張明洋

(黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，福建泉州362000)

0 引言

基于美觀和安全方面的考慮，建筑物內(nèi)的照明線路一般都布置在墻壁內(nèi)。建筑物的二次裝修或者熱水器等電器設(shè)備安裝經(jīng)常需要對(duì)墻壁進(jìn)行打孔，由于普通建筑物在初次裝修時(shí)并沒(méi)有留下具體的照明電纜布線圖，這就存在照明電纜被破壞的可能性，如果當(dāng)時(shí)照明電纜是處于通電狀態(tài)，那么情況將相當(dāng)危險(xiǎn)。這時(shí)如果擁有一套照明線路探測(cè)儀，將可以快速而準(zhǔn)確地定位出照明電纜的布線位置，那么上述的危險(xiǎn)性將不復(fù)存在。當(dāng)前市場(chǎng)上的大部分照明線路探測(cè)儀是以單片機(jī)為控制核心，由于單片機(jī)芯片的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力不強(qiáng)，造成探測(cè)儀使用時(shí)檢測(cè)速度慢且精度有限。本設(shè)計(jì)以具有強(qiáng)大實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力的DSP芯片dsPIC33FJ128GP802為控制核心，利用非接觸式電流檢測(cè)技術(shù)［1］對(duì)墻壁內(nèi)的照明電纜分布進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的定位，具有一定的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，電流檢測(cè)模塊通過(guò)電磁感應(yīng)原理將待測(cè)照明電纜中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊達(dá)到濾波和放大效果后進(jìn)入實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)大的dsPIC33FJ128GP802芯片進(jìn)行處理。此時(shí)電纜檢測(cè)模塊將對(duì)通電電纜的位置坐標(biāo)進(jìn)行循跡定位，坐標(biāo)定位結(jié)果將通過(guò)dsPIC33FJ128GP802芯片處理后顯示在LCD上，同時(shí)通過(guò)聲光提示電路進(jìn)行報(bào)警提示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片介紹

本照明線路探測(cè)儀的主控模塊控制芯片采用的是美國(guó)微芯科技公司的16位數(shù)字信號(hào)處理器芯片dsPIC33FJ128GP802。dsPIC33FJ128GP802具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力，每秒可處理多達(dá)4千萬(wàn)條指令;其數(shù)據(jù)寬度為16位，指令寬度為24位;具有3個(gè)外部中斷源，閃存為128KB;內(nèi)部自帶具有兩種工作模式的10通道ADC，采樣位數(shù)為10和12位，轉(zhuǎn)換速率分別為1.1Msps和500ksps;同時(shí)自帶4路16位DAC，最大采樣速率為100ksps，完全滿(mǎn)足本照明線路探測(cè)儀的信號(hào)處理需要。

2.2 電流檢測(cè)電路

由于照明電纜布置在墻壁內(nèi)，無(wú)法直接測(cè)量定位，只能采取非接觸式的檢測(cè)方法。針對(duì)這種情況，本設(shè)計(jì)采用手工制作的空心檢測(cè)線圈來(lái)檢測(cè)照明電纜電流，這種方法具有感應(yīng)靈敏和制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且鐵心部位不會(huì)發(fā)生飽和以及磁滯現(xiàn)象。

如圖2所示，Io為電纜電流，e為檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。可設(shè)電纜長(zhǎng)度l，通電電流I=A sin(ωt)，檢測(cè)線圈的中心位置處于電纜中點(diǎn)的垂直線上面，令檢測(cè)線圈中心與電纜中心的實(shí)際距離為r，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，此時(shí)檢測(cè)線圈中心點(diǎn)感應(yīng)到電纜電流所獲得的磁場(chǎng)大小如下:

圖2 電流檢測(cè)電路

式(1)中真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7，θ1=θ和θ2=π-θ分別為檢測(cè)線圈中心和待測(cè)電纜兩端連線與電流方向的夾角。此時(shí)檢測(cè)線圈兩端的感應(yīng)電壓值e將與線圈磁通的變化率成正比［2］，即，則可得到:

式(2)中真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7，N為檢測(cè)線圈的具體匝數(shù)，ω為電纜電流的角度頻率;φ為檢測(cè)線圈的磁通量，r為檢測(cè)線圈中心點(diǎn)與通電電纜的垂直方向距離，B為檢測(cè)線圈中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為檢測(cè)線圈垂直于磁力線方向的截面積，A則為電纜通電電流大小。由公式(2)我們可以知道，在電纜通電電路頻率恒定及線圈與電纜位置保持不變的情況之下，e與Io大小成正比的關(guān)系，與r大小成反比的關(guān)系［3］。由于檢測(cè)線圈由線圈部分和骨架部分構(gòu)成，為了限制電磁阻尼的非線性影響，骨架部分采用了塑料成分;而線圈部分雖然匝數(shù)N越大越有利于靈敏度的提高，但也會(huì)造成分布電容的增大，同時(shí)會(huì)造成檢測(cè)線圈使用不便，綜合各方面因素，實(shí)際制作的線圈匝數(shù)為250匝，漆包線的直徑選擇0.211毫米，檢測(cè)線圈的外徑為15.16毫米，內(nèi)徑為7.95毫米。

2.3 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路可分為濾波電路部分和放大電路部分，具體可如圖3所示。

2.3.1 濾波電路

為了測(cè)試的便利性，我們后面將以家庭中常用的白熾燈和節(jié)能燈進(jìn)行模擬環(huán)境測(cè)試，其中白熾燈功率為60W，頻率為50Hz，而節(jié)能燈功率為11W，頻率為100Hz。由于有頻率不同的兩路信號(hào)，濾波電路將50Hz和100Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)的信號(hào)濾波出來(lái)后送至后面的放大電路進(jìn)行處理。

圖3 信號(hào)處理電路

如圖3上半部分60W電路采用的是二階低通濾波結(jié)構(gòu)，電路中可令R1和R2的阻值為R，C1和C2的電容值為C，根據(jù)相量法可以得到如下關(guān)系:

如圖3下半部分11W電路采用的是二階無(wú)源帶通濾波結(jié)構(gòu)，電路中可令R6和R29的阻值為R，C4和C5的電容值為C，根據(jù)相量法可以得到如下關(guān)系:

2.3.2 放大電路

由于信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路會(huì)受到一定的衰減影響，所以在信號(hào)進(jìn)入主控芯片dsPIC33FJ128GP802之前必須進(jìn)行一定的放大。如圖3所示，放大電路采用了電流反饋式偏置結(jié)構(gòu)，由三極管兩級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。電路中IE為三極管發(fā)射級(jí)電流，UE為三極管射級(jí)電阻電壓，UBE為三極管基極和發(fā)射極之間的電勢(shì)差，IC為三極管集電極電流，IB為三極管基極電流?？烧{(diào)整UBE，當(dāng)溫度上升時(shí)IC變大，UE會(huì)使得IB變小，從而IC增幅變小，達(dá)到了穩(wěn)定三極管靜態(tài)工作點(diǎn)的目的，電路的放大效果即可保持恒定，圖3中放大倍數(shù)Au約為11000。

2.4 電纜檢測(cè)電路

照明線路探測(cè)儀有對(duì)照明電纜進(jìn)行位置坐標(biāo)定位并可在LCD上顯示定位結(jié)果的功能，后面模擬測(cè)試環(huán)境將以7行7列的直拼板材料模擬墻壁等掩體，由于直拼板正面布滿(mǎn)大小相同的黑色格子，因此采用了如圖4所示的檢測(cè)電路。

在圖4當(dāng)中，D1為發(fā)光二極管，D2為光敏二極管，R3為可調(diào)電阻，運(yùn)放C1構(gòu)成比較器，且C1的正相輸入電壓為U+，反相輸入電壓為U—。由于光在D1與D2之間是靠直拼板的板面反射后進(jìn)行傳輸?shù)?，?dāng)檢測(cè)電路在移動(dòng)過(guò)程中遇到直拼板白色板面時(shí)，因光敏二極管D2接收到地板表面反射過(guò)來(lái)的光線而阻值下降，造成C1的反相輸入電壓為U—變小;此時(shí)如果U—＜U+，那么C1的輸出電壓OUT1將變?yōu)楦唠娖剑粗瓹1的輸出電壓OUT1將變?yōu)榈碗娖?。因此通過(guò)讀取運(yùn)放C1的電壓數(shù)值即可判斷地板表面是否存在黑色跡線。通過(guò)改變R3的阻值可以調(diào)整C1的正相輸入電壓Up的基準(zhǔn)值，進(jìn)行調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。

圖4 照明電纜檢測(cè)電路

照明線路探測(cè)儀在實(shí)際使用當(dāng)中會(huì)在前端位置以并排方式設(shè)置6路此類(lèi)檢測(cè)電路，dsPIC33FJ128GP802通過(guò)讀取檢測(cè)到的電壓即可判斷探測(cè)儀與黑色跡象之間的位置關(guān)系。當(dāng)黑色跡象處于探測(cè)儀正中時(shí)，照明電纜的縱坐標(biāo)數(shù)值加1，反之則照明電纜的縱坐標(biāo)數(shù)值減1。當(dāng)探測(cè)儀檢測(cè)到黑色跡象處于偏右方時(shí)，照明電纜的橫坐標(biāo)數(shù)值加1，反之則照明電纜的橫坐標(biāo)數(shù)值減1。檢測(cè)電路會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)黑色跡象的具體方位來(lái)調(diào)整縱橫向坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)電纜位置坐標(biāo)的定位檢測(cè)。

2.5 聲光提示電路

當(dāng)探測(cè)儀確定通電照明電纜位置坐標(biāo)的同時(shí)會(huì)通過(guò)發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行聲光式的提示。如圖5所示，為了防止蜂鳴器工作磁場(chǎng)對(duì)電纜電流檢測(cè)的影響，指示電路中采用了光電耦合器［4］，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸，保持電纜檢測(cè)結(jié)果的正確性。

圖5 聲光指示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在上電后首先進(jìn)行自檢工作，緊接著進(jìn)行dsPIC33FJ128GP802和LCD液晶顯示器的初始化工作;在掃描按鍵電路確認(rèn)進(jìn)入電纜檢測(cè)模式后，啟動(dòng)電纜的電流檢測(cè)和位置檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD液晶屏幕上。具體的系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 電纜位置坐標(biāo)檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)確認(rèn)進(jìn)入電纜坐標(biāo)檢測(cè)模式后，立即進(jìn)行電纜路徑的探測(cè)工作。系統(tǒng)實(shí)時(shí)不間斷地掃描照明電纜檢測(cè)電路與dsPIC33FJ128GP802相連的I/O口，如掃描到某個(gè)端口的信號(hào)值發(fā)生了變化，立即啟動(dòng)相關(guān)的判斷程序，并對(duì)相關(guān)坐標(biāo)值進(jìn)行修正處理，之后將修正后的電纜位置坐標(biāo)值進(jìn)行存儲(chǔ)。具體的電纜位置坐標(biāo)檢測(cè)子程序流程圖如圖7所示。

圖7 電纜位置坐標(biāo)檢測(cè)子程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果和誤差分析

4.1 測(cè)試結(jié)果

圖8 模擬測(cè)試環(huán)境圖

由于正常情況下室內(nèi)墻壁電纜的埋深一般在30毫米左右，因此測(cè)試中以30毫米厚度的直拼板模擬墻壁環(huán)境，探測(cè)儀在直拼板正面勻速進(jìn)行掃描檢測(cè)。如圖8所示，直拼板背面分成7行7列共49個(gè)方格，并以圖釘側(cè)邊壓扣的方式布設(shè)兩根電纜，電纜一端連接市電220V電源，另一端連接燈座，并分別安裝功率為60W的白熾燈和功率為11W的節(jié)能燈。60W白熾燈的電纜類(lèi)型選擇BV型電線，11W節(jié)能燈的電纜類(lèi)型選擇BVR型電線，電纜長(zhǎng)度各為3米左右。經(jīng)過(guò)20次的反復(fù)測(cè)試，可得測(cè)試準(zhǔn)確率結(jié)果如下表1所示。

表1 測(cè)試準(zhǔn)確率結(jié)果

4.2 誤差分析

由表1的測(cè)試結(jié)果我們可以看出，電纜類(lèi)型的改變幾乎不影響測(cè)試的準(zhǔn)確率;在60秒內(nèi)探測(cè)儀以平穩(wěn)狀態(tài)(不抖動(dòng))對(duì)兩種長(zhǎng)度約3米的電纜進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是令人滿(mǎn)意的;而探測(cè)儀在平穩(wěn)狀態(tài)下以更快的速度(30秒內(nèi))進(jìn)行探測(cè)，測(cè)試的準(zhǔn)確率略有下降，但影響不大，說(shuō)明測(cè)試速度對(duì)探測(cè)結(jié)果有影響，但不是較大的影響因素;在相同探測(cè)速度下，非平穩(wěn)狀態(tài)(有抖動(dòng))時(shí)獲得的探測(cè)準(zhǔn)確率相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)下降較為明顯，說(shuō)明探測(cè)通電電纜時(shí)操作人員手持探測(cè)儀的手部抖動(dòng)所造成的不平穩(wěn)狀態(tài)會(huì)較大地影響測(cè)試的準(zhǔn)確率。所以在使用本照明線路探測(cè)儀時(shí)應(yīng)以適度的速度(小于50毫米/秒)和平穩(wěn)的狀態(tài)(無(wú)抖動(dòng))下勻速進(jìn)行，可獲得令人滿(mǎn)意的探測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本照明線路探測(cè)儀以高速的數(shù)字信號(hào)處理器芯片dsPIC33FJ128GP802為控制核心，可利用非接觸式的電流檢測(cè)技術(shù)對(duì)墻壁等掩體內(nèi)的照明線路進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的定位探測(cè)，并具備LCD顯示電纜定位結(jié)果和聲光提示功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試我們可以看出，本探測(cè)儀具有準(zhǔn)確率高、操作簡(jiǎn)單和檢測(cè)速度快等方面優(yōu)點(diǎn)，非常適合家庭使用，同時(shí)亦適合電氣技術(shù)人員進(jìn)行線路故障的檢測(cè)，具有一定的推廣價(jià)值。經(jīng)過(guò)測(cè)試結(jié)果的深入分析我們發(fā)現(xiàn)，操作人員手持探測(cè)儀時(shí)的手部抖動(dòng)是影響測(cè)試準(zhǔn)確率的較大因素，因此探測(cè)儀的防抖動(dòng)問(wèn)題將是今后設(shè)備改進(jìn)的重點(diǎn)研究方向。

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

［2］ 汪嵐.基于STC12C5A602的照明線路探測(cè)儀設(shè)計(jì)［J］.延邊大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(3):257-260.

［3］ 權(quán)曉紅.基于巨磁電阻的照明線路探測(cè)裝置［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014(2):66-69.

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