基于STC12C5A602的照明線路探測儀設(shè)計

汪 嵐

(黎明職業(yè)大學 機電工程與自動化學院，福建 泉州 362000)

隨著照明設(shè)備種類的不斷增加，照明電纜的數(shù)量也不斷增加，這給電氣工程技術(shù)人員對隱藏在物體表面下的照明電路進行定位和檢測帶來了諸多困難.如果能設(shè)計出一種在不拆卸物體情況下可對其下面的照明電纜進行檢測的探測設(shè)備，便可以輕松地對電纜布線進行定位和故障診斷，從而節(jié)約時間和人力.針對這種情況，本文提出了一種基于STC12C5A602單片機[1]的照明線路探測儀的設(shè)計方案.

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

照明線路探測儀主要由控制模塊、電流感應(yīng)傳感器、前置信號處理模塊、電纜檢測及定位模塊和LCD顯示模塊等構(gòu)成.單片機控制模塊選用的是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的STC12C5A602單片機，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,但速度比傳統(tǒng)8051單片機快8～12倍.該單片機內(nèi)部集成了MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 K/s),適用于強干擾場合，可滿足本文系統(tǒng)的設(shè)計要求.

本文照明線路探測儀硬件設(shè)計框圖如圖1所示.由圖1可看出：當系統(tǒng)工作時，傳感器將感應(yīng)到的電流信號轉(zhuǎn)換為電動勢，送入前置信號處理電路進行濾波和放大處理后再送入單片機中;當單片機檢測到對應(yīng)頻率的電壓信號時會進行聲光提示，記錄對應(yīng)的電纜坐標等相關(guān)信息，并在LCD12864上顯示其內(nèi)容，實現(xiàn)照明電纜的定位；若在已確定的電纜路徑上未檢測到信號，則表明該電纜出現(xiàn)故障.

圖1 照明線路探測儀硬件設(shè)計框圖

1.1 電流感應(yīng)模塊

電纜正常工作時會產(chǎn)生電流，因此本設(shè)計實際上是通過對電流的檢測來實現(xiàn)照明電纜的探測.由于本設(shè)計的前提是在不拆除物體，即在物體表面直接對照明電纜進行探測，因此采用的是非接觸式[2]的電流檢測方法.本文基于電磁感應(yīng)原理[3]，依據(jù)文獻[4]采用自制空心感應(yīng)線圈作為電流感應(yīng)傳感器，這種方法可避免鐵心出現(xiàn)飽和及磁滯現(xiàn)象，不要求待測物體穿過檢測線圈，且具有靈敏度高、電路簡單的優(yōu)點.

照明電纜與感應(yīng)線圈示意圖如圖2所示.感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

(1)

圖2 感應(yīng)線圈及測量電路

其中φ為線圈磁通，N為線圈匝數(shù)，B為磁感應(yīng)強度，S為空心線圈截面積，A為電流強度幅值，ω為待測電流角頻率，r為線圈中心距載流直導線的垂直距離.由(1)式可看出，當I0一定、感應(yīng)線圈與照明電路位置固定時，線圈輸出感應(yīng)電動勢的幅值與I0成正比，與線圈距電纜的距離成反比.本文的電流感應(yīng)傳感器[5]由線圈和塑料骨架組成，線圈匝數(shù)為200匝，漆包線直徑為0.22 mm，線圈內(nèi)徑約為8.16 mm，外徑約為14.27 mm.

1.2 前置信號處理模塊

前置信號處理模塊主要包括低通濾波電路和放大比較電路兩部分，如圖3所示.

圖3 前置信號處理模塊電路圖

低通濾波電路是利用二階無源帶通濾波電路將照明電纜的工作頻點濾波出來并傳輸出去,具有結(jié)構(gòu)簡單、無帶寬限制、運行可靠和成本低等優(yōu)點.假設(shè)照明電纜的工作頻率為100 Hz，當R1=R2=1 kΩ，C1=C2=0.47 μF時,第一級低通濾波電路的中心頻率f0≈100 Hz，從而實現(xiàn)100 Hz的濾波作用.

放大比較電路設(shè)計采用由三極管搭建的兩級電流反饋式放大電路，該電路利用發(fā)射級電流IE在射級電阻RE上產(chǎn)生的壓降UE來調(diào)節(jié)UBE.當集電極電流IC因溫度升高而增大時，UE將使IB減小，IC增量減小，從而達到穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用.圖3中兩級放大電路都為分壓式偏置放大電路，其電壓放大倍數(shù)為

(2)

其中β1≈124，β2≈101，rbe1≈1.3 kΩ，rbe2≈1.1 kΩ.根據(jù)圖3中放大電路的參數(shù)和(2)式可知，兩級放大倍數(shù)Au≈18 000倍；但由于電路各部分存在耗損，因此實際放大電路的電壓放大倍數(shù)約為12 000倍.本文在圖3中還利用集成運放LM358搭建了電壓比較電路，將傳輸信號整形成同頻率的方波，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機進行處理.

1.3 電纜檢測及定位模塊

探測儀工作時需對照明電纜通過的區(qū)域坐標進行記錄并顯示，以此實現(xiàn)電纜布線的定位功能.該模塊的測試環(huán)境是將五合板作為電纜覆蓋物體，板上均勻分布9×9的黑色方格，照明電纜坐標檢測采用自制電纜定位傳感器.電纜定位傳感器電路如圖4所示，電纜坐標實物圖如圖5所示.

圖4 電纜定位傳感器電路

圖5 電纜坐標實物圖

由圖4可知，當電纜定位傳感器在五合板上移動時，由于所處板面黑白區(qū)域不同，定位傳感器會輸出高低不同的電平，單片機通過讀取傳感器的輸出電壓即可判別所處區(qū)域.可變電阻R3可調(diào)節(jié)輸出電壓基準值，用于改善定位傳感器的探測靈敏度.在實際檢測中，可以在探測儀前端并排放置如圖4所示的5路定位傳感器，單片機通過讀取5路探頭的電壓值就能準確地判定探測儀和黑色跡線的位置關(guān)系.當跡線位于探測儀中間位置時，電纜縱軸坐標為+1，反之為-1.當跡線位于探測儀偏右方向時，電纜橫軸坐標為+1，反之為-1.按此方式,探測儀坐標隨時根據(jù)黑色跡線的方向調(diào)整自身數(shù)值，最終實現(xiàn)電纜坐標檢測功能.

1.4 系統(tǒng)主程序設(shè)計

照明線路探測儀接通電源后，STC12C5A602單片機各寄存器、端口先進行初始化，然后液晶顯示屏12864再進行初始化，當探測儀電路工作在預定的照明檢測模式時，啟動電流檢測、照明電路坐標檢測，并驅(qū)動LCD顯示相關(guān)內(nèi)容.

系統(tǒng)軟件主程序流程如圖6所示.圖6中，當系統(tǒng)進入照明電纜檢測模式后，即開始不停地掃描于循跡探測器連接的單片機I/O端口，一旦檢測到某個I/O端口有信號變化，即執(zhí)行相應(yīng)的判斷處理程序，并將相應(yīng)的信號信息記錄下來.

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

2 探測儀測試效果及數(shù)據(jù)分析

為了驗證探測儀的準確性能和靈敏性能，本文從檢測距離和檢測速度兩個方面來檢測.基本測試條件為：選取的電纜為帶護套雙絕緣的雙芯并列聚氯乙烯軟電纜，規(guī)格為2×0.5 mm2，每根電纜的長度不小于2.5 m.每種測試條件各檢測10次,檢測結(jié)果如表1所示.電纜坐標檢測顯示效果如圖7所示，由圖7可以看出，當前檢測的照明電纜為一白熾燈，檢測的坐標數(shù)據(jù)為(02,09)，如再次移動可獲得電纜的下一組坐標數(shù)據(jù).

表1 照明線路探測儀測試數(shù)據(jù)的準確率

由表1和圖7可看出，本文設(shè)計的照明線路探測儀其測試結(jié)果都保持在探測儀能夠接受的范圍內(nèi),且檢測結(jié)果清晰明了，由此說明該探測儀具有較高的準確性和實用性.

圖7 電纜坐標檢測顯示效果圖

3 結(jié)論

本文以STC12C5A602為控制核心，基于電流非接觸式檢測技術(shù)，結(jié)合液晶屏和聲光報警等功能，設(shè)計了一款照明線路探測儀.在不拆除照明電纜覆蓋物的條件下，探測儀可對照明電纜進行檢測及布線定位，并通過聲光效果提示和坐標顯示提供給檢測人員.測試表明，該探測儀具有攜帶方便、操作簡單的優(yōu)點，有較好的實用價值.本文在測試數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，當電纜覆蓋物厚度超過10 mm時，探測儀的測試精度會有所下降，這一問題將是下一步的研究內(nèi)容.

參考文獻：

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[3]李剛，刑佳.一種非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代科學儀器，2010(1)：43-46.

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[5]李剛，刑佳,郝麗玲,等.非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)及其實驗和誤差分析[J].電子產(chǎn)品世界，2012(1)：43-46.