的变化范围是呈线性的，此时的电阻值和外部磁场强度Bx之间存在着某种特定的函数关系，即可通过测量电阻实现对磁场强度的测量。

图1 巨磁阻传感器在外部磁场作用点电阻变化曲线

假设巨磁阻效应传感器的电阻R和外部磁场之间的函数关系为R=kB（k为比例系数），则可以得出最终的结果为

式中，a为传感器离导线的距离，Rx0为巨磁阻传感器外部无磁场时的电阻。

2 硬件电路方案设计

2.1 系统整体方案设计

系统硬件结构如图2所示。该系统的功能主要是测量电流的大小，并发送到液晶显示器显示。系统基于MSP430单片机，主要模块有ADC转换模块、按键电路、显示电路巨磁阻传感器。ADC转换电路主要用于转换经过巨磁阻传感器输出的电压，并传输给单片机，按键的主要作用是在需要测量时，按下按键启动测量。

图2 系统硬件结构

2.2 巨磁阻效应传感器HMC1001

HMC1001是一款内部带有惠斯顿电桥的巨磁阻效应传感器［4］，因此在使用的时候无需外接电桥，可以直接读取电压即可，只需要为传感器提供一个电压即可测量外部的磁场。图3是HMC1001的输出电压和外部磁场之间的线性关系，传感器的输入与输出之间的线性度均非常好，且曲线十分平整。通过计算得出巨磁阻传感器输出电压Uo和输入磁场B之间的函数关系式为

图3 巨磁阻传感器输出电压和输入磁场之间的关系

测量仪所测量的电流的范围是0～500 A，换算成为磁场之后磁场强度变化范围大约为0～1.04 G左右（测量半径为1 cm），该测量仪完全能够满足测量要求，对应在图上的输出电压为25～50 mv，考虑到输出的信号数量级为mv，因此需要在传感器的后级加上一个放大电路把输出信号放大100倍，变成输出为2.5～5.0 V的信号，方便后面的ADC采样。放大电路使用OP07设计一个反相放大器放大采样信号，ADC采样电路则使用具有8位精度的双通道高速ADC转换器AD0832作为转换芯片，巨磁阻传感器接口电路和信号变换电路如图4所示。

图4 巨磁阻传感器接口电路

2.3 单片机最小系统设计

单片机使用的是TI公司的16位高性能低功耗单片机MSP430F149，这种单片机采用3.3 V供电，使用16位的精简指令，每个命令周期只有125 ns，内部带有60 Kb的程序代码存储器，2 Kb的数据存储空间，优越的性能完全能够满足需要。整个系统的核心以MSP430F149作为控制器，其最小系统电路如图5所示，整个最小系统包含了时钟电路和复位电路［5］。

图5 MSP430F149最小系统电路

2.4 显示模块设计

显示模块主要功能是显示所测量电流的大小。显示模块使用OLED显示模块，该模块具有体积轻、质量小、功耗低等特点，且具有超强的稳定性。OLED显示模块使用SPI总线和单片机进行通信。接口电路如图6所示。

图6 OLED接口电路

3 系统软件设计

软件设计的重点是对被测网络电流进行采集和处理，从而得出最终结果，同时显示出来。软件设计优劣性直接影响仪表的测量精度。

系统软件包含系统初始化程序、转换程序、显示程序，主要功能是实现对单片机I/O端口、ADC转换器、显示屏之间的一个初始化，因此主要包含了3个函数，即System_Init（）、ADC_Init（）、OLED_Init（）。在初始化完成之后，扫描按键是否按下，如果有按键按下，系统调用ADC转换函数，开始读取和计算电流的大小，所包含的函数主要为ADC_convert（）、Current_convert（），一个负责电流的获取量化，另一个则负责电流的转换，根据电压换算出电流，在得到电流数据之后就调用OLED_send（）子程序发送数据到OLED显示屏上，整个主程序流程如图7所示。

图7 主程序流程

4 测试结果

在使用巨磁阻传感器之前需要对其输入输出关系进行研究［6］，其输入电流和相应的输出电压之间是否具有线性关系，可通过对测量数据进行分析，得出传感器输入输出之间的拟合曲线和找出待测电流和输出电压之间的关系。由于实验室没有所需要的高达几百安培的电流，因此无法直接测量出大型电流和电压的关系。又由于巨磁阻传感器测量的是磁场的强度，而磁场是可以叠加的，因此可以选用在磁钢上面环绕100匝线圈模拟产生大电流的磁场，当输入线圈的电流大小为1 A时，在线圈周围就相当于有了100 A的电流流过时产生的磁场，而在有3 A的电流流过时，磁钢周围的磁场就是由300 A的电流产生的，然后使用巨磁阻传感器测量这些信号，得出巨磁阻传感器待测电流和输出电压之间的关系式，最后得出拟合直线，求出关系式函数。

其测试结果如表1所示，电流的测量范围是0～3 A，磁钢上面的绕组匝数为100匝，相当于0～300 A的电流磁场。

表1 测试数据

4.1 传感器直线拟合

根据表1中得出的实验数据绘制出系统输入电流和输出电压之间的关系曲线如图8所示。由图8可知，该图像趋近于一条直线，线性关系十分的良好，可得出其输入电流和输出电压之间的关系式为U=2.44 I。当单片机采集到ADC转换过来的电压数据之后就能够换算出电流的大小。

4.2 误差分析

通过对传感器的拟合曲线分析，发现在某些点上面曲线的线性度并不好，分析原因之后发现，在模拟大电流通过的时候，不能直接测量大电流，就使用漆包线绕成线圈模拟大电流产生的磁场，注意线圈的半径是不能忽略的。由于直线电流的磁场强度和半径成反比关系，因此所有线圈在测量点产生的磁场强度是不一样的，并不能形成良好的线性关系。

为了尝试解决这个问题，在测量时换了100 A的单独导线大电流测量，半径为1 cm的采样点测量出来的电流数值正确无误，再换用稍微大一点的电流测量时同样不会出现这个问题。由此可知，上述曲线拟合过程中的非线性度的问题在直导线电流测量中对结果的影响可以忽略不计。同时对测量装置进行了一定的改进，加做了标尺保证导线电流到传感器采样部分的距离为1 cm，从而减小因外部因素带来的误差。

图8 巨磁阻传感器输入输出拟合曲线

4.3 测量仪测量数值标定

在设计好整个系统之后，为了测试其功能是否正确，以及其中的算法是否可靠，并且为仪器标定数值［7］，对系统进行了功能性测试。在测试的过程中使用的是与上面相同的方法进行测量，不同的是这次改变了绕组的大小，在电流为1 A时，分别改变绕组匝数，测试了0、100、200、300匝时电流数值的大小，所测量的电流数值分别为1.1、99.8、200.2、299.7 A，从表2中可以知，测量所得误差十分小，完全能够满足测量过程中对精度的要求。

表2 数值标定测量数据

在测量数值标定的时候，保持测量距离为1 cm，调节巨磁阻传感器后级放大电路的放大倍数，使得当待测电流的大小为500 A的时候，ADC所转换出的数值为500，这样一来ADC转换的数值和输入电流的大小正好首尾对应。由于巨磁阻传感器的线性度非常好，因此能够很好地对应上，于是就这样完成了数值的标定。ADC采样转换到的数值大小，就是电流的大小。经过与标准测量仪器对照可知，该仪表测量精度达到了0.5级［8-14］。

5 小结

针对传统直流大电流测量方法的不足，设计了一种基于巨磁阻传感器的直流大电流仪表，利用巨磁阻效应，能在无需和被测回路直接接触的情况下，测量出回路中的电流，测量中对于回路的工作状态无任何影响。实验结果证实该仪表能够满足实际工程的要求，达到预期设计目标。

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Study and design of DC large current measuring instrument

LIUXi-ming1,YE Zhi-wei2
（1.School of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang550025,China 2.School of Mechanical and Electronic Engineering,Guizhou Minzu University,Guiyang 550025,China）

Aiming at the difficulties in the current for high power DC power supply occasions of heavy current measurement problems,a contactless DC current measuring instrument is designed.The current sampling is completed by using the magneto resistance sensor,and the measurement system composed of MPS430 and ADC0832 with low power consumption MCU has completed the measurement of DC large current.Through theoretical calculation analysis shows that the systemis capable of measuring 0～500 A current,and the accuracy of the measurement is 0.5.The measurement results are reliable.

current measurements;giant magneto resistance;giant magneto resistive sensor;low-power microcontroller

TM933.12

A

1008-0171（2017）05-0030-06

2017-05-17

贵州省国际科技合作计划资助项目（黔科合外G字〔2014〕7007号）

刘熙明（1993-），男，贵州毕节人，贵州大学硕士研究生。

【责任编辑：任小平 renxp90@163.com】