基于LDC1000電感數(shù)字傳感器的墻體電線位置測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

張澤華，王曉蕾，張雷雷

（1.遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001；2.撫順石化工程建設(shè)有限公司 遼寧 撫順 113006）

一般工程中，當(dāng)建筑實(shí)體建好后，很多基礎(chǔ)設(shè)施就隨之而完成。其中，包括用戶用電線路鋪設(shè)。而在二次裝修或做弱電線路二次鋪設(shè)時(shí)，需要避開(kāi)墻體中220 V電線。多數(shù)二次施工過(guò)程鋪設(shè)線路時(shí)，均靠工人師傅的經(jīng)驗(yàn)完成。還有，老舊建筑物電線故障查詢時(shí)，也需要進(jìn)行墻體電線探測(cè)[1-6]。文中基于以上需求，研制簡(jiǎn)易輕便的墻體電線測(cè)量?jī)x。2013年，我們制作一臺(tái)三合板背面電線探測(cè)儀，當(dāng)時(shí)使用是漆包線纏繞而成的笨重大電感完成的檢測(cè)，雖能完成檢測(cè)，但儀器很笨拙。而當(dāng)2013年TI公司發(fā)布了首款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器LDC系列，這樣墻體電線位置測(cè)量問(wèn)題就迎刃而解。本測(cè)量系統(tǒng)由STM32F107作為主控，LDC1000作為測(cè)量傳感器完成對(duì)墻體電線位置檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該墻體電線測(cè)量?jī)x主要由3部分構(gòu)成。第一部分：STM32F107單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理單元。STM內(nèi)核為Cortex-M3，在最大程度減少了代碼占用空間，其體積小巧、能耗低，工作溫度范圍為-40°C到 85°C（或高至 105°C），完全滿足了設(shè)計(jì)需要。選用SPI接口與LDC1000電感數(shù)字傳感器相連接；第二部分：LDC電感數(shù)字傳感器電路。LDC1000可以完成水平或垂直距離檢測(cè)，角度檢測(cè)，位移監(jiān)測(cè)，振動(dòng)檢測(cè)等。利用外接一個(gè)PCB線圈即可完成非接觸式電感檢測(cè)。LDC1000并不像Q表那樣測(cè)試線圈的電感量，而是可以測(cè)試外部金屬物體及其空間位置；采用四線SPI連接方式。第三部分：LCD12864顯示單元。儀器初始化顯示和檢測(cè)結(jié)果顯示。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1 System design block diagram

墻體電線便攜式檢測(cè)儀工作的核心是正確檢測(cè)到電線的位置所在，本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)工作在于LDC電感數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)。用STM32F107的SPI口與LDC1000相連，完成金屬位置的檢測(cè)。具體連接如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與LDC1000電路連接圖Fig.2 LDC 1000 circuit connection diagram

在圖2中，由鋰電池供應(yīng)+5 V電壓，直接向LDC1000供+5 V電壓，經(jīng)TPS78633向STM32F107和LDC1000供應(yīng)+3.3 V電壓。采用STM32F107的SPI1與LDC相連，實(shí)現(xiàn)對(duì) LDC1000的控制。單片機(jī)的 SPI1_MOSI、SPI1_MISO與LDC1000的數(shù)據(jù)輸出SDO、數(shù)據(jù)輸入SDI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成測(cè)量。單片機(jī)的SPI1_SCK提供LDC需要的時(shí)鐘信號(hào)。PD0與LDC1000的CSB相連，作為從設(shè)備使能端口。PA0與INTB相連，作為中斷輸入接口。TM2_CH2與LDC1000的TBCLK相連，作為頻率計(jì)數(shù)。LDC1000實(shí)際連接圖如圖3所示。

圖3 LDC1000實(shí)際連接圖Fig.3 LDC 1000 actual connection diagram

在圖3中，LDC1000的INA和INB管腳連接PCB自制的線圈L1。PCB線圈直徑為15 mm，線圈數(shù)為25圈，線圈的線寬為4 mil，線線之間的距離為4 mil。示意圖如圖4所示。LDC1000電感檢測(cè)原理是基于電磁感應(yīng)原理。在PCB線圈中加一個(gè)交流電流，線圈周圍就好產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，這時(shí)如果金屬導(dǎo)線進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)則會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)跟線圈的電磁場(chǎng)方向相反。渦流是金屬導(dǎo)線的距離的函數(shù)，基于此就可以檢測(cè)到墻體中的導(dǎo)線位置 （一般導(dǎo)線放于塑料管中，且覆蓋較淺）。具體如圖4所示。

圖4 金屬距離測(cè)量示意圖Fig.4 Schematic diagram of metal distance measurement

交變電場(chǎng)如果僅僅加在電感上，則在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的同時(shí)也會(huì)消耗大量的能量。這是，將一個(gè)電容并聯(lián)在電感上，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會(huì)損耗在LDC1000內(nèi)部 Rs和 R（d）上，等效電路如圖 5所示，可以看出檢測(cè)到R（d）的損耗就可以間接的檢測(cè)到金屬導(dǎo)線的距離d，即可以檢測(cè)到導(dǎo)線的具體埋藏位置。

圖5 LC等效電路圖Fig.5 LC equivalent circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

合理設(shè)置LDC1000的RpMAX和RpMIN寄存器的值，讓Rp的實(shí)際值落在測(cè)量范圍內(nèi)，又保證足夠的精度?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)際測(cè)量的方法在極限的條件下測(cè)出Rp等效的最大值和最小值。將金屬物體放在離線圈最近的位置，此時(shí)渦流損壞最大，得到Rp的最大值。將金屬物體放在離線圈最遠(yuǎn)的有效距離，此時(shí)渦流最小，得到Rp的最小值。同時(shí)得到金屬物體距離與電阻變化的曲線圖如圖6所示。

圖6 距離d與電阻變化之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between the distance d and resistance change

實(shí)際軟件流程圖如圖6所示。其中是否測(cè)量和是否記錄過(guò)程由按鍵完成。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 System software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行封裝，沿建筑墻體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。LCD液晶屏幕可以顯示墻體電線布置方向，如水平或豎直方向，整個(gè)操作過(guò)程均是通過(guò)按鍵來(lái)完成。圖8為L(zhǎng)DC-墻體測(cè)試儀封裝前圖片，主要給出了顯示和按鍵。按鍵采用4×4陣列按鍵，主要完成測(cè)試儀啟動(dòng)和測(cè)量記錄功能。

圖8 LDC-墻體測(cè)試儀Fig.8 LDC-wall tester

LCD12864顯示內(nèi)容含義：LDC-墻體測(cè)試儀，表示測(cè)試儀正常運(yùn)行；測(cè)量，表示由按鍵已經(jīng)啟動(dòng)測(cè)量?jī)x；“|”表示豎直方向墻體有線纜；“-”表示水平方向有線纜。記錄均由按鍵完成。LCD12864具體顯示如圖9所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，LDC-墻體測(cè)量?jī)x測(cè)量正確率為100%。

圖9 LDC-墻體測(cè)試儀顯示Fig.9 LDC-wall test instrument display

5 結(jié)束語(yǔ)

文中給出了一種測(cè)量墻體金屬導(dǎo)線的新方法，給出了具體的測(cè)量方案，并從硬件和軟件兩個(gè)方面比較詳細(xì)地介紹了該由新型電感數(shù)字傳感器LDC1000測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)檢測(cè)，該測(cè)量方法完全可以檢測(cè)墻體電纜線的具體位置。

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