周俊++王旌++王舒文++張珂

摘要：本文針對(duì)建筑物墻體內(nèi)部的隱蔽管線(xiàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于STM32單片機(jī)和LDC1000的便攜式墻壁隱蔽管線(xiàn)探測(cè)儀。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本低且定位準(zhǔn)確高，可對(duì)墻壁內(nèi)部隱蔽管線(xiàn)（如金屬水管、導(dǎo)線(xiàn)管）進(jìn)行探測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證了其探測(cè)的可行性。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；LDC1000；墻壁隱蔽管線(xiàn)探測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0162-02

隨著現(xiàn)代城市化的建設(shè)和發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)大和現(xiàn)代化步伐的加快，工程施工作為最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，人們?yōu)榱俗非笸庑偷拿烙^，絕大部分人在新房建造或裝修過(guò)程中選擇了布置暗線(xiàn)隱蔽起來(lái)。工程在隱蔽后，如果發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，重新返工費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為了避免資源浪費(fèi)和不必要的損失，定期要對(duì)隱蔽工程進(jìn)行檢修。在二次裝修中，由于隱蔽工程存在問(wèn)題，造成了施工人員不知道從哪里下手的尷尬，這往往成為重大的安全隱患，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)構(gòu)成生命威脅。由于隱蔽工程標(biāo)識(shí)不清導(dǎo)致的觸電事故很多，諸如各種墻壁內(nèi)線(xiàn)被電錘打斷，在地板安裝中，氣釘槍打穿了線(xiàn)管等例子更是很常見(jiàn)。所以迫切需要應(yīng)用現(xiàn)代管線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，研制一種有效的便攜式管線(xiàn)探測(cè)工具，使相關(guān)人員更加快速、實(shí)時(shí)、方便的檢測(cè)到墻壁內(nèi)管線(xiàn)的位置、深度等重要信息，從而節(jié)約施工成本，加快施工進(jìn)度，保證施工安全，在不快挖的條件下，準(zhǔn)確測(cè)出墻內(nèi)管線(xiàn)的位置，能準(zhǔn)確的對(duì)破損點(diǎn)進(jìn)行定位，減小不必要的損失[1]。

縱觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于墻壁內(nèi)管線(xiàn)探測(cè)儀的發(fā)展，目前市面上還很少能夠買(mǎi)到既價(jià)格低廉，又便攜可靠的探測(cè)儀來(lái)快速準(zhǔn)確地識(shí)別?；诖?，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種便攜式墻壁隱蔽管線(xiàn)探測(cè)儀，以STM32F103單片機(jī)作為核心控制器，LDC1000外接PCB線(xiàn)圈作為測(cè)量傳感器的探頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)墻內(nèi)管線(xiàn)的檢測(cè)。

1 LDC1000檢測(cè)原理

LDC1000檢測(cè)原理如圖1所示。圖1中Ls是PCB線(xiàn)圈電感值，Rs是PCB線(xiàn)圈的寄生電阻。L（d）是互感值，R（d）是互感的寄生電阻，d表示待測(cè)管線(xiàn)與PCB線(xiàn)圈的距離。在PCB線(xiàn)圈中加上一個(gè)交變電流，線(xiàn)圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，這時(shí)如果有待測(cè)管線(xiàn)（如金屬管或?qū)Ь€(xiàn)管）進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)則會(huì)在其物體表面產(chǎn)生渦流（感應(yīng)電流），渦流電流跟線(xiàn)圈電流方向相反，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)跟線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)方向相反，渦流是待測(cè)管線(xiàn)距離的函數(shù)。

如果交變電流只加在PCB線(xiàn)圈電感上，則在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的同時(shí)消耗大量的能量。這時(shí)將一個(gè)電容C并聯(lián)，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減少，只會(huì)損耗在Rs和R（d）上，通過(guò)檢測(cè)到R（d）的損耗就可以間接的檢測(cè)到距離d的大小[2]。

LDC1000并不是直接檢測(cè)串聯(lián)的電阻，而是檢測(cè)等效并聯(lián)電阻。等效并聯(lián)模型如圖2所示。根據(jù)計(jì)算推導(dǎo)，可以得到等效并聯(lián)電阻的計(jì)算公式：

Rp（d）=（1/（[Rs+R（d）]）*（[Ls+L（d）]）/C （1）

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)裝置圖

STM32F103單片機(jī)與LDC1000的硬件連接如圖3所示。采用了四線(xiàn)制SPI連接方式，STM32F103通過(guò)SPI連接（SDI、SDO、SCLK、CSB）實(shí)現(xiàn)對(duì)LDC的控制以及數(shù)據(jù)讀取，LDC1000的INA和INB管腳連接PCB線(xiàn)圈。具體實(shí)驗(yàn)裝置如下圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Rp是對(duì)應(yīng)的線(xiàn)圈電渦流等效阻抗，RpMAX和 RpMIN寄存器相當(dāng)于Rp的采樣范圍。實(shí)驗(yàn)中，為了讓Rp 的實(shí)際值落在測(cè)量范圍內(nèi)，我們將待測(cè)管線(xiàn)放在離PCB線(xiàn)圈最近的位置，此時(shí)渦流損壞最大，得到Rp 的最大值，將待測(cè)管線(xiàn)放在離線(xiàn)圈最遠(yuǎn)的有效距離，此時(shí)渦流最小，得到Rp 的最小值。 軟件設(shè)計(jì)上，RPMIN和RPMAX寄存器的值可由按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，并由OLED顯示。由于管線(xiàn)探測(cè)器較容易受到外界的干擾，我們對(duì)其LDC1000收集的數(shù)據(jù)實(shí)行了滑動(dòng)平均濾波[3]。具體系統(tǒng)程序框圖如5所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

基于以上實(shí)驗(yàn)裝置，為了模擬系統(tǒng)對(duì)于不同管線(xiàn)（如金屬水管、導(dǎo)線(xiàn)管）探測(cè)的可行性，實(shí)驗(yàn)中選取了一段家用照明電線(xiàn)2.5m2和一塊金屬片分別放置于固定臺(tái)中央，分別測(cè)得Rp與距離d對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值。其中，所使用的PCB線(xiàn)圈直徑14mm，線(xiàn)圈數(shù)23圈，線(xiàn)寬4mil，線(xiàn)距4mil；金屬片46mm*46mm*0.1mm。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1-2和曲線(xiàn)圖6-7所示。

從圖6和圖7中可以看出，對(duì)于不同Rp值，對(duì)應(yīng)不同距離d，通過(guò)測(cè)量Rp的大小，根據(jù)公式（1）可以換算出距離d的大小，但是隨著距離d的進(jìn)一步增加，Rp值趨于不變，此時(shí)對(duì)應(yīng)距離d為系統(tǒng)可探測(cè)的最大距離[4]。實(shí)驗(yàn)中，我們還選擇不同大小PCB線(xiàn)圈進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)大線(xiàn)圈測(cè)量距離遠(yuǎn)，但是受到周?chē)蓴_比較大，小線(xiàn)圈測(cè)量距離近，但是所受到的干擾較小。在實(shí)際測(cè)量中，可以根據(jù)測(cè)量所處環(huán)境以及精度要求選擇不同規(guī)格大小的線(xiàn)圈進(jìn)行測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于STM32單片機(jī)和LDC1000的便攜式墻壁隱蔽管線(xiàn)探測(cè)儀，從LDC1000檢測(cè)原理出發(fā)，分別從系統(tǒng)硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹整個(gè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并從實(shí)驗(yàn)上模擬驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)于不同管線(xiàn)（如金屬水管、導(dǎo)線(xiàn)管）探測(cè)的可行性。該系統(tǒng)除了對(duì)墻壁內(nèi)部隱蔽管線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)外，還可以應(yīng)用于汽車(chē)、計(jì)算機(jī)電子、通信等其他領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]吳煒.電感傳感器金屬探測(cè)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（5）：54-56.

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[3]Texas Instruments Incorporated. LDC1000-Q1.ZHCSCS2B[S].Texas Instruments Incorporated，2014.

[4]周靈彬.金屬物體探測(cè)定位器設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（1）：111-114.