簡(jiǎn)易照明線路故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊花雨,申俊星

(1．商丘工學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,河南 商丘 476000; 2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,河南 商丘476000)

由于人們對(duì)室內(nèi)裝飾審美的要求，現(xiàn)代社會(huì)照明線路多以暗線為主. 隨著時(shí)間的推移，線路老化帶來的斷線故障給維修人員帶來了很大的困難.本論文利用三種方法對(duì)線路進(jìn)行探測(cè)：一是利用電流周圍有磁場(chǎng)的原理，采用磁頭檢測(cè)帶電電纜，坐標(biāo)識(shí)別采過去用紅外傳感器進(jìn)行識(shí)別，回放顯示電纜位置采用微處理器進(jìn)行程序控制.二是利用磁棒檢測(cè)帶電電纜，采用光敏電阻進(jìn)行坐標(biāo)識(shí)別，回放顯示帶電電纜位置采用微處理器進(jìn)行程序控制.三是采用帶磁芯的線圈檢測(cè)帶電電纜，采用光敏電阻進(jìn)行坐標(biāo)識(shí)別，回放顯示帶電電纜位置采用微處理器進(jìn)行程序控制[1]33-37.經(jīng)過多次分析測(cè)試，磁頭和磁棒雖都能完成任務(wù)但靈敏性較差，帶磁芯的線圈靈敏度較高，故選擇第三種方案來進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示.

1 理論分析與計(jì)算

1.1 照明線路探測(cè)傳感器分析

圖1 照明線路故障檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)電磁效應(yīng)原理，選擇磁電傳感器檢測(cè)照明線路.常見的磁電傳感器有霍爾傳感器、干簧管傳感器，經(jīng)過多次試驗(yàn)測(cè)試，霍爾傳感器近距離檢測(cè)沒有問題，但隔五合板之后檢測(cè)不到，霍爾傳感器滿足不了設(shè)計(jì)要求.干簧管傳感器原理上也可以檢測(cè)照明線路，但干簧管如果安裝，放置是個(gè)問題，經(jīng)過檢測(cè)信號(hào)也很微弱，隔五合板靈敏度很差.在霍爾傳感器和干簧管傳感器不能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，想到了磁頭和磁棒來檢測(cè)，效果還不錯(cuò)，但磁頭和磁棒容易自激，而且不能明顯區(qū)別出11W節(jié)能和60W白熾燈.最后想到了線圈和鐵芯，將電子鎮(zhèn)流器中的線圈和鐵芯拆下，進(jìn)行調(diào)試，最初靈敏度較低，專門設(shè)計(jì)電路，通過NE5532兩級(jí)放大進(jìn)行檢測(cè)，NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器(雙運(yùn)放)集成電路.與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn).經(jīng)過多次調(diào)試，靈敏度很強(qiáng)，故選擇電感線圈和鐵芯適當(dāng)組合來檢測(cè)照明通電線路[2]157-158.

1.2 照明線路坐標(biāo)識(shí)別傳感器

當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到照明線路之后，要能夠記憶并回放照明線路的坐標(biāo).關(guān)于坐標(biāo)識(shí)別最初在五合板的49個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)鉆孔，采用光電對(duì)管來進(jìn)行檢測(cè)，由于光電對(duì)管的散光性，容易造成誤識(shí)別的問題，故放棄了光電傳感器.受到光敏電阻對(duì)光敏感的啟發(fā)，將探測(cè)頭安裝一個(gè)發(fā)光二極管，在49個(gè)方格中心鉆孔來進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合回放電路，在五合板的背面采用行列矩陣式安裝排線，經(jīng)過多次試驗(yàn)分析，效果明顯，故采用光敏電阻來進(jìn)行通電線路坐標(biāo)識(shí)別.

1.3 坐標(biāo)的識(shí)別

電纜一端與 220V 交流電源插座相連；另一端連接著大螺口(E27)燈座，并分別擰入 60W 白熾燈和 11W 節(jié)能燈，各燈的亮滅由開關(guān)控制.兩根電纜以圖釘側(cè)邊壓扣或膠帶粘貼的方式布設(shè)，布線可在 7×7 方格組成的區(qū)域內(nèi)根據(jù)需要任意調(diào)整.(1)關(guān)閉 60W 白熾燈和 11W 節(jié)能燈，將節(jié)能燈的電纜按要求布設(shè)完畢后，將其點(diǎn)亮，手持探測(cè)儀在板正面掃描帶電電纜的走向，探測(cè)到帶電電纜時(shí)予以蜂鳴示意[3]327-329.(2)關(guān)閉 11W 節(jié)能燈，點(diǎn)亮白熾燈，仿照上述基本要求完成對(duì)白熾燈電纜走向的探測(cè)任務(wù).(3)先關(guān)閉兩盞燈，改變 2 根電纜的布設(shè)，并使其間隔不小于一個(gè)方格，然后再點(diǎn)亮兩燈.要求探測(cè)儀能在 1 min內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)出 5 個(gè)指定位置是否有 60W 白熾燈帶電電纜.(4)先關(guān)閉兩盞燈，改變 2 根電纜的布設(shè)，并使其局部間隔小于一個(gè)方格，然后再點(diǎn)亮兩燈.要求探測(cè)儀能在 2 min內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)出 5 個(gè)指定位置是否有 60W 白熾燈帶電電纜，分別計(jì)算出LED燈的電纜走線方式和各線路.對(duì)光敏電阻的篩選與測(cè)試，初始光敏電阻陣列數(shù)據(jù)由于在相同條件下阻值的最大值與最小值間的差值將近1k 故而感覺誤差值將會(huì)超出范圍內(nèi)，后又逐一排查與更換，使得所有光敏電阻的阻值都控制在1.5 K～2 K之間使得誤差控制在合理范圍之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更顯合理與真實(shí)，其最終光敏電阻阻值數(shù)據(jù)(在相同光照條件下)如表1所示.

表1 最終確定的電阻阻值表

2 電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電路包括探測(cè)頭檢測(cè)電路、探測(cè)儀顯示電路、帶電電纜位置回放電路、電源電路組成.

2.1 探測(cè)頭檢測(cè)電路

由于電流周圍有磁場(chǎng)，照明線路的檢測(cè)就是基于此原理來實(shí)現(xiàn)的.由于11W節(jié)能燈和60W白熾燈周圍磁場(chǎng)不同，對(duì)于不同磁場(chǎng)的檢測(cè)，經(jīng)過試驗(yàn)分析采用帶鐵芯的電磁線圈為檢測(cè)頭.由于檢測(cè)頭信號(hào)微弱，故采用NE5532兩級(jí)放大.對(duì)于鑒別不同的照明線路，采用兩個(gè)555反相器及周圍電路來區(qū)分.本電路使用NE5532運(yùn)算放大器和NE555計(jì)時(shí)IC組成的(如圖2)，NE5532是一種雙運(yùn)放高性能低噪運(yùn)算放大器，NE555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈沖信號(hào)[4]371-373.

圖2 探測(cè)頭檢測(cè)電路

2.2 探測(cè)儀顯示電路

由于60W白熾燈電流為交流50HZ，而11W節(jié)能燈電流為交流3000HZ，探測(cè)不同的線路，需要鑒別所檢測(cè)的照明線路的類型.為了完成本設(shè)計(jì)要求，采用兩個(gè)4位數(shù)碼管顯示，左側(cè)數(shù)碼管顯示燈名、方格號(hào)，燈名和方格號(hào)之間通過“—”鏈接，共四位.右側(cè)數(shù)碼管顯示檢測(cè)照明線路所用的總時(shí)間(幾分幾秒)，共四位.數(shù)碼管的控制是通過單片機(jī)89C52來控制的，驅(qū)動(dòng)電路采用9015三極管來實(shí)現(xiàn)(如圖3所示).

圖3 探測(cè)儀顯示電路

2.3 帶電電纜位置回放電路

為了實(shí)時(shí)地顯示所檢測(cè)過的照明線路，需要對(duì)帶電電纜位置進(jìn)行回放.回放電路采用光敏電路進(jìn)行行列矩陣檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)傳送單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后的信號(hào)通過點(diǎn)陣回放顯示.有照明線路，對(duì)應(yīng)的矩陣的方格點(diǎn)亮，沒有照明線路，對(duì)應(yīng)的矩陣方格不點(diǎn)亮.矩陣方格上所點(diǎn)亮的點(diǎn)就是所檢測(cè)到照明線路，對(duì)檢測(cè)的照明線路進(jìn)行實(shí)時(shí)的回放[5]6-9.

2.4 電源電路

電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成.為整個(gè)系統(tǒng)提供±5V或者±12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作.這部分電路比較簡(jiǎn)單，均采用三端78系列和79系列穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述.

3 程序功能描述及測(cè)試結(jié)果

3.1 程序功能描述

根據(jù)功能要求，軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示.

鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置頻率值、頻段、電壓值以及設(shè)置輸出信號(hào)類型.

顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進(jìn)值、信號(hào)類型、頻率.

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每種數(shù)據(jù)采集采取探測(cè)方格中心，根據(jù)聲光報(bào)警情況確定是否采集成功，每種情況分別采集七組數(shù)據(jù).自制五合板，五合板正反面畫出7*7方格且兩面精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)；五合板背面布設(shè)帶護(hù)套雙絕緣的雙芯并列聚錄乙烯軟電纜；五合板上安裝燈、開關(guān)、220V交流電源插座.測(cè)試儀器包括萬用表、示波器、穩(wěn)壓電源、探測(cè)儀.測(cè)試結(jié)果如表2所示.根據(jù)測(cè)試結(jié)果，滿足所有指標(biāo)要求.

4 結(jié)論

經(jīng)過多次試驗(yàn)，在合理誤差范圍內(nèi)，手持探測(cè)儀能夠在較為準(zhǔn)確的情況下在板正面掃描帶電電纜的走向，并探測(cè)到帶電電纜時(shí)予以蜂鳴示意，再經(jīng)由信號(hào)輸出在數(shù)碼管及陣列上顯示其電纜軌跡走向，在合理誤差范圍內(nèi)達(dá)到題目要求.本探測(cè)儀結(jié)構(gòu)完整、功能完善、工作可靠，操作簡(jiǎn)單、直觀，符合設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求.

表2 照明線路故障探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

[1] 楊 欣.實(shí)例解讀電子元器件與電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 胡 斌.集成電路識(shí)圖輕松入門[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3] 藤井信生.電子實(shí)用手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5] 韓廣興.電子元器件與實(shí)用電路基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.